高锰钢超声振动切削的仿真研究

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1、高锰钢超声振动切削的仿真研究#阎长罡，于金有，刘宇*（大连交通大学机械工程学院，辽宁大连116028）51015202530摘要：本文针对高锰钢加工硬化的特性，提出采用超声振动切削的非传统加工方法。利用有限元软件ABAQUS对振动切削过程进行模拟仿真，得到切削力、切削热、应力场分布情况及振动参数对切削力的影响规律。关键词：高锰钢；振动切削；仿真；ABAQUS中图分类号：TG506.5，TG712SimulationResearchonUltrasonicVibrationCuttingofHighManganeseSteelYanChanggang

2、,YuJinyou,LiuYu(SchoolofMechanicalEngineering，DalianJiaoTongUniversity,Dalian116028)Abstract:Aimingattheworkhardeningcharacteristicsofhighmanganesesteel(HMS),anontraditionalmachiningmethodofultrasonicvibrationcuttingwasintroducedtoprocessthemachiningofHMSinthispaper.Andthefinite

3、elementsoftwareABAQUSwasusedtosimulatethecuttingprocessofthevibrationcutting.Thusthefielddistributionsofcuttingforce,cuttingheatandstress,andtheinfluencesofvibrationparametersoncuttingforcewereobtained.Keywords:Highmanganesesteel;Vibrationcutting;Cuttingsimulation;ABAQUS0引言高锰钢作为

4、一种高耐磨性材料，在工件经受强烈冲击或挤压的工况下，其表面迅速硬化，而心部依旧保持原有的硬度和良好的韧性。其具有良好的加工硬化特性实际上已成为一把双刃剑，一方面为工程应用带来了良好的性能成为人们孜孜以求的目标，另一方面又是造成高锰钢切削加工非常困难的“罪魁祸首”。超声振动切削技术是把有规律的超声波振动施加在刀具上使刀具周期性地切削工件的加工方式，是结合超声波方法和传统切削工艺的一种特种切削技术。与传统加工方式相比，超声振动切削具有如下优点：减小切削力，降低切削温度，提高刀具寿命，提高生产效率；加工质量好，精度高，工件表面粗糙度值小。可以说，振动切削使难

5、加工材料的高效加工理念焕然一新[1，2]关于超声振动切削技术，国内外很多学者针对各自的切削工艺和切削对象分别从实验[3-5]，10]35切削过程的高度复杂性，还有许多深层次的问题有待于进一步研究，尚未建立起一套能有效解释超声振动过程共性现象的理论体系。目前，针对具体的加工对象还需进行具体的研究。本文把超声技术引用到高锰钢的切削过程，利用ABAQUS软件对高锰钢超声波振动切削过程进行三维数值仿真，研究切削力、切削热、应力场分布情况，分析振动参数对切削力的影响规律。利用有限元软件对车削过程进行模拟仿真，能够对车削过程的各要素进行合40基金项目：教育部

6、博士点基金项目，“基于断裂力学的高锰钢超声振动切削性能优化的理论与方法”，项目号20102124120001作者简介：阎长罡，男，副教授，研究方向：复杂曲面的设计与加工，难加工材料与高效刀具切削技术，车间调度理论及BOM管理技术.E-mail:ycg@djtu.edu.cn-1-。、理论[6-8]和仿真[9等角度进行了深入的研究，并取得了一定的研究成果，但鉴于振动理预测，对高效率、低成本地进行高锰钢振动切削提供一定的技术支撑。1车削模型建立（1）在ABAQUS软件Part模块下建立刀具、工件。工件的几何尺寸长×宽×高为：55mm×10mm×10mm

7、，刀具的前角为8°，后角为5°，刃倾角为45°，切削深度为：1mm，建4550立基于分离线的三维切削模型。并对部件直接进行网格划分，工件和刀具的网格划分选用采用8节点六面体热力耦合线性减缩积分单元类型C3D8RT，采用增强沙漏控制。工件模型包含9761个C3D8RT单元和9776个节点；刀具模型包含480个C3D8RT单元和694个节点，初始切削模型如图1所示。图1切削几何模型Fig.1Geometricmodelofcutting（2）在Step模块下建立如下图2所示的工件与刀具接触关系：55图2刀具和工件的接触关系Fig.2Thecontactr

8、elationshipbetweencuttingtoolandworkpiece（3）切削的