预应力硬态切削加工的有限元数值模拟及实验研究

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1、华南理工大学博士学位论文预应力硬态切削加工的有限元数值模拟及实验研究姓名：彭锐涛申请学位级别：博士专业：机械制造及其自动化指导教师：叶邦彦20080601手两斐轴承、螺杆等航空和汽车高硬材料零件在恶劣的工作环境中承受复杂的交变应力载荷及热载荷，针对它们易产生疲劳破坏等问题，提出预应力硬态切削方法。预应力硬态切削方法是预应力切削和硬态精密切削等先进制造技术的有机集成，不仅弥补硬态切削时光靠改变刀具和切削参数难以稳定控制加工表面残余应力的不足，还可拓展预应力切削的应用范围。与其他调整表面残余应力的方法相比，预应力硬态切削

2、方法能在切削加工过程中将残余应力控制在一定范围内，并且加工表面无额外硬化现象，对承受冲击载荷的零件来说是有利的，也是其他残余应力调整方法难以实现的。本文通过有限元模拟与试验研究相结合的方法，对环类零件和轴类零件的预应力硬态切削加工过程、加工表面残余应力及已加工表面形貌进行了深入的研究，为提高这类零件的疲劳强度拓展出一条新的思路，对预应力硬态切削加工技术的推广应用具有重要的指导意义。全文共分六章，各章内容简述如下。第一章阐述了论文的研究背景和意义，总结了硬态切削、预应力切削和切削加工表面残余应力的国内外研究概况，提出了

3、本文的研究内容和主体框架。第二章探讨了残余应力对加工表面质量的影响，分析了切削过程残余应力的产生机理，归纳了目前残余应力的测试方法，总结了控制加工表面残余应力的方法，研究了预应力切削方法的原理和产生预应力的几种方法，并对预应力导致工件的变形和切削加工中的补偿进行了初步探讨。第三章回顾了金属切削加工的相关理论，基于有限元模拟过程中的相关控制方程，综合考虑切削过程中的弹塑性变形，研究了切削模拟中的关键技术，探讨了任意拉格朗日．欧拉法(ALE)和网格自适应性在切削模拟中的应用。在此基础上，建立了二维正交硬态切削的有限元模型

4、，并基于三种不同的切屑形成方法对切削过程展开了模拟；进行了正交切削试验验证，验证了二维有限元模型的正确性。第四章指出对环类零件实施预应力切削能提高其疲劳寿命；对轴承套圈的预应力硬态切削加工提出了不同的预应力施力装置方案，随后进行了径向预应力加载的力学分析，建立了径向加载的预应力切削三维热力耦合有限元分析模型，在此基础上进行了有限元数值模拟和实验验证，研究了切削加工得到的切削力、切削温度和残余应力等物理量的变化规律，并定性分析了预应力大小、切削速度、背吃刀量和钝圆半径对这些物理量的影响；其次研究了预应力硬态切削加工套圈

5、后得到的加工表面形态，如加工表面粗糙度、表层硬化层、加工表面形貌和切屑形貌等；最后分析了预应力导致工件的变形及切削加工中的补偿。第五章对轴类零件实施预应力切削的重要性作了简要分析；为螺杆的预应力硬态切削加工设计了不同的预应力施力装置，基于轴向预应力加载的力学分析，以及建立的预应力切削三维热力耦合有限元分析模型，对螺杆的预应力硬念切削加工进行了有限元数值模拟和实验研究，得到了切削力、切削温度和残余应力等物理量的变化规律，并定性分析了预应力大小、切削速度、背吃刀量和负倒棱前角对这些物理量的影响；探讨了预应力硬态切削加工轴

6、件后得到的诸如加工表面粗糙度、表层硬化层、加工表面形貌和切屑形貌等加工表面形态；最后对预应力导致工件的变形及切削加工中的补偿进行了探讨。第六章对本文的研究工作进行了总结，并对进一步研究进行了展望。关键词：预应力切削、硬态切削、疲劳强度、有限元法、残余应力、加工表面形态。IIAbstractSuchhi曲-hardmaterialpartsasscrewsandbearingsinaviationandautomotiveindustriesworkinhostileenvironmentsofcomplexalter

7、natingstressloadandthermalload，concernontheirpossibilitytodevelopfatiguefailure，amethodofpre—stresshardcuttingisproposed．Themethodisanorganicintegrationofpre—stresscuttingandhardcutting，whichnotonlyovercometheproblemofdifficulttostablecontrolsurfaceresidualstre

8、ssjustbychangingtoolgeometryandcuttingparametersinhardcutting,butalsoexpandtheapplicationscopeofpre—stresscutting．Comparedwithothermethodsofadjustingsurfaceresidualstress，pr