精密硬态车削有限元仿真分析

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1、重庆大学本科学生毕业设计（论文）精密硬态车削有限元仿真分析学生：学号：指导教师：专业：机械设计制造及其自动化重庆大学机械工程学院二O一二年六月GraduationDesign(Thesis)ofChongqingUniversityFiniteElementSimulationAnalysisofPrecisionHardTurningUndergraduate:Supervisor:Major:MechanicalDesign,Manufacture&AutomationCollegeofMechanicalEngineeringCh

2、ongqingUniversityJune2012重庆大学本科学生毕业设计（论文）摘要摘要淬硬钢是一类典型的难加工材料，硬度可高达50~65HRC。通常，淬硬钢工件在淬硬热处理前已完成粗加工；精加工则由磨削完成，成本较高且污染严重。精密硬态车削技术采用车削对淬硬钢工件进行精加工，是一种绿色、经济的加工工艺，近年来，得到了越来越多的关注。在阐述国内外研究成果的基础上，本文通过有限元软件ABAQUS对精密硬态车削过程进行了较为深入的研究。建立了二维正交自由切削有限元模型。在合理假设的基础上，详细讨论了由实际车削加工向二维正交自由切削几何模型

3、转化过程及之间的参数关系。仿真模型中采用了Johnson-Cook材料模型来描述工件的流动应力，刀-屑接触采用修正的库仑摩擦模型。工件单元类型采用CPE4RT单元，结合失真、沙漏控制技术，有效避免了由于材料大变形导致的网格扭曲、畸变等问题。采用了Johnson-Cook材料失效模型和单元删除技术来实现切屑分离。采用显示求解算法进行完全热力耦合分析。通过有限元软件ABAQUS对淬硬轴承钢GCr15（62HRC）进行了一系列仿真实验。在切削速度180m/min、切削层厚度0.1mm，切削层宽度1mm，刀具前角-5°时得到平均总切削力438.

4、4N，切削温度903℃。同时，研究发现：1、在低速切削下，形成带状连续切屑；在高速切削下，形成锯齿状切屑，并出现了明显的绝热剪切带和切削力波动，观察到在切屑自由表面处微裂纹的出现和扩展现象。2、通过对比完全热力耦合分析和绝热分析两种仿真分析方法发现，通过绝热分析得到的切削温度明显偏高并偏离正常值，造成切削力的较大波动；3、在一定范围内，切削速度的提高会使切削力下降，但在一定临界值（180m/min附近）后，呈现略有上升的趋势。除此之外，切削力、切削温度随切削用量、刀具前角的变化规律基本符合传统车削加工理论。4、在距已加工表面深度约0.1

5、mm以内呈现残余压应力，这对提高工件使用性能具有重要意义。最后，采用正交试验设计的方法对硬态车削试验进行了初步设计和研究。关键词：精密硬态车削，淬硬钢，有限元仿真，锯齿形切屑，机理-V-重庆大学本科学生毕业设计（论文）AbstractAbstractHardenedsteelisatypicalkindofdifficult-to-machinematerials,itshardnesscanbeashighas50~60HRC.Generally,hardenedsteelworkpiecehasbeencompletedforrou

6、ghingpriortothehardeningtreatmentandthenfinishingwillbecompletedbygrindingwhichishighcostandpoorenvironmentalprotectionperformance.Causeitutilizesturningforfinishinginsteadofgrinding,precisionhardturningtechnologyasagreen,economicprocessingtechniquehasearnedmoreandmoreat

7、tentioninrecentyears.Basedondescribingtheresearchachievementsfromhomeandabroad,PrecisionHardTurningTechnologyhasbeenmadein-depthstudywiththefiniteelementsoftwareABAQUSinthispaper.Atwo-dimensionalorthogonal-freecuttingfiniteelementmodelispresented.Basedonreasonablehypothe

8、ses,conversionfromactualturningmodeltotwo-dimensionalorthogonal-freecuttinggeometrymodelisdescribedinde