分层切削加工有限元仿真分析

下面是小编帮大家整理的分层切削加工有限元仿真分析，本文共5篇，希望对大家的学习与工作有所帮助。本文原稿由网友“忆卿辞九门”提供。

篇1：分层切削加工有限元仿真分析

分层切削加工有限元仿真分析

采用有限元分析方法,利用有限元增量理论,建立了二维金属切削仿真模型,分析中采用网格自适应准则,模拟了金属分层切削加工过程.得到了每次切削加工的.切削力、工件变形和加工后已加工表面的残余应力的大小以及分布状况,并进行了分析.

作 者：董兆伟 张以都 刘胜永 万晓航  作者单位：董兆伟,张以都(北京航空航天大学机械工程及自动化学院)

刘胜永(河北师范大学职业技术学院)

万晓航(河北工业职业技术学院)

刊 名：航空制造技术  ISTIC英文刊名：AERONAUTICAL MANUFACTURING TECHNOLOGY 年，卷(期)： “”(7) 分类号：V2 关键词：有限元   网格重划分   切削力   残余应力  

篇2：高速切削加工技术的应用分析

高速切削技术,是以比常规高10倍左右对零件进行切削加工的一项先进制造技术，实践证明,当切削速度提高10 倍,进给速度提高20倍,远远超越传统的切削“禁区”后,切削机理发生了根本的变化。其结果是:单位功率的金属切除率提高了30%-40%,切削力降低了 30%,刀具的切削寿命提高了70%,留于工件的切削热大幅度降低,切削振动几乎消失;切削加工发生了本质性的飞跃。在常规切削加工中备受困惑的一系列问题亦得到了解决,真可谓是集高效、优质、低耗于一身的先进制造技术,是切削加工新的里程碑。

1 高速切削将成为切削加工的新工艺

以高速切削为代表的硬切削、干切削等新型切削工艺已经显示出很多的优点和强大的生命力,这是制造技术为提高加工效率和质量、降低成本、缩短开发周期对切削加工提出的要求。因此,发展高速切削等新型切削工艺,促进制造技术的发展是现代切削技术发展最显著的特点。当代的高速切削不只是切削速度的提高,而是需要在制造技术全面进步和进一步创新上(包括数控机床、刀具材料、涂层、刀具结构等技术的重大进步),达到切削速度和进给速度的成倍提高,并带动传统切削工艺的变革和创新,使制造业整体切削加工效率有显著的提高。硬切削是高速切削技术的一个应用领域,即用单刃或多刃刀具加工淬硬零件,它与传统的磨削加工相比,具有效率高、柔性好、工艺简单、投资少等优点,已在一些应用领域产生较好的效果。在汽车行业,用高速切削技术加工20CrMo5淬硬齿轮 (60RHC)内孔,代替磨削,已成为国内外汽车行业推广的新工艺。在模具行业用高速切削技术高速精铣淬硬钢模具,采取小的走刀步距,中间不接刀,完成型面的精加工,大大减少了抛光的工作量,显著缩短了模具的开发周期,已成为模具制造业的一项新工艺。在机床行业用CBN旋风铣精加工滚珠丝杠代替螺纹磨削, 用硬质合金滚刀加工淬硬齿轮等都显现出很强的生命力。

高速切削派生的另一项新工艺是干切削。切削加工中的切削液对环境的污染、对操作者健康的伤害,成为当前治理的重点,但是对切削液所造成危害的治理增加了制造的成本,导致干切削新技术的开发,并出现了微量润滑切削、冷风切削等准干切削新工艺。当前倡导的干切削并不是简单地把原有工艺中的切削液去掉,降低切削效率,而是进行传统切削工艺的重大变革,为新世纪提供一种清洁、安全、高效的新工艺,这是对切削技术包括刀具材料、涂层、结构的全面挑战。而节省刀具材料的贵重金属资源消耗,开发刀具重磨、回收等新技术也成为切削加工对人类文明和社会进步应尽的责任。

2 加快关键技术的开发应用

2.1 涂层成为提高刀具性能的关键技术

刀具的涂层技术在现代切削加工和刀具的发展中起着十分重要的作用,自从问世以来发展非常迅速,尤其是近几年取得了重大的进展。化学涂层(CVD)仍然是可转位刀片的主要涂层工艺,开发了中温CVD、厚膜三氧化二铝、过渡层等新工艺,在基体材料改善的基础上,使CVD涂层的耐磨性和韧性都得到提高;CVD金刚石涂层也取得了进展,提高了涂层表面光洁度,进入了实用的阶段。目前,国外硬质合金可转位刀片的涂层比例已达70%以上。在此期间,物理涂层(PVD)的进展尤为引人注目,在炉子结构、工艺过程、自动控制等方面都取得了重大进展,不仅开发了适应高速切削、干切削、硬切削的耐热性更好的涂层, 如超级TiAlN,及综合性能更好的TiAlCN 通用涂层和DLC、W/C减摩涂层,而且通过对涂层结构的创新,开发了纳米、多层结构,大幅度提高了涂层硬度和韧性。

PVD涂层技术的新进展,向我们展示了涂层技术对提高刀具性能的巨大潜力和独特的优势:可以通过对涂层工艺参数控制和靶材、反应气体的调整不断开发出新的涂层,以满足加工多样性的需要,是提高和改善刀具性能一项又快又好的技术,有着十分广阔的应用前景。

2.2 刀具结构的创新改变了传统标准刀具千篇 一律的面貌和单一的功能

随着制造业的高速发展,汽车工业、航空航天工业以及模具行业等重点产业部门对切削加工不断提出更高的要求,推动着可转位刀具持续的发展。为汽车工业流水线开发的专用的成套的刀具,突破了传统按需供刀、“闭门造刀”的做法,而成为革新加工工艺、提高加工效率、节省投资的重要工艺因素,发挥新的作用。

为满足航空航天工业高效加工大型铝合金构件的需要,开发了结构新颖的铝合金高速加工面铣刀等刀具。

模具工业的特点是高效、单件、小批生产、模具材料的硬度高加工难度大、形状复杂、金属切除量大、交货周期短,成为推动可转位刀具结构创新的强大动力, 如多功能面铣刀、各种球头铣刀、模块式立铣刀系统、插铣刀、大进给铣刀等等。回顾上世纪90年代以来切削加工的发展,模具工业还是今天高速切削、硬切削、干切削新工艺的发源地。

与此同时,也出现了各种可转位刀片的新结构,如形状复杂的带前角的铣刀刀片、球头立铣刀刀片、防甩飞的高速铣刀刀片等等，

2.3 快速发展的配套技术

切削加工的配套技术是随着切削加工技术的进步而逐渐发展起来的,是现代切削技术不可缺少的组成部分,并与切削技术和刀具保持着快速同步的发展,包括刀柄与机床主轴之间的连接方式、刀具在刀柄里的夹紧方式、刀具系统平衡及刀具管理。

双面接触的空心短锥刀柄(HSK)机床-刀具接口,由于可实现法兰端面和锥柄的同时接触,具有连接刚性好、定位精度高、且装卸时间短等优点,随着高速切削技术的推广,得到了越来越广泛的应用。这种刀柄的结构形式现已成为正式的国际标准,并且也已被众多的机床工具厂商所接受,纷纷推出带HSK主轴接口的高速加工中心和带HSK刀柄的工具系统或整体刀具,显示出这种新型刀柄的强大生命力和很好的使用前景。与此同时,一些公司还开发了与HSK类似的刀柄结构,如Sandvik公司的Capto刀柄,Kennametal公司的KM刀柄。近年来,还出现了双面接触甚至三处接触的7:24接口,以适应现有机床用于高速切削加工的需要。

在高速切削时,刀具的转速在10000~0r/min以上甚至更高,此时,刀体、刀片、及刀片的夹紧零件受到很大离心力的作用,当转速达到某一临界值时,足以使刀片甩出,或者夹紧螺钉断裂、甚至整个刀体破裂。一旦出现这些情况会造成设备或人身伤害事故,因此是应用高速切削技术必须加以防范的事情。为此,德国制定了高速旋转刀具的安全规范,对刀具的设计、检测、使用、平衡质量都作了严格的规定,这项规范已先后成为欧洲标准和国际标准。

3 机床技术

3.1 驱动和传动技术

高速切削机床的直线进给有:电机伺服系统和直线电机驱动系统两种。电机伺服直线进给系统通常由变频调速电机、机械传动环节、滚动导轨滑台和位置调节测量装置组成。它的几何定位精度可以达到5―1 0μm,运动的均匀性误差小于1μm,进给速度Vfj≥40―50m/min,(j=x、y、z),加速能力αj≥5―10m/s2,其他性能指标还有动态轨迹精度,机械传动件的动力学特性和热特性。

直线电机驱动的系统由原始级部件、滑台和位置测量装置构成,也是零传动。它的Vfj≥120 m/min,αj≥25m/s2,动态轨迹精度也高得多。

目前,高速切削机床的主轴多以高频变频调速电机直接驱动,即所谓“零传动”,并且朝着高转速、大功率、大扭矩的方向发展。例如:一种高频电主轴的最高转速n=24000r/min,最大功率p=23KW,最大扭矩M≥79nm。其关键零、部件是控制系统和传感器、电机、轴承。需要解决的技术关键问题有转子转速显示,通过监控电机温度和耗用电流来保护主轴、变频器、冷却剂的流动控制和循环冷却、刀具夹紧系统的动作控制、轴承震动的测量与监控、用阀调节润滑剂压力来调节预紧轴承、主轴密封等等。

3.2 控制和数控技术

高速切削机床部件运动速度高,在单位时间内CNC系统需要处理计算的数据大大增加,要求相应提高处理计算的速度和容量。通过采用功能强大的硬件配置, 如:奔腾芯片、64MB内存(或更高)、1―10G硬盘等,并应用数字化驱动调节和数字化总线技术,高速CNC执行程序块的速度以降低到0.5ms。通过配备空间螺旋线、抛物线、和样条插补功能,速度预控制功能,数字化自动平滑运动轨迹功能,加速和制动时的急动速度监控功能,使它的插补计算精度和容量也获得大幅度提高。此外,CNC通常具备刀具补偿、误差补偿、安全性监控等功能,并安装有高效的CNC专用模拟软件。

4 我国高速切削技术的发展现状和采取措施

我国高速切削技术目前处于起步阶段。就多数企业单位而言,由于缺乏全面认识了解和经验,或者因为资金有限,引进的高技术装备不配套,主要是没有适用的高速刀具和设备,其次缺少CAD/CAM软硬件系统。而且由于缺少优化的工艺技术数据作为参考,进口设备多数没有发挥潜力,经济效益不佳。

当前我国有科研机构和单位应该对与高速切削相关的技术进行研究,对高速切削的机理进行科学的分析和实验,夯实理论基础,做好基础理论的预研工作。国外工具公司面对我国制造业快速发展的大好形势和广阔前景,加快了在中国实现本地化生产或服务的步伐,以降低制造成本、提高服务能力、缩短交货周期,应该说, 外国刀具公司进军中国市场为我们应用先进刀具改造传统制造业提供了十分有利的条件。我们要抓住这个有利时机,积极采用先进刀具,为提高企业的加工技术和竞争实力服务,迎接经济全球化的挑战。先进的切削技术和刀具是我国发展汽车工业、航空航天工业、能源工业和配套的模具工业必备的前提条件。在这样的大好机遇面前,我们要充分利用先进的切削技术和刀具,为发展我国的制造业服务。

篇3：难切削材料的加工及其精密切削加工方面的问题分析

研究表明,由于其在一定范围内能够有效地解决难切削材料的加工及其精密切削加工方面的问题并在加工中具有一系列的特点,因而越来越引起人们的重视而受到世界各国的瞩目，

1.普通切削与振动切削

在普通切削中,切削是靠刀具与工件的相对运动来完成的。切屑和已加工表面的形成过程,本质上是工件材料受到刀具的挤压,产生弹性变形和塑性变形,使切屑与母体分离的过程(见图1)。在这种刀具始终不离开切削的普通切削中,刀具的作用包括两个方面:一个是刀刃的作用;一个是形成刀刃的刀面的作用。由于刀刃与被切物接触处局部压力很大,从而

使被切物分离。刀面则在切削的同时撑挤被切物,促进这种分离。普通切削中,伴随着切屑的形成,由于切屑与刀具之间的挤压和摩擦作用,将不可避免地产生较大的切削力,较高的切削温度,使刀具磨损和产生切削振动等有害现象。

基于这种思想,在和有害的自激振动现象作斗争中产生了一种新的切削方法——振动切削。振动切削即是通过在切削刀具上施加某种有规律的、可控的振动,使切削速度、背吃刀量发生周期性的改变,从而得到特殊的切削效果的方法(见图2)。振动切削改变了工具和被加工材料之间的空间与时间存在条件,从而改变了加工(切削)机理,达到减小切削力、切削热,提高加工质量和效率的目的。振动切削按所加频率不同可分为高频振动和低频振动,低频振动仅仅从量上改变切屑的形成条件,主要用来解决断屑问题以及与此相关的一系列问题。而超声振动(高频振动)切削已经使切屑形成机理产生重大变化,可以提高被加工材料的可加工性,提高刀具寿命和工件加工质量。超声加工的工艺效果来自刀具和工件之间的分离运动,即它是一种脉冲式的断续切削过程。所以,作为精密加工和难加工材料加工中的一种新技术,它的切削效果已经得到世界各国的一致公认,认为它是传统加工技术的一个飞跃。

振动切削系统的流程是:超声波电源输出大功率的超声频的交流信号,由换能器将电能转换成同频率的机械振动,经过变幅杆进行振幅放大,从而带动刀具振动。其组成如图3所示。把振动系统固定在刀架上,刀杆的左端是刀片,右端是振动驱动中心,由换能器和变幅杆将纵向振动转换为弯曲刀杆的横向振动。

2.振动切削的特点及工艺效果分析

(1)振动切削的特点

振动切削可以使切削力大幅度降低,使摩擦热减小、刀具寿命提高和已加工表面粗糙度值减少,即有以下特点:

①在切削过程中,刀具前面不是始终与工件保持接触状态,而是处于有规律的接触、分离状态。

②有规律的脉冲冲击切削力取代了连续切削力。

③刀具(或工件)的有规律强迫振动取代了刀具和工件无规律的自激振动。

④切削力大部分来自刀具(或工件)的振动,刀具(或工件)的运动仅是为了满足工件加工几何形状而设置的。

(2)工艺效果分析

①瞬间切削力增大

根据连续弹性体动力分析理论,在普通切削中,切削力一直作用在工件上,使得周边的材料也参与抵抗变形,就使得切口处切削力降低。在振动切削中,材料的破坏过程与普通切削不同,它由每次冲击产生细微破坏而完成切削。在振动切削中,因振动提高了实际的瞬间切削速度,并以动态冲击力作用于工件,使得局部变形减少,作用力集中,瞬间切削力增大。从而获得较大的波前切应力,有利于金属的塑性脆化。减小塑性变形,利于切削。在超硬材料的加工方面,这一优点更为突出。

②零件表面质量的提高 由表面粗糙度值计算公式:

在振动切削中,由于不灵敏性振动切削机理的特性,Δf和Δαp都趋于零,故ΔRth也趋近于零,从而使已加工表面的表面粗糙度值接近几何表面粗糙度值，

③有利于冷却

刀具的高速振动对刀具的散热十分有利,同时由于刀具的前面周期性脱离工件,使得切削液更容易进入刀具和工件之间,也增加了系统的散热能力。振动切削中,刀具在振动源驱动下周期性接触、离开工件。刀屑分离时,切削液产生空化作用,切削液充分进入切削区。振动切削时刀具对工件的冲击作用,应力波的出现,有利于切削区裂纹的萌生和扩展。刀屑接触时,由于压力差出现,使得切削液渗透作用加强,充分发挥切削液的润滑和冷却作用。这些都大大降低了前刀面与切屑间及后刀面与已加工工件表面间的摩擦。

3.振动切削技术的应用

振动切削技术是在研究了切削加工本质的基础上所提出的一种精密加工方法,它弥补了普通切削加工的不足,但并不能完全取代普通切削加工,而有一定的适用范围,主要有以下几方面:

(1)难切削材料的加工

不锈钢、淬硬钢、高速钢、钛合金、高温合金、冷硬铸铁以及陶瓷、玻璃、石材等非金属材料由于力学、物理、化学等特性而难以加工,如采用超声振切削则可化难为易。例如用硬质合金刀具振动车削淬硬钢(35～45HRC)外圆、端面、螺纹与镗孔时,不但提高了平行度、垂直度与同心度,而且可达到“镜面”的表面粗糙度,也可用金刚石刀具进行振动精密加工。又如钛历来只能以磨削和研磨作为精加工,现用硬质合金刀具振动车削时,其端面上的最大表面粗糙度值可达Ra=2～3μm,最佳时可达Ra=0.5μm。此外,用普通切削加工石墨与氧化铝等材料时得不到平整的加工表面,只有采用超声振动才能产生微粒式的切削分离并得到整齐的加工表面。国外用超声振动能顺利地切削富铝红柱石,如果将超声波能源切断,工件会马上损坏,根本无法加工。

(2)难加工零件的切削加工

如易弯曲变形的细长轴类零件,小径深孔、薄壁零件,薄盘类零件与小径精密螺纹以及形状复杂、加工精度与表面质量要求又较高的零件,用普通切削与磨削加工很困难,用振动切削,既可提高加工质量,又可提高生产效率,例如用硬质合金车刀超声振动精车细长的退火调质铝棒(Φ7.2mm,长220mm)的外圆,振动频率为F=21.5kHz,振幅为A=15μm,f=0.05mm/r,ap=0.01mm,用全损耗系统用油作为切削液,加工后可获得工件直径精度为4μm,最大表面粗糙度值Ra=1μm。又如超声振动精镗有特殊钢制成的薄壁圆筒(工件长70mm,孔径15mm,壁厚1mm),在镗过的50mm长度上可测出内孔精度为4μm,最大表面粗糙度值Ra=3μm。

(3)高精度、高表面质量工件的切削加工

与普通切削相比,振动切削时切屑变形与切削力小,切削温度低,加工表面上不产生积屑瘤、鳞刺与表面微裂纹,再加上表面硬化程度较大,表面产生残余压应力小,切削过程稳定,容易加工出高精度与高表面质量的工件。例如前述的超声振动车削软铝制成的细长轴(长200mm,7mm)时可得到圆度2μm、圆柱度3μm/170mm的加工精度。超声车削Φ5mm的电动机整流器铜线时,可得到Ra=0.05μm的镜面,用其他加工方法是不可能达到的。

(4)排屑、断屑比较困难的切削加工

钻孔、铰孔、攻螺纹、剖断、锯切、拉削等切削加工时,切屑往往处于半封闭或封闭状态,因而常不得不由于排屑断屑困难而降低切削用量,这时如果用振动切削则可比较顺利地解决排屑断屑,保证加工质量与提高生产效率。

4.结语

随着科学技术的发展和进步,超声波振动切削作为一种新技术正在逐步渗透到各个领域,对超声波振动切削的研究和开发也越来越受到人们的普遍重视。我国在振动切削技术研究利用方面和国外相比有较大差距,大力加强高速超高速磨削加工技术的研究、推广和应用,对提高我国机械制造业的加工水平和加快新产品开发具有十分重要的意义。

篇4：螺栓联接双梁有限元模型的MATLAB仿真分析

螺栓联接双梁有限元模型的MATLAB仿真分析

文章利用螺栓联接双梁模型模拟间隙接触形式的`工程结构,分析研究了模型的动力学响应特征.用Matlab软件编写了螺栓联接双梁的有限元模型,并结合以往试验结果确定模型参数,为工程中间隙联接结构的响应分析提供了方法.

作 者：农绍宁 肖世富  作者单位：中国工程物理研究院,总体工程研究所,绵阳,621900 刊 名：航天器环境工程  ISTIC英文刊名：SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING 年，卷(期)： 26(z1) 分类号：V414.3 TP391.9 关键词：螺栓联接   间隙接触   有限元分析   MATLAB  

篇5：上颌中切牙修复体力学行为的有限元仿真分析

上颌中切牙修复体力学行为的有限元仿真分析

对上颌中切牙核桩冠修复体进行三维有限元仿真分析,分别就不存在牙槽骨吸收和存在牙槽骨吸收的情况下,以牙冠、牙核所用材料已经确定为前提,探讨了桩的弹性模量与剩余牙根内部最大主应力峰值之间的关系.结果表明,在不存在牙槽骨吸收的情况下,使用较高弹性模量材料制成的核和桩,都能够降低牙根内部的最大主应力峰值;在存在牙槽骨吸收的情况下,牙根内部的.最大主应力峰值大于不存在牙槽骨吸收,这时牙桩所用材料的力学性能对剩余牙根的影响更为显著.

作 者：韩冰 张卫 HAN Bing ZHANG Wei  作者单位：暨南大学应用力学研究所,广东,广州,510632 刊 名：暨南大学学报（自然科学与医学版）  ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF JINAN UNIVERSITY（NATURAL SCIENCE & MEDICINE EDITION） 年，卷(期)：2006 27(3) 分类号：Q66 关键词：生物力学   有限元   桩核冠   计算机仿真  

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