硬態切削過程的有限元倣真www.tool-tool.com

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　　硬態切削是指把淬硬鋼的切削加，[作為半精加工或精加工的工藝方法。這種工藝方法可改變傳統切削一淬硬～磨削製造工序，能有效地提高生產率、降低能量消耗及提高加工零件的疲勞強度。硬態于式切削技術還是一種有利於環境保護的清潔生產工藝和綠色製造技術。有限元分析法是工程實際中強有力的數值分析方法之一，與試驗研究相比，它具有節省時問，節省人力財力等優點。本文以有限元理論為基礎，針對硬念切削的特點，建立了硬念切削的有限元模型。

　　對於切削過程的有限元模擬分析，正確的簡化模型不僅可以提高計算結果的精度，並且可以大大的減少計算的時間。本文采用平面應變問題來處理二維硬態切削問題，極大的簡化了模型;通過把材料的機械物理性能看成溫度的函數來模擬材料的非線性問題：採用網格重劃分來解決接觸穿透問題，模擬切屑的形成;為了處理硬態切削過程中的幾何非線性問題，採用了更新的Lagrange格式的增量有限元法;編制用戶子程式來實現有限元模型網格的局部細分，即保證了計算的精度，又節省了計算的資源;根據硬態切削的特點，採用修正的庫侖摩擦模型來模擬硬態切削過程中的摩擦問題。這些建模方法對於研究硬態切削的機理有著重要的參考價值。

　　有限元模擬分析得到了硬態切削過程的應力分佈、溫度分佈以及切屑的形成過程，通過對剪切區的測量得到了剪切角的大小。對不同速度、不同切削厚度的硬態切削過程進行了模擬分析，結果表明：隨著切削速度的增大，切削的最高溫度值增大，當切削速度大於220m/min時，由於金屬的軟化效應，溫度升高趨勢隨速度的增加而變緩：隨著切削厚度的增大，切削的最高溫度值增大，並且切削厚度對溫度的影響沒有切削速度的影響大。在相同的切削條件下，負倒棱切削的溫度大於圓弧刃切削的溫度，因此用圓弧刃代替負倒棱切削，町以改善刀具上的溫度分佈情況。本文模擬方法可以部分的取代實驗研究，拓展了有限元理論的應用範圍，促進了硬態切削機理的研究。
　　關鍵詞

　　硬態切削;有限元倣真：切屑形狀：PCBN刀具
　　第1章 緒論

　　隨著社會的發展，環境問題已經成為制約人類社會發展的因素之一。製造業是人類創造財富的支柱產業，同時又是產生環境污染的主要行業之一。製造過程引起的環境污染問題已經引起了世界各國的重視。國際生產工程學會一直對生態平衡、環境保護、可持續發展給予充分重視，提倡運用有利於保護環境的綠色製造技術。硬態幹式切削技術就是一種具有環保性質的切削加工技術。硬態切削是指採用超硬刀具對硬度大於HRC50的淬硬鋼進行精密切削的

　　加工工藝，是現代最富有生氣的切削技術之一。與磨削相比，其刀具費用低、加工工時短、容易實現幹切削加工。硬態切削具有良好的加工柔性、經濟性和環保性能，在精磨工序中採用硬態切削是加工淬硬鋼的最佳選擇。硬態切削加工的機械技術條件主要有：系統剛度高。基礎穩定，熱對稱穩定性好，運動驅動系統結構合理並實現無振動傳動，工作軸的運動精度高等。然而，目前硬態切削加丁技術仍然未被廣泛採用，其主要原因不僅是由於企業對硬態切削加工機理及刀具的使用技術未完全了解和掌握，同時也因為硬態切削工藝中一些不穩定的因素制約了它的推廣應用。硬態切削加工技術已引起世界範圍內製造業和科研機構的高度重視和極大興趣，推廣硬態切削加工技術仍存在一定障礙，主要有：如何使已加工表面保持穩定的表兩粗糙度和尺寸精度;加工表面品質能否滿足零件的工況需要並具有一定的壽命;如何進行硬態切削加工刀具的選擇、使用、成本控制等。

　　立方氮化硼(CBN)是氮化硼BN的同素異構體之一，其結構與金剛石相似。立方氮化硼的硬度略次於金剛石，但卻遠遠高於其他高硬度材料。聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具非常適合於硬態材料的高速切削、幹式切削，並能加T會剛石刀具所不能加工的黑色金屬材料，特別適合數控設備及自動化生產線的使用。PCBN刀具有很高的耐磨性，其使用壽命遠遠高於硬質合金，可加工大部分高硬度材料，在許多場合可以以車、鏜、銑等代磨加工工藝，能使被力u1零件獲得高的精度和良好的表面品質，並大大提高生產效率。PCBN刀具的切削性能主要體現在以下幾個方面：

　　1)具有較高的硬度和耐磨性，CBN的|f紂熱性可達l 400 —1500℃，PCBN在800℃時的硬度還高於陶瓷和硬質合金的常溫硬度。

　　2)具有很高的熱穩定性，CBN晶體結構與金剛石相似，化學鍵類型相同，品格常數相近，因此具有與金剛石相近的硬度和強度。CBN微粉的顯微硬度為 HV8 000～9 000，其燒結體PCBN的硬度一般為HV3 000—5 000。

　　3)具有優良的化學穩定性，CBN的化學惰性特別大，在l 200 1 300℃時也不與鐵係材料發生化學反應，與碳在2 000℃時才發生反應;在中性、還原性的氣體中，對酸鹼都是穩定的，對各種材料的粘結、擴散作用比硬質合金小得多。

　　4)具有較好的導熱性，在各類刀具材料中CBN的導熱性僅次於金剛石，導熱系數為1 300W/(m·℃)，是紫銅的3.2倍，是硬質合金的20倍，而且隨著溫度的升高，PCBN導熱系數是增加的。

　　5)具有較低的摩擦系數，與不同材料的摩擦系數CBN為0.1～0.3、硬質合金為0.4～0.6，隨著切削速度的提高，摩擦系數是減小的。

　　 6)PCBN刀具切削淬硬鋼時的金屬軟化效應。PCBN刀具的重要用途之一是加工硬質材料，由於它的高溫硬度和熱穩定性，因此可以進幹亍高速切削，切削熱使被切削層金屬軟化、硬度降低而易於切削加工，刀具仍然保持高硬度。PCBN刀具的這一特性被稱為金屬軟化效應。產生會屬軟化效應的決定性因素是切削溫度。實驗證明，對軸承鋼GCrl5材料，HRC50是切削機理產生變化的臨界點，產生金屬軟化效應的條件是硬度要大於HRC50。另外，HRC50也是區分其普通切削與硬態切削的硬度臨界值。

　　可見，PCBN刀具具有優良的切削性能，具有廣闊的運用前景。在國外，PCBN刀具已廣泛用來加工淬硬鋼、高硬度鑄鐵和抗磨零件，並帶來了巨大的經濟效益。國內PCBN刀具的使用還不夠廣泛，主要是由於對PCBN刀具的認識不夠，技術支援不夠。隨著國內對 PCBN刀具的不斷研究，刀具性價比的不斷提高.PCBN刀具必將廣泛運用於製造工業，推動中圖製造業的發展。

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