金屬切割機(jī)進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)外文翻譯

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</b></p><p><b>　　譯文及原稿</b></p><p>　譯文題目：金屬正交切削中的殘余應(yīng)力和壓力</p><p>　原稿題目：Residual stresses and strains in orthogonal metal cutting</p>

2、;<p>　原稿出處：C. Shet, X. Deng，International Journal of Machine Tools & Manufacture 43 (2003) 573–587，accepted 3 January 2003</p><p>　　金屬正交切削中的殘余應(yīng)力和壓力</p><p>　　摘要 在平面變形情況下，有限元法用于模仿和分析正交金

3、屬切削過(guò)程。在剩余應(yīng)力和張力領(lǐng)域完成制件與對(duì)焦。采用了各種建模。沿工具芯片界面摩擦相互作用，建模與改良庫(kù)侖摩擦法?；谂R界應(yīng)力準(zhǔn)則的節(jié)點(diǎn)釋放技術(shù)建立芯片分離模型。在與溫度相關(guān)的材料屬性和工具的范圍內(nèi)，確定是前角和摩擦系數(shù)的值。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)通過(guò)熱冷卻，取決于這些參數(shù)的范圍可以增加殘余水平應(yīng)力，傾角和磨擦系數(shù)的影響，并且是非線性的。比較預(yù)測(cè)殘余應(yīng)力與文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果。</p><p>　　關(guān)鍵詞： 有限限元模擬

4、 金屬正交切削 殘余應(yīng)力</p><p><b>　　1.導(dǎo)言</b></p><p>　　金屬正交切削，非線性復(fù)雜耦合的熱機(jī)械進(jìn)程的加工操作。應(yīng)變和主剪切帶中的高應(yīng)變率和相應(yīng)芯片與工具之間的聯(lián)系，沿輔助剪切區(qū)域復(fù)雜性的摩擦。 除上述以外，工作形成的切屑和工具之間的摩擦引起產(chǎn)熱。在金屬切削加工的副產(chǎn)品中，出現(xiàn)殘余應(yīng)力與新增壓力，會(huì)影響已加工表面的完整性，縮

5、短機(jī)械組件蠕變疲勞壽命。因此，審慎評(píng)估工件殘余應(yīng)力與應(yīng)變的區(qū)域是必要的，針對(duì)機(jī)械零件在蠕變疲勞載荷條件下過(guò)早失效，要對(duì)切削過(guò)程的進(jìn)行優(yōu)化與維護(hù)。</p><p>　　在過(guò)去60 年中，已經(jīng)進(jìn)行了大量的金屬切削研究工作，Theearliest和 Piispanen 開(kāi)發(fā)了金屬切削力學(xué)分析模型。這些模型被稱(chēng)為剪角模型，它們都提供剪角、 傾角和磨擦系數(shù)的實(shí)證關(guān)系。這些模型還可用于估計(jì)部件、 應(yīng)力和平面應(yīng)變條件下的金屬切

6、削加工過(guò)程中的能源消耗。在這以后制訂了更復(fù)雜的剪角模型，以包括各種設(shè)計(jì)參數(shù)的影響。Lee李和 Shaffer 提出一種基于滑移線場(chǎng)理論，其中假定剛性完美塑料材料切削和直剪切平面的剪角模型。kudo通過(guò)引入曲線的剪切平面來(lái)考慮控制曲線的切片和直線工具之間的接觸，修改滑移線模型。帕爾默.奧克斯利和奧克斯利認(rèn)為是在粘塑性條件和工件硬化及應(yīng)變率效應(yīng)。duke等人研究芯片和工具之間的界面摩擦的安置，觸發(fā)器和分析局部加熱的金屬切削加工的影響。有限元

7、方法已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于各種金屬切削技術(shù)的研究。有限元方法的多功能性使得它考慮到工件大變形、 應(yīng)變率效應(yīng)、 工具芯片接觸和摩擦，局部加熱和溫度的影響、 不同邊界和加載條件，和其他現(xiàn)象遇到的金屬切削加工問(wèn)題。Usui和 Shirakashi 開(kāi)發(fā)的金屬切削加工模型是早期有限元模型之一。基于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，他們假定無(wú)關(guān)變形</p><p>　　以上討論的分析與數(shù)值提供了很好的金屬切削過(guò)程的理解與模擬的研究。尤其是，這些研究涉及

8、大應(yīng)變和應(yīng)變率、 穩(wěn)態(tài)反應(yīng)、 摩擦和局部加熱的影響和芯片分離標(biāo)準(zhǔn)等問(wèn)題。但是，已進(jìn)行的多計(jì)算工作，以了解有關(guān)機(jī)械加工零件的表面完整性的問(wèn)題。</p><p>　　已知?dú)堄鄳?yīng)力會(huì)使表面完整性產(chǎn)生影響。Henriksen 為了解在加工表面的各種切削條件下的鋼和鑄鐵零件中的殘余應(yīng)力進(jìn)行一系列的測(cè)試。他在報(bào)告說(shuō)殘余應(yīng)力可能高達(dá) 689.48 MPa 。他還強(qiáng)調(diào)了在韌性材料 （如碳鋼） 。通常拉伸和壓縮的脆性材料 （鐵等）

9、。由于各種原因已歸入在工件中的殘余應(yīng)力的原因。劉和拉什觀察到工件表面的機(jī)械變形誘導(dǎo)殘余應(yīng)力。科諾中南工業(yè)大學(xué)和 Tonsoff 等人發(fā)現(xiàn)殘余應(yīng)力是依賴(lài)的切削速度，殘余應(yīng)力對(duì)工件材料的硬度有重大影響。表明在金屬切削中的摩擦也有助于形成的殘余應(yīng)力。確定了機(jī)械加工零件，如評(píng)價(jià)顯微硬度、 表面完整性的各種方法 x 射線衍射，和層去除偏轉(zhuǎn)技術(shù)。</p><p>　　日本早稻田大學(xué)柿野，發(fā)現(xiàn)殘余應(yīng)力均與加工中的切削力和溫度分

10、布有關(guān)，提出了早期預(yù)測(cè)模型的殘余應(yīng)力。在另一種分析模型中，連接殘余應(yīng)力和工件最脆弱部位。施和楊進(jìn)行了機(jī)械加工的工件殘余應(yīng)力分布的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)，計(jì)算研究。最近，劉和郭用有限元方法來(lái)評(píng)價(jià)在工件的殘余應(yīng)力。他們還觀察到進(jìn)行第二次下調(diào)時(shí)在切割面上殘余應(yīng)力幅度降低了。</p><p>　　雖然現(xiàn)有的資料為機(jī)械加工部件的殘余應(yīng)力的研究提供了重要的見(jiàn)解，但是殘余應(yīng)變分布，從每個(gè)階段的切割冷卻過(guò)程中工具耙角影響的等問(wèn)題，仍然沒(méi)有得到

11、充分的理解。為此，這項(xiàng)調(diào)查的目的是要了解工具界面摩擦和工具耙角度對(duì)形成和分布的殘余應(yīng)力和應(yīng)變的機(jī)械加工零件是如何影響的，并劃分切割冷卻過(guò)程分為四個(gè)階段</p><p>　　并調(diào)查的每個(gè)階段的用處。有限元方法用于模擬正交金屬切削的過(guò)程，通過(guò)使用 ABAQUS 的通用代碼中的幾個(gè)高級(jí)的建模選項(xiàng)，制定了仿真程序。采用最新的拉格朗日制訂適合大應(yīng)變變形。假定平面應(yīng)變條件。包括電源過(guò)壓粘塑性本構(gòu)模型與應(yīng)變率效應(yīng)。沿工具芯片界

12、面摩擦接觸已遵守修改庫(kù)侖摩擦定律。在絕熱加熱條件下，對(duì)可塑性和摩擦所致的局部加熱升溫?；趹?yīng)力的芯片分離建模標(biāo)準(zhǔn)把工件的芯片分離，被認(rèn)為是依賴(lài)于溫度的物質(zhì)屬性。這項(xiàng)研究提供了詳細(xì)的博覽會(huì)的不同階段后切割、 應(yīng)力、 應(yīng)變場(chǎng)演化和形成的殘余應(yīng)力和工件的成品表面附近的金相。</p><p><b>　　2.有限元模型描述</b></p><p>　　圖 1 顯示了金屬正交切

13、削過(guò)程，是其中一個(gè)連續(xù)的芯片正在從工件切削刀具相對(duì)于工件勻速移動(dòng)的原理圖。</p><p>　　在芯片分離和對(duì)待摩擦的交互工具-芯片-工件系統(tǒng)中，定義了三個(gè)相關(guān)關(guān)系。如圖 1 所示。接觸面1的切割路徑，兩個(gè)接觸表面由兩組節(jié)點(diǎn) （每個(gè)面上一個(gè)） 粘合在一起并用配對(duì)。當(dāng)達(dá)到芯片分離標(biāo)準(zhǔn)，工具提示的聯(lián)系節(jié)點(diǎn)距離，使該工具以增量方式推進(jìn)。作為工具的聯(lián)系節(jié)點(diǎn)對(duì)材料成形芯片的內(nèi)面，將移動(dòng)到所接觸面2的定義區(qū)域，和那些形成成品

14、的工件表面將移動(dòng)到接觸面3，如圖 1 所示。雖然有接觸面2的芯片和工具的前刀面之間的摩擦相互作用，接觸面3 只用于維護(hù)工具提示新切工件表面的接觸。</p><p>　　因?yàn)橄啾扰c平面維度的工件，被刀具切削的材料層的厚度通常是非常薄，聲稱(chēng)是平面應(yīng)變條件。由于其與芯片和工件的高剛度、 切割工具作為剛體理想化，建模的彈性材料與人工高楊氏模量 （2.1 × 1015 MPa 在此研究中使用的值）。</p&

15、gt;<p>　　本節(jié)的其余部分描述了一些實(shí)施這項(xiàng)研究進(jìn)行的金屬切削模擬計(jì)算要點(diǎn)。</p><p><b>　　2.1.摩擦界面</b></p><p>　　沿 toolchip 界面的接觸摩擦的影響，通過(guò)修改庫(kù)侖摩擦法 （在 ABAQUS 中可用的選項(xiàng)）建立模型，。它指出在一個(gè)聯(lián)系點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)將發(fā)生是否應(yīng)用抗剪應(yīng)力 t 相切的聯(lián)系人界面到達(dá)下面定義的

16、tc 的臨界摩擦剪應(yīng)力。</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　其中 p 是接觸點(diǎn)處的正常壓力、 n 是摩擦系數(shù)，t是閾值，剪應(yīng)力。它指出，當(dāng)t設(shè)置為無(wú)窮大時(shí)，常規(guī)的庫(kù)侖摩擦法收回。在此研究中，工件材料是 AISI 4340 鋼，這是略高于材料的屈服應(yīng)力在簡(jiǎn)單剪切。</p><p>　　圖1 金屬切割與相關(guān)部分<

17、/p><p>　　2.2.能量耗散和局部加熱</p><p>　　在金屬切削過(guò)程中，在芯片和工件的塑料工作和沿 toolchip 摩擦工作接口局部加熱造成的能量耗散。在高速切削，產(chǎn)生的熱量已沒(méi)有時(shí)間傳導(dǎo)和由此產(chǎn)生的溫度上升通常被視為工件自身承受。絕熱加熱條件下，局部溫度升高，Tp，誘導(dǎo)塑料工作在時(shí)間間隔 t，可以寫(xiě)為</p><p><b>　?。?）<

18、/b></p><p>　　J，相當(dāng)于熱轉(zhuǎn)換因子，c 比熱、 密度，r 和塑料工作的百分比轉(zhuǎn)化為熱能的 hp （通常，85%hp 95%； hp = 90%在此研究中 [16,35])。</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　其中 t 是接觸點(diǎn)處的剪應(yīng)力、 s˙ 是滑動(dòng)速度，，J，c 和 r 是界定的智商系數(shù) h

19、f 代表摩擦工作轉(zhuǎn)化為熱量，這作為這項(xiàng)研究的 1.0 的小數(shù)部分。沿工具芯片接口，產(chǎn)生的總熱量的一半 （50%） 假定走進(jìn)芯片和另一半到工具。</p><p><b>　　2.3.芯片分離</b></p><p>　　在金屬切削加工仿真中，沿切削工具前小區(qū)域的應(yīng)力和變形區(qū)域，芯片分離切割平面，滿(mǎn)足某些芯片分離的判據(jù)。值得注意的是研究表明芯片的幾何形狀和應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的分布

20、不影響。在本研究中，用于控制芯片分離的臨界應(yīng)力，按照這一標(biāo)準(zhǔn)，在一定距離的工具提示之前到達(dá)一個(gè)關(guān)鍵的組合芯片分離時(shí)發(fā)生應(yīng)力狀態(tài)。數(shù)學(xué)上，可以作為下面給定的應(yīng)力索引</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　沿切割的路徑，剪切力和正常組件應(yīng)力，工具提示指定距離處的應(yīng)力狀態(tài)。如圖 1 所示是失去壓力下純材料的拉伸和剪切加載條件下切削。芯片分離發(fā)生時(shí)應(yīng)

21、力指數(shù) f 達(dá)到工具提示前一個(gè)元素長(zhǎng)度 (在這項(xiàng)研究的約 50.8 μ m) 的值。對(duì)于AISI 4340材料鋼，臨界壓力也就是948 MPa 和 548 MPa （基于 von Mises 屈服的關(guān)系）。</p><p><b>　　2.4.材料模型</b></p><p>　　工件是 AISI 4340材料鋼在粘塑性本構(gòu)模型建模。</p><p

22、><b>　?。?）</b></p><p>　　在一定電壓下進(jìn)行適合高應(yīng)變率應(yīng)用程序 （如高速金屬切削）。標(biāo)準(zhǔn)的常量值用于其他物理屬性 （比熱 c = 502.0 J/動(dòng)量K 和大規(guī)模密度 r = 7800 kg/m3)。在金屬切削加工過(guò)程中產(chǎn)生的巨大熱量將改變工件材料的材料特性。因此，依賴(lài)于溫度的材料屬性 (例如彈性常數(shù)、 初始屈服應(yīng)力和熱膨脹系數(shù)） 。</p>&l

23、t;p>　　2.5.有限元網(wǎng)格和邊界條件</p><p>　　圖 2 顯示了有限元離散化整個(gè)幾何模型的工件-芯片-工具系統(tǒng)。芯片層由傾斜的元素組成，它們從工件中分離，在交互的工具切割時(shí)，防止過(guò)度失真的元素。約 64 ° 的傾角的傾斜元素與切削方向。該芯片切割的起始位置，一層芯片的右端是最初分隔從工件，以便順利和快速過(guò)渡到穩(wěn)定狀態(tài)。左端，芯片層三角部分維持以使網(wǎng)格生成更簡(jiǎn)單和不可望對(duì)穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果的影

24、響。此網(wǎng)格設(shè)計(jì)是有效和原擬由 Strenkowski 和卡羅爾，并已經(jīng)通過(guò)其他研究人員的可肯定</p><p>　　圖 2 所示的有限元網(wǎng)格由 1160個(gè)四節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變?cè)嘏c 1308個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。在預(yù)期大變形芯片中，網(wǎng)格的芯片圖層是比工件更精細(xì)。具體而言，芯片層，其中有 254 μ m 的高度 （切削深度），分為十個(gè)二類(lèi)油層的元素。該工件區(qū)域，其中有 2540年 μ m 的長(zhǎng)度和高度 889 μ m，分為 11

25、層，但每個(gè)有 50 個(gè)元素在切削方向。它被發(fā)現(xiàn) 50 個(gè)元素是使用頻譜-評(píng)價(jià)的有限元模擬，在切割工具到達(dá)左結(jié)尾之前以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。下方的切割路徑元素的頂部五層細(xì)是維度 50.8 μ m × 50.8 微米，這些是比工件網(wǎng)格的下半部分中的那些小方形內(nèi)容與離散化。</p><p>　　圖2 金屬切割網(wǎng)格層</p><p>　　工件邊界條件的指定方式如下：因?yàn)橄掳氩糠种械墓ぜ牧峡赏?/p>

26、受很小的變形，工件的底部邊界被認(rèn)為具有零位移。由于工件是足夠長(zhǎng)，在實(shí)現(xiàn) （忽略任何瞬變影響的開(kāi)頭和末尾的切割模擬） 穩(wěn)態(tài)解的切割方向，左、 右兩端的工件邊界和切削方向被限制。</p><p>　　為了保持耙角度和剛性切割工具的間隙角，鑒于該工具是基長(zhǎng)度407 μ m，高度 762 μ m 的平行四邊形的形狀。它由 60 大小相等平面應(yīng)變?cè)亟M成。雖然該工具是在切割過(guò)程中與恒速負(fù) x 方向移動(dòng)，該工具的上邊緣是始終