基于ABAQUS的7055鋁合金切削加工的刀具表面微織構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化

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1、青島黃海學院××××屆畢業(yè)設(shè)計（論文） 青島黃海學院 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文） 中文題目： 基于ABAQUS的7055鋁合金切削加工 的刀具表面微織構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化 英文題目： [Times New Roman 小三號，居中] 單詞首字母大寫，介詞專有名詞除外 學 院： 機電工程學院 專業(yè)班級： 2014級機械設(shè)計制造及其自動化1班 學生姓名： 趙騫 學 號： 1401111022 指導(dǎo)教師： 張平 職 稱： 副教授 二○一八年六月 畢業(yè)設(shè)計（論文）原創(chuàng)性聲明 本人

2、鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文）是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計（論文）不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。 本人簽名： 日期： 畢業(yè)設(shè)計（論文）使用授權(quán)聲明 本人完全了解青島黃海學院有關(guān)保留、使用畢業(yè)設(shè)計（論文）的規(guī)定，允許被查閱和借閱；學?？梢怨既炕虿糠謨?nèi)容，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存該

3、畢業(yè)設(shè)計（論文）。保密的畢業(yè)設(shè)計（論文）在解密后遵守此規(guī)定。 本人簽名： 導(dǎo)師簽名： 日期： 摘 要 高.強.度.、.低.密.度.、.優(yōu).良.的.耐.腐.蝕.性.等.主.要.性.能.使.合.金.在.很.多.領(lǐng).域.受.到.青.睞.，.廣.泛.應(yīng).用.于.航.空.、.醫(yī).療.化.學.等.領(lǐng).域.。.但.由.于.7.0.5.5.鋁.合.金.的.難.加.工.性.，.使.切.削.刀.具.在.加.工.過.程.中.磨.損.嚴.重.，.耐.用.度.低.，.限.制.切.削.加.工.效.率.的.提.高.。.

4、而.摩.擦.學.相.關(guān).的.研.究.發(fā).現(xiàn).，.具.有.一.定.紋.理.的.非.光.滑.表.面.反.而.具.有.更.好.的.減.磨.作.用.，.合.理.的.微.織.構(gòu).形.式.和.參.數(shù).可.以.起.到.良.好.的.減.磨.作.用.。.本.文.在.銷.試.樣.的.表.面.加.工.溝.槽.型.微.織.構(gòu).，.進.行.銷.盤.摩.擦.磨.損.試.驗.，.研.究.微.織.構(gòu).對.7.0.5.5.鋁.合.金.摩.擦.性.能.的.影.響.。.利.用.有.限.元.法.對.7.0.5.5.鋁.合.金.切.削.過.程.進.行.仿.真.建.模.，.研.究.微.織.構(gòu).刀.具.在.7.0.5.5.鋁.合.金.切.

5、削.過.程.中.主.切.削.力.的.變.化.規(guī).律.。.本.文.主.要.從.以.下.幾.個.方.面.進.行.研.究.:. 首.先.，.利.用.激.光.打.標.機.在.銷.試.樣.表.面.加.工.出.微.織.構(gòu).，.通.過.無.微.織.構(gòu).與.有.微.織.構(gòu).的.銷.試.樣.與.7.0.5.5.鋁.合.金.組.成.的.摩.擦.副.進.行.摩.擦.磨.損.試.驗.，.發(fā).現(xiàn).微.織.構(gòu).有.良.好.的.減.磨.效.果.。.選.擇.不.同.尺.寸.參.數(shù).微.織.構(gòu).的.銷.試.樣.與.7.0.5.5.鋁.合.金.進.行.摩.擦.磨.損.試.驗.，.研.究.不.同.微.織.構(gòu).參.數(shù).對.

6、減.磨.效.果.的.影.響.。. 其.次.，.利.用.有.限.元.軟.件.A.B.A.Q.U.S.構(gòu).建.硬.質(zhì).合.金.切.削.7.0.5.5.鋁.合.金.的.二.維.仿.真.模.型.，.并.進.行.合.金.的.切.削.實.驗.，.驗.證.模.型.的.正.確.性.。.對.有.微.織.構(gòu).的.刀.具.切.削.7.0.5.5.鋁.合.金.的.過.程.進.行.仿.真.，.并.與.無.微.織.構(gòu).的.刀.具.切.削.7.0.5.5.鋁.合.金.的.仿.真.進.行.對.比.，.分.析.刀.具.應(yīng).力.分.布.情.況.，.切.削.力.的.變.化.規(guī).律.，.以.及.對.等.效.塑.性.應(yīng).變.

7、產(chǎn).生.的.影.響.。. 最.后.，.研.究.切.削.力.關(guān).于.微.織.構(gòu).尺.寸.參.數(shù).的.變.化.規(guī).律.。.通.過.單.因.素.試.驗.確.定.各.變.量.的最優(yōu)取值范.圍，得.出.主.切.削.力.關(guān).于.微.織.構(gòu).參.數(shù).的優(yōu)化模.型設(shè)計。 關(guān)鍵詞：微織構(gòu)刀具 7055鋁合金 有限元仿真 優(yōu)化設(shè)計 ABSTRACT High strength, low density, excellent corrosion resistance and other major properties make alloys popular in many

8、 fields, and are widely used in the fields of aviation, medical chemistry and so on. However, because of the difficult machinability of 7055 aluminum alloy, the cutting tools have serious wear and tear and low durability in the process of machining, which limits the improvement of cutting efficiency

9、. However, tribological research shows that a smooth surface with a certain texture has better antifriction effect. Reasonable micro texture forms and parameters can play a good role in reducing wear. In this paper, the grooved micro texture was processed on the surface of the pin specimen, and the

10、friction and wear test of the pin was carried out to study the effect of micro texture on the friction properties of 7055 aluminum alloy. The finite element method is used to simulate the cutting process of 7055 aluminum alloy, and the change law of the main cutting force in the cutting process of t

11、he micro - texture tool in the 7055 aluminum alloy is studied. This paper mainly studies from the following aspects: First of all, micro textures were processed on the surface of pin specimens by laser marking machine. Friction and wear tests were carried out on frictional pairs consisting of p

12、in specimens without micro textures and 7055 aluminum alloy. It was found that microtexture had good effect of reducing wear. The friction and wear tests of the pin samples with different sizes of micro texture and 7055 aluminum alloy were selected to study the effect of the micro texture parameters

13、 on the wear reduction. Secondly, the two-dimensional simulation model of 7055 aluminum alloy was built by finite element software ABAQUS, and the cutting experiment of the alloy was carried out to verify the correctness of the model. The process of cutting 7055 aluminum alloy with micro textur

14、ed tool is simulated, and compared with the simulation of cutting 7055 aluminum alloy with no micro texture tool. The stress distribution, the change law of cutting force and the effect of equivalent plastic strain are analyzed. Finally, the change law of the cutting force on the size parameter

15、s of the micro texture is studied. Determining the variables by a single factor test Take the range of value, carry on the center compound test, get the prediction model of the micro texture parameters of the main cutting force, and use the response curve.The law of the change of the main cutting fo

16、rce with the micro texture parameters is analyzed by surface method. Keywords: Micro texture tool, 7055 aluminum alloy, finite element simulation, optimization design II 目 錄 摘 要 I ABSTRACT II 第1章 緒論 1 1.1研究背景及其意義 1 1.2表面微織構(gòu)技術(shù)概念 1 1.3表面微織構(gòu)加工方法 2 1.3.1 機械加工

17、2 1.3.2 化學處理 3 1.3.3 高能脈沖加工 3 1.4表面微織構(gòu)技術(shù)的應(yīng)用 3 1.5表面微織構(gòu)技術(shù)研究現(xiàn)狀 4 1.5.1 國外研究現(xiàn)狀 4 1.5.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 5 1.6本文主要研究內(nèi)容 5 第2章 微織構(gòu)試樣的制備與磨損實驗 6 2.1 試樣的選取 6 2.2 微織構(gòu)的設(shè)計和制備 6 2.3摩擦磨損試驗材料 7 2.4 實驗對比 8 2.5有無微織構(gòu)的對比實驗分析 9 第3章 基于ABAQUS的表面微織構(gòu)刀具切削7055鋁合金的仿真模型 10 3.1 模型的受力分析 10 3.2 切削過程有限元模型的構(gòu)建 11 3.2.1切削過程有限元

18、模型 11 3.2.2材料的本構(gòu)模型 12 3.2.3 摩擦模型的建立 13 3.2.4 仿真結(jié)果 14 3.3 微織構(gòu)刀具切削仿真結(jié)果與分析 15 3.3.1 刀具應(yīng)力分布比較 15 3.3.2 主切削力分析 16 3.3.3 工件塑性應(yīng)變分析 16 第4章 刀具表面微織構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計 18 4.1微織構(gòu)寬度對切削力的影響 18 4.2微織構(gòu)間距對切削力的影響 19 4.3 微織構(gòu)厚度對切削力的影響 19 第5章 結(jié)論與展望 21 5.1研究結(jié)論 21 5.2研究展望 21 參考文獻 22 致 謝 23 第1章 緒論

19、 1.1研究背景及其意義 加.工.制.造.業(yè).是.一.個.國.家.國.防.、.經(jīng).濟.的.重.要.支.柱.之.一.。.同.時.，.它.也.是.一.個.能.耗.較.大.的.行.業(yè).。.隨.著.科.技.的.發(fā).展.，.加.工.技.術(shù).特.別.是.作.為.機.械.工.業(yè).基.礎(chǔ).的.傳.統(tǒng).切.削.加.工.技.術(shù).得.到.了.長.足.的.進.步.。.現(xiàn).代.切.削.加.工.追.求.高.效.、.經(jīng).濟.的.加.工.方.式.來.滿.足.日.益.激.烈.的.市.場.競.爭.需.求.，.這.意.味.需.要.采.用.更.高.材.料.去.除.率.的.切.削.方.案.，.使.用.更.高.效.、.耐.用

20、.、.穩(wěn).定.的.切.削.刀.具.。.但.是.采.用.高.速.度.、.大.進.給.、.大.切.深.的.切.削.加.工.方.式.會.導(dǎo).致.更.大.的.切.削.力.，.更.高.的.切.削.溫.度.，.由.于.上.述.惡.劣.工.作.環(huán).境.，.切.削.刀.具.磨.損.消.耗.非.常.嚴.重.，.刀.具.壽.命.普.遍.較.短.。.為.了.降.低.切.削.刀.具.的.磨.損.消.耗.，.提.高.刀.具.的.壽.命.，.傳.統(tǒng).的.方.法.是.采.用.切.削.液.。.在.一.定.程.度.上.切.削.液.能.解.決.上.述.部.分.問.題.。.但.在.高.速.切.削.情.況.下.切.削.液.會.逐.漸

21、.喪.失.潤.滑.、.降.溫.作.用.。.同.時.，.隨.著.切.削.的.進.行.，.部.分.霧.化.的.切.削.液.會.損.害.產(chǎn).線.工.人.的.身.體.健.康.，.對.環(huán).境.也.有.一.定.的.污.染.。 將表面微織構(gòu)技術(shù)引入到干切削加工中，是近年來為實現(xiàn)干切削刀具減摩抗磨而出現(xiàn)的新途徑。表面微織構(gòu)具有捕捉磨屑、存儲潤滑劑以及易形成動壓潤滑和提高表面潤滑膜承載能力等作用。設(shè)計得當?shù)谋砻嫖⒖棙?gòu)能很好的改善摩擦表面的摩擦磨損性能。固體潤滑劑能在惡劣的摩擦環(huán)境下仍保持良好的潤滑作用，能減小切削狀態(tài)下刀具的摩擦磨損，而且其對產(chǎn)線工人健康和環(huán)境無影響，綠色清潔。對于干切削是一種很好的輔助潤滑手

22、段。通過各種方法在刀具表面加工出微織構(gòu)，并在微織構(gòu)中添加固體潤滑劑，表面微織構(gòu)與固體潤滑劑配合使用能更好的發(fā)揮兩者的優(yōu)點，降低切削摩擦，在干切削條件下實現(xiàn)刀具的自我潤滑，從而改善刀具的綜合切削性能，提高刀具使用的壽命。實現(xiàn)綠色、經(jīng)濟、高效的加工生產(chǎn)。因此研究微織構(gòu)自潤滑刀具對實現(xiàn)綠色加工制造有重大的推動意義。刀具材料微織構(gòu)表面的摩擦磨損特性的研究將為微織構(gòu)自潤滑刀具的設(shè)計制造提供參考。 1.2表面微織構(gòu)技術(shù)概念 表面微織構(gòu)(Micro-textured surface)技術(shù)就是利用特定加工技術(shù)在材料光滑表面加工出具有某種幾何特征的非光滑表面的一種表面處理技術(shù)。表面微織構(gòu)技術(shù)來源

23、于仿生學。為了適應(yīng)環(huán)境、生存繁衍，大自然中的許多生物體表形成了巧妙的微小結(jié)構(gòu)。在顯微鏡下觀察，大部分生物體表呈現(xiàn)出微凸起或微凹坑的顯微結(jié)構(gòu)。這些特征使得部分陸生植物具有很強的疏水性，如荷葉(圖1.1)、芭蕉葉等等。這些植物都具有優(yōu)異的自潔特性。 荷葉 荷葉表面顯微照片 圖1.1 荷葉體表顯微形貌 在水中同樣有表面微織構(gòu)的受益者，例如有著海中猛虎之稱的鱉魚。由于其體表的微小肋條結(jié)構(gòu)的存在，其在水里游動的過程中，受到水的阻力大為減少(圖1.2)。 鯊魚

24、 鯊魚體表顯微照片 圖1.2 體表顯微形貌 1.3表面微織構(gòu)加工方法 1.3.1 機械加工 機械加工方法包括:微切削加工、磨削加工、磨料射流加工、超聲加工、表面壓刻加工、表面劃刻加工。該方法是通過機械加工的手段去除加工表面材料或者使加工表面產(chǎn)生塑性變形，使表面形成按一定規(guī)律分布的凹陷或凸起特征。其特點是加工設(shè)備相對簡單、效率較高，但難以控制加工的表面微織構(gòu)的精度，且加工的微織構(gòu)尺寸較大。 1.3.2 化學處理 化學處理方法包括:LIGA加工 、光化學刻蝕 、反應(yīng)離子刻蝕 、化學涂層。此類方法主要利用加工表面特定區(qū)域的化學試

25、劑在一定的加工條件下發(fā)生化學或光/電化學反應(yīng)，去除或生成材料，在表面形成凹陷或凸起特征。這類方法一般需要將微織構(gòu)圖案加工在掩膜上，然后再將圖案轉(zhuǎn)移到加工表面。 1.3.3 高能脈沖加工 高能脈沖加工方法包括:電火花加工、激光加工聚焦離子束加工。其加工原理主要是依靠加工設(shè)備產(chǎn)生高能脈沖在加工表面產(chǎn)生瞬間高溫，使加工表面材料瞬間熔化、氣化，從而得到表面微織構(gòu)。該方法具有加工精度好、加工效率高、對材料要求不高等特點。且此方法在其加工表面的熱影響區(qū)內(nèi)形成超細晶組織，具有很高的硬度和很好的耐磨性能。這些特點使其逐漸成為在表面微織構(gòu)加工中應(yīng)用最為廣泛的方法。激光器產(chǎn)生的激光能量脈沖穩(wěn)定可調(diào)，且

26、能夠產(chǎn)生極短的脈沖。如飛秒激光(Femto-second lasers)設(shè)備能產(chǎn)生寬度只有幾個飛秒(1fs=10-15s)的瞬間高能脈沖。由其加工的織構(gòu)尺寸可達到納米級別。 激光加工因其易于實現(xiàn)計算機控制，效率/精度高，成本低等特點成為表面微織構(gòu)加工最常用的方法。且人們習慣性的將激光加工的表面微織構(gòu)稱為激光微織構(gòu)。 1.4表面微織構(gòu)技術(shù)的應(yīng)用 表面微織構(gòu)是在物體表面用特定的方法，如激光等加工出的特定的形貌研究比較多的微織構(gòu)形貌有:凹坑型、溝槽型、凸包型以及鱗片型等，如圖1.3所示，其中以凹坑型和溝槽型的研究最為廣泛。 凸包型

27、 凹坑型 鱗片型 溝槽型 圖1.3表面微織構(gòu)形貌 1.5表面微織構(gòu)技術(shù)研究現(xiàn)狀 1.5.1 國外研究現(xiàn)狀 日本大阪大學的Tatsuya Sugihara和Toshiyuki Enomoto X22-a3]等人在鋁合金的銑削加工過程中，利用激光加工技術(shù)在銑刀表面加工出微織構(gòu)，以解決粘刀嚴重的問題。研 究發(fā)現(xiàn)，微織構(gòu)在切削過程中有存儲切削液的功能，表面摩擦特性得到改善，刀屑間粘結(jié)磨損情況降低。 美國的Shuting Lei等人在刀具前刀面加工出的凹坑

28、微織構(gòu)里添加潤滑劑，形成自潤滑刀具，通過有限元仿真技術(shù)分析了自潤滑刀具切削低碳鋼時的切削性能。結(jié)果表明，利用自潤滑刀具降低了30%左右的刀屑實際接觸長度以及10-30%的切削力，并且切削液和固體潤滑劑都可以有效降低刀屑界面的摩擦系數(shù)和刀屑實際接觸長度。 加拿大的Koshy P等人在刀具表面加工出微織構(gòu)，微織構(gòu)可以儲存切削液并且促進切削過程中切削液的滲入，試驗結(jié)果表明，微織構(gòu)的引入降低了切削力，改善了刀屑間的摩擦狀態(tài)。 德國的Johannes Kumme等人在硬質(zhì)合金刀具前刀面上加工凹坑型和溝槽型的微織構(gòu)，對45號鋼進行干切削試驗。結(jié)果表明，干切削時凹坑型微織構(gòu)比無微織構(gòu)的刀

29、具有更好的耐磨性。 1.5.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 近幾年來，國內(nèi)一些學者對微織構(gòu)刀具進行了研究。南京航空航天大學的戚寶運等人進行了欽合金的切削試驗，研究了微織構(gòu)刀具在不同潤滑條件下的切削性能，結(jié)果表明，在干切削、微量潤滑以及低溫微量潤滑的條件下，溝槽型微織構(gòu)均能有效的降低刀具后刀面磨損。同時，微織構(gòu)刀具可以降低刀具粘結(jié)磨損，增大刀屑接觸面積，從而降低切削溫度。王亮、王震等人分別研究了溝槽型微織構(gòu)和凹坑型微織構(gòu)的減磨效果。 山東大學的鄧建新教授等首先設(shè)計出來微織構(gòu)自潤滑刀具，對其減磨潤滑機理進行了深入研究。在微織構(gòu)中添加固體潤滑劑，切削時會在刀具表面形成潤滑膜，實現(xiàn)自潤滑，

30、結(jié)果表明，自潤滑刀具可以降低前刀面的摩擦系數(shù)，切削力和切削溫度。之后對不同形狀不同尺寸大小的微織構(gòu)進行了更深入研究。 孫華亮等人研究了表面微織構(gòu)對TiAlN涂層刀具的切削性能影響，結(jié)果表明，微織構(gòu)刀具能有效減小切削區(qū)溫度，改善切削溫度的分布情況。 合肥工業(yè)大學的謝峰教授在硬質(zhì)合金刀具上加工出微織構(gòu)進行切削試驗，結(jié)果表明，微織構(gòu)刀具可以減小切削力，改善刀屑間的摩擦狀況，并且發(fā)現(xiàn)與切屑流出方向垂直的溝槽型微織構(gòu)減磨效果最好。張俊生在硬質(zhì)合金刀具上加工出凹坑型微織構(gòu)，研究了不同凹坑參數(shù)對刀屑接觸區(qū)摩擦的影響，同時發(fā)現(xiàn)，刀具微織構(gòu)能有效減小擴散磨損。 1.6本文主要研究內(nèi)容

31、 （1）研究不同刀具表面微織構(gòu)對切削力及切削溫度的影響。 （2）研究切削參數(shù)對切削力切削溫度的影響。 （3）對刀具表面微織構(gòu)進行優(yōu)化。 第2章 微織構(gòu)試樣的制備與磨損實驗 2.1 試樣的選取 隨著加工工業(yè)的發(fā)展，刀具材料朝著高精度、高速切削，干式切削和降低成本等方向發(fā)展。硬質(zhì)合金具有硬度高、化學穩(wěn)定性好、耐磨性好等優(yōu)點，應(yīng)用非常廣泛因此，本次摩擦磨損試驗的銷試樣采用硬質(zhì)合金YG8，其化學成分是92%的碳化鎢和8%的鉆。圖2.1是銷試樣的幾何參數(shù)及實物圖，工作面的粗糙度Ra為0.8微米，其材料屬性如表2-1所示。 表2-1銷試樣材料屬性 材

32、料 楊氏模量GPa 比熱J/kg.oC 線膨脹率m/m.oC 導(dǎo)熱率W(m*oC) 密度g/cm3 YG8 640 220 4.5*10-6 75.4 14.5 銷試樣尺寸參數(shù) 實物圖 圖2.1銷試樣 2.2 微織構(gòu)的設(shè)計和制備 本次試驗是利用激光打標機在銷試樣的工作面加工出溝槽型的微織構(gòu)。為了研究溝槽型微織構(gòu)對銷試樣減磨性能的影響，探究微織構(gòu)尺寸參數(shù)，包括溝槽寬度、溝槽深度、溝槽間距對織構(gòu)表面摩擦系數(shù)影響規(guī)律，試驗中設(shè)計溝槽的尺寸參數(shù)如表2.3所示，溝槽型微織構(gòu)的示意圖如圖2.2

33、所示。 圖2.2微織構(gòu)示意圖 表2-2溝槽型微織構(gòu)的尺寸參數(shù) 2.3摩擦磨損試驗材料 試驗采用材料為硬質(zhì)合金YG8的銷試樣，盤試樣材料為7055鋁合金其化學成分如表2-3所示，力學性能與熱性能如表2-4、2-5所示，尺寸參數(shù)如圖2.3所示。 表2-3 7055鋁合金的化學成分 合金牌號 化學成分/wt% Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Zr 7055 表2-4 7055鋁合金的力學性能 密度 屈服強度 抗拉強度 剪切強度 楊氏模量 泊松比 4.5g/cm3 8

34、60MPa 920MPa 760MPa 108GPa 0.33 表2-5 7055鋁合金的熱學性能 線膨脹率m/m*℃ 比熱 J/kg*℃ 熱導(dǎo)率W/(m*℃) 熔點℃ 20℃ 250℃ 500℃ 20℃ 250℃ 500℃ 9.110-6 9.210-6 9.710-6 526.3 7.5 8.7 11.8 1530-1650 圖2.3盤試樣尺寸參數(shù) 2.4 實驗對比 為研究微織構(gòu)對材料表面性能改善的作用，在硬質(zhì)合金的銷試樣上加工出溝槽型微 織構(gòu)，試驗采用微量潤滑的方法。首先對有無微織構(gòu)的銷試樣進行對

35、比試驗，研究微織 構(gòu)是否有減磨性能。試驗參數(shù)如表2-6所示。 表2-6對比試驗參數(shù) 其次，為了探究溝槽寬度、間距、深度的不同尺寸參數(shù)對微織構(gòu)減磨性能的影響， 在其他試驗條件不變的情況下，改變微織構(gòu)的尺寸參數(shù)，考察微織構(gòu)寬度、間距及深度 對對摩擦性能的影響，進行了三因素三水平正交試驗，試驗安排如表2-7所示。 表2-7 正交試驗安排 2.5有無微織構(gòu)的對比實驗分析 摩擦磨損實驗過程中，采集的數(shù)據(jù)每隔lOs輸出一次，得出摩擦系數(shù)與時間的關(guān)系，如圖2.4所示。根據(jù)各組實驗得到的摩擦系數(shù)與時間關(guān)系圖以及實驗所得的數(shù)據(jù)，選取每組數(shù)據(jù)穩(wěn)定階段

36、的摩擦系數(shù)求平均值作為實驗結(jié)果。圖2.4(a)為無微織構(gòu)銷試樣摩擦磨損實驗關(guān)系圖，摩擦系數(shù)是0.42, (b)為有微織構(gòu)銷試樣摩擦磨損實驗關(guān)系圖，摩擦系數(shù)為0.34。由圖2.4可以看出溝槽型微織構(gòu)在相同的實驗條件下確實可以達到減小摩擦系數(shù)效果，摩擦系數(shù)降低約19%。 （a）無微織構(gòu) (b)有微織構(gòu) 圖2.4摩擦系數(shù)與時間曲線圖 第3章 基于ABAQUS的表面微織構(gòu)刀具切削7055鋁合金的仿真模型 科學技術(shù)的發(fā)展，提高了有限元仿真對復(fù)雜問題建模的可靠性和準確性，促進了計算機

37、仿真技術(shù)在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，利用仿真模型可以一定程度上代替物理試驗進行研究，并且可以得到物理試驗中很難獲得的試驗參數(shù)。本章節(jié)利用ABAQUS有限元軟件對硬質(zhì)合金切削欽合金的過程進行了模擬，并對仿真結(jié)果進行了分析。 3.1 模型的受力分析 在切屑形成時，刀具對工件材料有一個力的作用，切削層金屬發(fā)生形變，而作用在工件材料和刀具之間的力稱之為切削力。在實際生產(chǎn)時，切削力的存在會加劇刀具破損，減低工件的加工質(zhì)量，生產(chǎn)效率也會降低。對切削力的研究是十分必要的，首先要了解切削力的來源。 ①工件切削層、切屑和工件表面發(fā)生彈性變形和塑性變形產(chǎn)生的抗力; ②刀具前刀面與切屑、后刀面與工件表

38、面間的摩擦阻力。 如圖3.1所示，研究過程中，為方便計算和分析，可將車削外圓的切削力分解為主切削力、切深抗力和進給力。 圖3.1 切削力的分力與合力 3.2 切削過程有限元模型的構(gòu)建 3.2.1切削過程有限元模型 (1)幾何模型 在進行金屬切削過程的數(shù)值仿真模擬時，一般情況下把實際切削過程簡化為二維切削過程，這是因為切削寬度比較大時，會呈現(xiàn)平面應(yīng)變的特征，此時可把三維切削過程轉(zhuǎn)化為二維切削過程。因此本文建立了硬質(zhì)合金刀具和鋁合金工件的二維直角切削模型，其中工件材料為7055鋁合金，刀具材料是硬質(zhì)合金YG8，工件幾何尺寸1.5mmX0.8mm，刀具前角為5

39、o，后角為7o。圖3.2所示為二維直角切削的幾何模型。 （2）邊界條件 模型的邊界條件的設(shè)置能夠讓模型按照要求運動，本文中在刀具切削鋁合金時，設(shè)置工件各個方向的自由度使其固定不動，給刀具向右的一個速度，刀具沿直線運動進行工件的切削。在在鋁合金切削過程中，考慮實際環(huán)境條件，設(shè)定工件與刀具的初始溫度均為25攝氏度。 （3）網(wǎng)格劃分 網(wǎng)格劃分時首先對工件和刀具進行撒種子，在切削區(qū)附近和刀尖部分撒種子較密，工件底部相對稀疏。欽合金工件采用四節(jié)點四邊形雙線性平面應(yīng)力單元，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分技術(shù)。刀具網(wǎng)格劃分采用三節(jié)點平面應(yīng)變熱力耦合單元，自由劃分網(wǎng)格。為了節(jié)省運算時

40、間，在工件切削區(qū)附近的網(wǎng)格劃分較密，而遠離切削區(qū)的網(wǎng)格劃分的相對較少。 圖3.2 二維正交切削的幾何模型 3.2.2材料的本構(gòu)模型 在實際切削過程中，由于大應(yīng)變和高應(yīng)變率，工件內(nèi)部會發(fā)生彈塑性流動，因此模擬分析的關(guān)鍵是合理的材料模型的建立。 Johnson-Cook模型將材料的應(yīng)變硬化效應(yīng)、應(yīng)變率強化效應(yīng)和溫度軟化效應(yīng)3部分有機地關(guān)聯(lián)在一起，其數(shù)學表達式如(3-1)所示。 式中，A一一屈服應(yīng)力強度 B一一應(yīng)變強化系數(shù) n一一應(yīng)變強化指數(shù) C一一應(yīng)變率強化參數(shù) m一一溫度應(yīng)變率靈敏度 A、B、n、C、m 均為由

41、材料自身決定的常數(shù)，通過試驗可以測得。此外為流動應(yīng)力，為參考應(yīng)變率，Tm為熔點溫度，Tr為參考溫度。 公式(3-1)右邊第一部分為流動應(yīng)力受應(yīng)變大小的影響，第二部分為應(yīng)變速率對流動應(yīng)力的作用，第三部分表示溫度對流動應(yīng)力的影響。材料參數(shù)通過試驗測得，本文所用工件材料為鋁合金7055，其Johnson-Cook模型的5個模型參數(shù)如表3-1所示。 表3-1 7055鋁合金的Johnson-Cook模型參數(shù) A(MPa) B(MPa) n c m 860 683 0.47 0.035 1.0 3.2.3 摩擦模型的建立 切削過程中刀一屑之間以及刀具與工件上表

42、面之間都產(chǎn)生存在摩擦，工件的表面質(zhì)量，刀具的強度和耐用度都受到影響。因此要建立正確的摩擦關(guān)系是仿真成功的重要因素之一。刀具前刀面與切屑的接觸存在兩種摩擦模型，靠近刀尖的粘結(jié)區(qū)和距離刀尖較遠的 滑動區(qū)，如圖3.3所示。粘結(jié)區(qū)刀具與切屑擠壓，產(chǎn)生高溫且不容易散出，使切屑處于 流動的塑性狀態(tài)，容易粘結(jié)在刀具上，這一區(qū)域?qū)儆趦?nèi)摩擦?；瑒訁^(qū)距離刀尖較遠，散 熱速度較快，切削溫度與切削應(yīng)力相對較低，此時刀屑間屬于滑動摩擦。 圖3.3 摩擦類型及分布 在模擬金屬切削過程修正的庫倫摩擦定律最為常用，可表示為: （3-2） 式中，一一臨界剪應(yīng)力

43、 一一工件材料的最大剪切應(yīng)力 一一摩擦系數(shù) 一一接觸面正應(yīng)力 3.2.4 仿真結(jié)果 仿真所用模擬切削條件為切削速度49m/min，進給量0.15mm/r，仿真結(jié)果的應(yīng)力分布及主切削力如圖3.4、圖3.5所示。其中圖3.4為工件應(yīng)力分布圖，圖中可以看出第一變形區(qū)的等效應(yīng)力最大，切屑為鋸齒狀，符合實際切削加工中的規(guī)律。圖3.5是刀具主切削力隨時間變化的曲線，可分為兩個階段，第一階段刀具接觸工件并進行切削，主切削力快速上升，第二階段進入穩(wěn)定切削，主切削力較為穩(wěn)定，截取第二階段穩(wěn)定部分即可求出切削力的值。 圖3.4 工件應(yīng)力分布云圖

44、 圖3.5 刀具主切削力隨時間變化的曲線 3.3 微織構(gòu)刀具切削仿真結(jié)果與分析 本文以溝槽型微織構(gòu)為研究對象，在刀具上添加垂直于切屑刃的溝槽型微織構(gòu)進行 切削模擬仿真，對比分析微織構(gòu)刀具與無微織構(gòu)刀具切削鋁合金的仿真結(jié)果。微織構(gòu)尺 寸及切削條件見表3-2所示。 表3-2微織構(gòu)尺寸及切削條件 微織構(gòu)間距 微織構(gòu)寬度 微織構(gòu)厚度 切削速度 進給量 刀具前角 刀具后角 80um 30um 20um 820mm/s 0.15mm/r 5o 7o 3.3.1 刀具應(yīng)力分布比較 圖3.6 、圖3.7為無微織構(gòu)刀具與有微織構(gòu)刀具在切削過程中

45、的等效應(yīng)力分布云圖。 圖3.6 無微織構(gòu)刀具的等效應(yīng)力分布圖 圖3.7 有微織構(gòu)刀具的等效應(yīng)力分布圖 圖3.6中可以看出無微織構(gòu)刀具在前刀面和后刀面有明顯的應(yīng)力集中帶，大約為1.5GPa-2.5GPa，然后向刀具后部依次減小。圖3.7可以看出，微織構(gòu)刀具后刀面應(yīng)力集中帶明顯變小，刀尖所受應(yīng)力較無微織構(gòu)刀具小，且刀具整體的應(yīng)力分布比較均勻，變化梯度小。但是微織構(gòu)刀具的前刀面在溝槽內(nèi)部及周圍存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，使刀具容易產(chǎn)生裂紋。通過有無微織構(gòu)刀具的等效應(yīng)力分布圖可以發(fā)現(xiàn)，無微織構(gòu)刀具的前刀面和后刀面 都有明顯的應(yīng)力集中帶，使刀具更容易破損，加劇了刀具的磨損。而微

46、織構(gòu)可以改善刀具應(yīng)力分布，使刀具整體應(yīng)力分布比較均勻，沒有明顯的應(yīng)力集中，但是由于微織構(gòu)的存在降低了刀屑接觸面積。 3.3.2 主切削力分析 切削力是切削加工中的重要參數(shù)，切削力的大小和變化對刀具的磨損、刀具壽命、工件加工質(zhì)量等都有重要的影響，二維切削中，主切削力是與刀具運動方向相反的力。圖3.8中為無微織構(gòu)及有微織構(gòu)的主切削力，微織構(gòu)刀具穩(wěn)態(tài)切削時比無微織構(gòu)的減小12%左右。說明帶有微織構(gòu)的刀具確實可以使切削力下降，主要原因是微織構(gòu)的存在減少了刀屑接觸面積以及切削過程中前刀面與切屑之間的摩擦磨損。 圖3.8 有無微織構(gòu)刀具的主切削力 3.3.3 工件塑性應(yīng)變分析

47、 切削過程材料發(fā)生大應(yīng)變，高應(yīng)變率，并且由于欽合金的導(dǎo)熱系數(shù)小，在鋁合金的切削加工過程中前刀面與切屑之間的熱量無法及時散出，使得欽合金容易發(fā)生絕熱剪切現(xiàn)象，形成鋸齒狀切屑。鋸齒狀切屑可導(dǎo)致切削力不穩(wěn)定，發(fā)生周期性波動，加劇刀具磨損，不利于形成良好的工件質(zhì)量。在ABAQUS切削仿真中，等效塑性應(yīng)變描述整個變形過程中塑性應(yīng)變的積累結(jié)果，等效塑性應(yīng)變越大，則切屑鋸齒化程度越嚴重。圖3.9所示為無微織構(gòu)的刀具與微織構(gòu)刀具切削鋁合金時的等效塑性應(yīng)變，微織構(gòu)刀具切削時工件的等效塑性應(yīng)變減少12.5%左右，切屑鋸齒化程度減輕。 (a)普通刀具 (b)溝槽型微

48、織構(gòu)刀具 圖3.9 普通刀具與有微織構(gòu)刀具等效塑性應(yīng)變 第4章 刀具表面微織構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計 本文以溝槽型微織構(gòu)的幾何參數(shù)包括溝槽寬度、間距和深度為試驗的三個因素，為了得到各個因素分別對切削力的影響情況，對三個因素分別進行了單因素的切削仿真試。 4.1微織構(gòu)寬度對切削力的影響 以微織構(gòu)的寬度為變量，按照表4-1的微織構(gòu)尺寸參數(shù)進行欽合金的切削仿真試驗，得出5種不同溝槽寬度的微織構(gòu)刀具切削7055鋁合金主切削力的變化趨勢，如圖4.1所示。 表4-1微織構(gòu)尺寸參數(shù) 溝槽寬度(um) 溝槽間距(um)

49、溝槽厚度(um) 主切削力(N) 10 80 20 270.90 20 80 20 265.54 30 80 20 264.21 40 80 20 270.09 50 80 20 266.23 圖4.1 不同溝槽寬度對主切削力的影響 由圖4.1可以看出，當微織構(gòu)間距為80um，深度為20um不變，微織構(gòu)的寬度由10um增大到50um時，主切削力先減小后增大，微織構(gòu)寬度為40um和10um時主切削力都比較大。 4.2微織構(gòu)間距對切削力的影響 以微織構(gòu)的間距為變量，按照表4-2的微織構(gòu)尺寸參數(shù)進行欽合金的切削仿真試驗,得出5種不同溝

50、槽間距的微織構(gòu)刀具切削鋁合金主切削力的變化趨勢，如圖4.2所示。 表4-2結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù) 溝槽寬度(um) 溝槽間距(um) 溝槽厚度(um) 主切削力(N) 30 40 20 274.09 30 60 20 270.27 30 80 20 264.21 30 100 20 265.51 30 120 20 268.77 圖4.2 不同溝槽間距對主切削力的影響 由圖4.2可以看出，當微織構(gòu)寬度為30um，深度為20um不變，微織構(gòu)間距在試驗范圍內(nèi)，間距為40um時主切削力最大，此時由于微織構(gòu)占有面積過大，降低了材料的強度，材料

51、抗磨能力降低，切削力變大。 4.3 微織構(gòu)厚度對切削力的影響 以微織構(gòu)的深度為變量，按照表4-3的微織構(gòu)尺寸參數(shù)進行欽合金的切削仿真試驗， 得出5種不同溝槽深度的微織構(gòu)刀具切削欽合金主切削力的變化趨勢，如圖4.3所示。 表4-3結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù) 溝槽寬度(um) 溝槽間距(um) 溝槽厚度(um) 主切削力(N) 30 100 10 271.09 30 100 20 264.27 30 100 30 268.21 30 100 40 267.51 30 100 50 268.12 圖4.3 不同溝槽深度對主切削力的影響

52、 由圖4.3可以看出，當微織構(gòu)寬度為30um，間距為80um不變，微織構(gòu)深度在10um 到50um變化范圍內(nèi)，微織構(gòu)深度為20um時主切削力最小。由以上分析可以得出各因素最優(yōu)合理的數(shù)據(jù)范圍，微織構(gòu)寬度試驗范圍為20um~50um，間距試驗范圍為60um~120um，深度試驗范圍為10um~40um。 第5章 結(jié)論與展望 5.1研究結(jié)論 本文利用有限元軟件ABAQUS建立了鋁合金切削過程的二維仿真模型，對微織構(gòu)刀具切削7055鋁合金的過程進行了分析，并研究了微織構(gòu)尺寸參數(shù)的變化對主切削力的影響。經(jīng)過試驗及仿真結(jié)果的分

53、析得到以下結(jié)論: （1）通過無微織構(gòu)與有微織構(gòu)的銷試樣與鋁合金進行銷盤摩擦磨損試驗，得出微織構(gòu)可以有效減小摩擦系數(shù)；對不同微織構(gòu)尺寸參數(shù)的銷試樣進行了摩擦磨損試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)微織構(gòu)尺寸參數(shù)的改變會引起摩擦系數(shù)的改變，應(yīng)合理選擇微織構(gòu)參數(shù)。 （2）建立了鋁合金切削過程的二維仿真模型，為驗證模型的正確性，進行了鋁合金切削實驗，把實驗結(jié)果與仿真結(jié)果的主切削力進行了對比。通過對無微織構(gòu)與有微織構(gòu)的仿真過程進行對比分析，發(fā)現(xiàn)在鋁合金切削過程中，微織構(gòu)的存在可以改善刀具應(yīng)力的分布，降低切削力，并且對切削完成后切屑的變形程度進行了研究，發(fā)現(xiàn)微織構(gòu)可以減少塑性應(yīng)變。 （3）通過單因

54、素試驗確定了各變量的取值范圍，并分析了微織構(gòu)尺寸參數(shù)的變化對主切削力的影響。 5.2研究展望 本文通過硬質(zhì)合金與鋁合金組成的摩擦副進行了摩擦磨損試驗，研究了微織構(gòu)的減磨作用，并利用有限元軟件對微織構(gòu)刀具切削鋁合金的過程進行了仿真模擬，研究了微織構(gòu)刀具對切削過程的影響，取得了一定的研究成果，但是由于研究條件和自身水平的局限性，對于微織構(gòu)在刀具方面的研究還需要進一步深入。 （1）本文建立了鋁合金切削的二維仿真模型，有一定的局限性，微織構(gòu)的形貌不能完整體現(xiàn)在仿真模型中，進一步建立三維切削模型，能更全面的研究微織構(gòu)刀具對鋁合金切削的影響。 （2）文中選用了溝

55、槽型一種微織構(gòu)進行研究，對于織構(gòu)的尺寸參數(shù)，本文只加工出微米級的織構(gòu)，在以后研究中應(yīng)更注重尺寸更小的納米織構(gòu)在刀具上的應(yīng)用。 參考文獻 [1] 艾興.高速切削加工技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社, 2003. [2] 劉戰(zhàn)強,萬熠,周軍.高速切削刀具材料及其應(yīng)用.機械工程材料, 2006, 30(5): 1~4. [3] Gringel H M. Machine Tool Design Requirements for High-Speed Machining. CIRP Annals - Manufacturing Technology, 2006, 45(1): 389~392

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59、.合肥工業(yè)大學碩士學位論文.2015. [16]張克棟，鄧建新，姜超，等.微納織構(gòu)涂層刀具研究進展[J].航空制造技術(shù)，2015,6:38-42. [17]于啟勛，張京英.刀具涂層技術(shù)的進展和應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，2007,7:1-4. [18]李力，栗道成，胡濤，等.硬質(zhì)合金刀具新技術(shù)研究進展[J].中國鎢業(yè)，2010,25(1):45-49. [19]陳獻廷.硬質(zhì)合金使用手冊北京冶金工業(yè)出版社1986. [20]趙騰倫.ABAQUS在機械工程中的應(yīng)用[M].北京:中國水利水電出版社，2007:67-68. 致 謝 光陰似箭；

60、歲月如梭！在青島黃海學院大學四年的本科學海生涯即將結(jié)束。在畢業(yè)論文即將完成之際，我在此謹向教導(dǎo)、幫助和支持我的老師、同學、朋友和家人表達衷心的感激之情！ 有幸?guī)煆膹埥淌?，他開放型的學術(shù)思想、提倡學科交叉，勇于創(chuàng)新的開拓精神、嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、淵博精深的學術(shù)水平、時刻捕捉學術(shù)前沿的治學方式對我的學習態(tài)度和工作習慣產(chǎn)生了重要的影響，傾聽每周的圓桌會議上的科研探討也會在今后的人生道路上終生獲益。從選題、研究方向確定直到論文定稿，每一個細節(jié)他都投入了極大的精力，和智慧；他不僅不辭辛勞地給我答疑解惑，而且教給我做學術(shù)研究應(yīng)該具有的品質(zhì)、態(tài)度和方法；他不僅在研究細節(jié)上提供了指導(dǎo)，而且在生活上給予了

61、無微不至的關(guān)懷。作為我的良師益友，只有更好的工作，努力使自己成才，才能表達我對他的由衷感激之情！在此，對肖老師的悉心培養(yǎng)表達真誠的謝意！還需要特別指出的是感謝張老師在我學習期間給予的關(guān)心和支持，使我受益良多。感謝趙師兄在我的整個畢業(yè)論文寫作過程中給予的極大的幫助，給我提供不少學習上的便利。 在機電工程學院學習機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)已近四年，感謝這一個讓我成長的大環(huán)境，有了她，才能給我一個良好的硬件平臺和軟件環(huán)境，才能使我有機會和如此多處于春秋鼎盛滿帶理想的同學朝夕相處、共享芳華；才能讓我馳騁縱橫、展翅高飛！感謝每一位老師的授業(yè)解惑，在學習的過程中從每一位相關(guān)老師獲得了許多專業(yè)知識，這里表示由衷的感激！感謝，不僅是在學術(shù)上極力給我創(chuàng)造了良好的條件，更重要的是在生活上、思想上的精神層面給予我莫大的關(guān)懷、鼓勵和支持。感謝我四年的同窗室友，為了理想我們同甘共苦，努力奮斗。因為有你們，我永不孤獨，我的大學生活更加豐富多彩，人生充滿正能量，活的有意義。 曲折前行，不忘初心！最后，感謝愛我和我愛的父母及家人多年來默默無私的支持，讓我走到今天。感謝多年來在曲折求學之路上曾經(jīng)鼎力幫助我的老師、同學和朋友，您們永遠是我前進道路上最大的原動力。 23