资源描述
摘 要 高.强.度.、.低.密.度.、.优.良.的.耐.腐.蚀.性.等.主.要.性.能.使.合.金.在.很.多.领.域.受.到.青.睐.，.广.泛.应.用.于.航.空.、.医.疗.化.学.等.领.域.。.但.由.于.7.0.5.5.铝.合.金.的.难.加.工.性.，.使.切.削.刀.具.在.加.工.过.程.中.磨.损.严.重.，.耐.用.度.低.，.限.制.切.削.加.工.效.率.的.提.高.。.而.摩.擦.学.相.关.的.研.究.发.现.，.具.有.一.定.纹.理.的.非.光.滑.表.面.反.而.具.有.更.好.的.减.磨.作.用.，.合.理.的.微.织.构.形.式.和.参.数.可.以.起.到.良.好.的.减.磨.作.用.。.本.文.在.销.试.样.的.表.面.加.工.沟.槽.型.微.织.构.，.进.行.销.盘.摩.擦.磨.损.试.验.，.研.究.微.织.构.对.7.0.5.5.铝.合.金.摩.擦.性.能.的.影.响.。.利.用.有.限.元.法.对.7.0.5.5.铝.合.金.切.削.过.程.进.行.仿.真.建.模.，.研.究.微.织.构.刀.具.在.7.0.5.5.铝.合.金.切.削.过.程.中.主.切.削.力.的.变.化.规.律.。.本.文.主.要.从.以.下.几.个.方.面.进.行.研.究.:. 首.先.，.利.用.激.光.打.标.机.在.销.试.样.表.面.加.工.出.微.织.构.，.通.过.无.微.织.构.与.有.微.织.构.的.销.试.样.与.7.0.5.5.铝.合.金.组.成.的.摩.擦.副.进.行.摩.擦.磨.损.试.验.，.发.现.微.织.构.有.良.好.的.减.磨.效.果.。.选.择.不.同.尺.寸.参.数.微.织.构.的.销.试.样.与.7.0.5.5.铝.合.金.进.行.摩.擦.磨.损.试.验.，.研.究.不.同.微.织.构.参.数.对.减.磨.效.果.的.影.响.。. 其.次.，.利.用.有.限.元.软.件.A.B.A.Q.U.S.构.建.硬.质.合.金.切.削.7.0.5.5.铝.合.金.的.二.维.仿.真.模.型.，.并.进.行.合.金.的.切.削.实.验.，.验.证.模.型.的.正.确.性.。.对.有.微.织.构.的.刀.具.切.削.7.0.5.5.铝.合.金.的.过.程.进.行.仿.真.，.并.与.无.微.织.构.的.刀.具.切.削.7.0.5.5.铝.合.金.的.仿.真.进.行.对.比.，.分.析.刀.具.应.力.分.布.情.况.，.切.削.力.的.变.化.规.律.，.以.及.对.等.效.塑.性.应.变.产.生.的.影.响.。.最.后.，.研.究.切.削.力.关.于.微.织.构.尺.寸.参.数.的.变.化.规.律.。.通.过.单.因.素.试.验.确.定.各.变.量.的最优取值范.围，得.出.主.切.削.力.关.于.微.织.构.参.数.的优化模.型设计。关键词：微织构刀具 7055铝合金 有限元仿真 优化设计ABSTRACT High strength, low density, excellent corrosion resistance and other major properties make alloys popular in many 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. 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 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 the 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 pin 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 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 textured 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 parameters 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 force with the micro texture parameters is analyzed by surface method.Keywords: Micro texture tool, 7055 aluminum alloy, finite element simulation, optimization design目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪论11.1研究背景及其意义11.2表面微织构技术概念11.3表面微织构加工方法21.3.1 机械加工21.3.2 化学处理31.3.3 高能脉冲加工31.4表面微织构技术的应用31.5表面微织构技术研究现状41.5.1 国外研究现状41.5.2 国内研究现状51.6本文主要研究内容5第2章 微织构试样的制备与磨损实验62.1 试样的选取62.2 微织构的设计和制备62.3摩擦磨损试验材料72.4 实验对比82.5有无微织构的对比实验分析9第3章 基于ABAQUS的表面微织构刀具切削7055铝合金的仿真模型103.1 模型的受力分析103.2 切削过程有限元模型的构建113.2.1切削过程有限元模型113.2.2材料的本构模型123.2.3 摩擦模型的建立133.2.4 仿真结果143.3 微织构刀具切削仿真结果与分析153.3.1 刀具应力分布比较153.3.2 主切削力分析163.3.3 工件塑性应变分析16第4章 刀具表面微织构的优化设计184.1微织构宽度对切削力的影响184.2微织构间距对切削力的影响194.3 微织构厚度对切削力的影响19第5章 结论与展望215.1研究结论215.2研究展望21参考文献22致 谢23第1章 绪论1.1研究背景及其意义 加.工.制.造.业.是.一.个.国.家.国.防.、.经.济.的.重.要.支.柱.之.一.。.同.时.，.它.也.是.一.个.能.耗.较.大.的.行.业.。.随.着.科.技.的.发.展.，.加.工.技.术.特.别.是.作.为.机.械.工.业.基.础.的.传.统.切.削.加.工.技.术.得.到.了.长.足.的.进.步.。.现.代.切.削.加.工.追.求.高.效.、.经.济.的.加.工.方.式.来.满.足.日.益.激.烈.的.市.场.竞.争.需.求.，.这.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.、.稳.定.的.切.削.刀.具.。.但.是.采.用.高.速.度.、.大.进.给.、.大.切.深.的.切.削.加.工.方.式.会.导.致.更.大.的.切.削.力.，.更.高.的.切.削.温.度.，.由.于.上.述.恶.劣.工.作.环.境.，.切.削.刀.具.磨.损.消.耗.非.常.严.重.，.刀.具.寿.命.普.遍.较.短.。.为.了.降.低.切.削.刀.具.的.磨.损.消.耗.，.提.高.刀.具.的.寿.命.，.传.统.的.方.法.是.采.用.切.削.液.。.在.一.定.程.度.上.切.削.液.能.解.决.上.述.部.分.问.题.。.但.在.高.速.切.削.情.况.下.切.削.液.会.逐.渐.丧.失.润.滑.、.降.温.作.用.。.同.时.，.随.着.切.削.的.进.行.，.部.分.雾.化.的.切.削.液.会.损.害.产.线.工.人.的.身.体.健.康.，.对.环.境.也.有.一.定.的.污.染.。将表面微织构技术引入到干切削加工中，是近年来为实现干切削刀具减摩抗磨而出现的新途径。表面微织构具有捕捉磨屑、存储润滑剂以及易形成动压润滑和提高表面润滑膜承载能力等作用。设计得当的表面微织构能很好的改善摩擦表面的摩擦磨损性能。固体润滑剂能在恶劣的摩擦环境下仍保持良好的润滑作用，能减小切削状态下刀具的摩擦磨损，而且其对产线工人健康和环境无影响，绿色清洁。对于干切削是一种很好的辅助润滑手段。通过各种方法在刀具表面加工出微织构，并在微织构中添加固体润滑剂，表面微织构与固体润滑剂配合使用能更好的发挥两者的优点，降低切削摩擦，在干切削条件下实现刀具的自我润滑，从而改善刀具的综合切削性能，提高刀具使用的寿命。实现绿色、经济、高效的加工生产。因此研究微织构自润滑刀具对实现绿色加工制造有重大的推动意义。刀具材料微织构表面的摩擦磨损特性的研究将为微织构自润滑刀具的设计制造提供参考。1.2表面微织构技术概念 表面微织构(Micro-textured surface)技术就是利用特定加工技术在材料光滑表面加工出具有某种几何特征的非光滑表面的一种表面处理技术。表面微织构技术来源于仿生学。为了适应环境、生存繁衍，大自然中的许多生物体表形成了巧妙的微小结构。在显微镜下观察，大部分生物体表呈现出微凸起或微凹坑的显微结构。这些特征使得部分陆生植物具有很强的疏水性，如荷叶(图1.1)、芭蕉叶等等。这些植物都具有优异的自洁特性。 荷叶 荷叶表面显微照片图1.1 荷叶体表显微形貌在水中同样有表面微织构的受益者，例如有着海中猛虎之称的鳖鱼。由于其体表的微小肋条结构的存在，其在水里游动的过程中，受到水的阻力大为减少(图1.2)。 鲨鱼 鲨鱼体表显微照片图1.2 体表显微形貌1.3表面微织构加工方法1.3.1 机械加工 机械加工方法包括:微切削加工、磨削加工、磨料射流加工、超声加工、表面压刻加工、表面划刻加工。该方法是通过机械加工的手段去除加工表面材料或者使加工表面产生塑性变形，使表面形成按一定规律分布的凹陷或凸起特征。其特点是加工设备相对简单、效率较高，但难以控制加工的表面微织构的精度，且加工的微织构尺寸较大。 1.3.2 化学处理 化学处理方法包括:LIGA加工 、光化学刻蚀 、反应离子刻蚀 、化学涂层。此类方法主要利用加工表面特定区域的化学试剂在一定的加工条件下发生化学或光/电化学反应，去除或生成材料，在表面形成凹陷或凸起特征。这类方法一般需要将微织构图案加工在掩膜上，然后再将图案转移到加工表面。1.3.3 高能脉冲加工 高能脉冲加工方法包括:电火花加工、激光加工聚焦离子束加工。其加工原理主要是依靠加工设备产生高能脉冲在加工表面产生瞬间高温，使加工表面材料瞬间熔化、气化，从而得到表面微织构。该方法具有加工精度好、加工效率高、对材料要求不高等特点。且此方法在其加工表面的热影响区内形成超细晶组织，具有很高的硬度和很好的耐磨性能。这些特点使其逐渐成为在表面微织构加工中应用最为广泛的方法。激光器产生的激光能量脉冲稳定可调，且能够产生极短的脉冲。如飞秒激光(Femto-second lasers)设备能产生宽度只有几个飞秒(1fs=10-15s)的瞬间高能脉冲。由其加工的织构尺寸可达到纳米级别。 激光加工因其易于实现计算机控制，效率/精度高，成本低等特点成为表面微织构加工最常用的方法。且人们习惯性的将激光加工的表面微织构称为激光微织构。1.4表面微织构技术的应用 表面微织构是在物体表面用特定的方法，如激光等加工出的特定的形貌研究比较多的微织构形貌有:凹坑型、沟槽型、凸包型以及鳞片型等，如图1.3所示，其中以凹坑型和沟槽型的研究最为广泛。 凸包型 凹坑型鳞片型 沟槽型图1.3表面微织构形貌1.5表面微织构技术研究现状1.5.1 国外研究现状 日本大阪大学的Tatsuya Sugihara和Toshiyuki Enomoto X22-a3等人在铝合金的铣削加工过程中，利用激光加工技术在铣刀表面加工出微织构，以解决粘刀严重的问题。研究发现，微织构在切削过程中有存储切削液的功能，表面摩擦特性得到改善，刀屑间粘结磨损情况降低。 美国的Shuting Lei等人在刀具前刀面加工出的凹坑微织构里添加润滑剂，形成自润滑刀具，通过有限元仿真技术分析了自润滑刀具切削低碳钢时的切削性能。结果表明，利用自润滑刀具降低了30%左右的刀屑实际接触长度以及10-30%的切削力，并且切削液和固体润滑剂都可以有效降低刀屑界面的摩擦系数和刀屑实际接触长度。 加拿大的Koshy P等人在刀具表面加工出微织构，微织构可以储存切削液并且促进切削过程中切削液的渗入，试验结果表明，微织构的引入降低了切削力，改善了刀屑间的摩擦状态。 德国的Johannes Kumme等人在硬质合金刀具前刀面上加工凹坑型和沟槽型的微织构，对45号钢进行干切削试验。结果表明，干切削时凹坑型微织构比无微织构的刀具有更好的耐磨性。1.5.2 国内研究现状 近几年来，国内一些学者对微织构刀具进行了研究。南京航空航天大学的戚宝运等人进行了钦合金的切削试验，研究了微织构刀具在不同润滑条件下的切削性能，结果表明，在干切削、微量润滑以及低温微量润滑的条件下，沟槽型微织构均能有效的降低刀具后刀面磨损。同时，微织构刀具可以降低刀具粘结磨损，增大刀屑接触面积，从而降低切削温度。王亮、王震等人分别研究了沟槽型微织构和凹坑型微织构的减磨效果。 山东大学的邓建新教授等首先设计出来微织构自润滑刀具，对其减磨润滑机理进行了深入研究。在微织构中添加固体润滑剂，切削时会在刀具表面形成润滑膜，实现自润滑，结果表明，自润滑刀具可以降低前刀面的摩擦系数，切削力和切削温度。之后对不同形状不同尺寸大小的微织构进行了更深入研究。 孙华亮等人研究了表面微织构对TiAlN涂层刀具的切削性能影响，结果表明，微织构刀具能有效减小切削区温度，改善切削温度的分布情况。 合肥工业大学的谢峰教授在硬质合金刀具上加工出微织构进行切削试验，结果表明，微织构刀具可以减小切削力，改善刀屑间的摩擦状况，并且发现与切屑流出方向垂直的沟槽型微织构减磨效果最好。张俊生在硬质合金刀具上加工出凹坑型微织构，研究了不同凹坑参数对刀屑接触区摩擦的影响，同时发现，刀具微织构能有效减小扩散磨损。1.6本文主要研究内容 （1）研究不同刀具表面微织构对切削力及切削温度的影响。（2）研究切削参数对切削力切削温度的影响。（3）对刀具表面微织构进行优化。第2章 微织构试样的制备与磨损实验2.1 试样的选取随着加工工业的发展，刀具材料朝着高精度、高速切削，干式切削和降低成本等方向发展。硬质合金具有硬度高、化学稳定性好、耐磨性好等优点，应用非常广泛因此，本次摩擦磨损试验的销试样采用硬质合金YG8，其化学成分是92%的碳化钨和8%的钻。图2.1是销试样的几何参数及实物图，工作面的粗糙度Ra为0.8微米，其材料属性如表2-1所示。表2-1销试样材料属性材料杨氏模量GPa比热J/kg.oC线膨胀率m/m.oC导热率W(m*oC)密度g/cm3YG86402204.5*10-675.414.5 销试样尺寸参数 实物图图2.1销试样2.2 微织构的设计和制备本次试验是利用激光打标机在销试样的工作面加工出沟槽型的微织构。为了研究沟槽型微织构对销试样减磨性能的影响，探究微织构尺寸参数，包括沟槽宽度、沟槽深度、沟槽间距对织构表面摩擦系数影响规律，试验中设计沟槽的尺寸参数如表2.3所示，沟槽型微织构的示意图如图2.2所示。图2.2微织构示意图表2-2沟槽型微织构的尺寸参数2.3摩擦磨损试验材料 试验采用材料为硬质合金YG8的销试样，盘试样材料为7055铝合金其化学成分如表2-3所示，力学性能与热性能如表2-4、2-5所示，尺寸参数如图2.3所示。表2-3 7055铝合金的化学成分合金牌号化学成分/wt%SiFeCuMnMgCrZnTiZr7055表2-4 7055铝合金的力学性能密度屈服强度抗拉强度剪切强度杨氏模量泊松比4.5g/cm3860MPa920MPa760MPa108GPa0.33表2-5 7055铝合金的热学性能线膨胀率m/m*比热J/kg*热导率W/(m*)熔点20250500202505009.110-69.210-69.710-6526.37.58.711.81530-1650图2.3盘试样尺寸参数2.4 实验对比 为研究微织构对材料表面性能改善的作用，在硬质合金的销试样上加工出沟槽型微织构，试验采用微量润滑的方法。首先对有无微织构的销试样进行对比试验，研究微织构是否有减磨性能。试验参数如表2-6所示。表2-6对比试验参数 其次，为了探究沟槽宽度、间距、深度的不同尺寸参数对微织构减磨性能的影响，在其他试验条件不变的情况下，改变微织构的尺寸参数，考察微织构宽度、间距及深度对对摩擦性能的影响，进行了三因素三水平正交试验，试验安排如表2-7所示。表2-7 正交试验安排2.5有无微织构的对比实验分析 摩擦磨损实验过程中，采集的数据每隔lOs输出一次，得出摩擦系数与时间的关系，如图2.4所示。根据各组实验得到的摩擦系数与时间关系图以及实验所得的数据，选取每组数据稳定阶段的摩擦系数求平均值作为实验结果。图2.4(a)为无微织构销试样摩擦磨损实验关系图，摩擦系数是0.42, (b)为有微织构销试样摩擦磨损实验关系图，摩擦系数为0.34。由图2.4可以看出沟槽型微织构在相同的实验条件下确实可以达到减小摩擦系数效果，摩擦系数降低约19%。 （a）无微织构 (b)有微织构图2.4摩擦系数与时间曲线图第3章 基于ABAQUS的表面微织构刀具切削7055铝合金的仿真模型 科学技术的发展，提高了有限元仿真对复杂问题建模的可靠性和准确性，促进了计算机仿真技术在各个领域的广泛应用，利用仿真模型可以一定程度上代替物理试验进行研究，并且可以得到物理试验中很难获得的试验参数。本章节利用ABAQUS有限元软件对硬质合金切削钦合金的过程进行了模拟，并对仿真结果进行了分析。3.1 模型的受力分析 在切屑形成时，刀具对工件材料有一个力的作用，切削层金属发生形变，而作用在工件材料和刀具之间的力称之为切削力。在实际生产时，切削力的存在会加剧刀具破损，减低工件的加工质量，生产效率也会降低。对切削力的研究是十分必要的，首先要了解切削力的来源。工件切削层、切屑和工件表面发生弹性变形和塑性变形产生的抗力;刀具前刀面与切屑、后刀面与工件表面间的摩擦阻力。如图3.1所示，研究过程中，为方便计算和分析，可将车削外圆的切削力分解为主切削力、切深抗力和进给力。图3.1 切削力的分力与合力3.2 切削过程有限元模型的构建3.2.1切削过程有限元模型 (1)几何模型 在进行金属切削过程的数值仿真模拟时，一般情况下把实际切削过程简化为二维切削过程，这是因为切削宽度比较大时，会呈现平面应变的特征，此时可把三维切削过程转化为二维切削过程。因此本文建立了硬质合金刀具和铝合金工件的二维直角切削模型，其中工件材料为7055铝合金，刀具材料是硬质合金YG8，工件几何尺寸1.5mmX0.8mm，刀具前角为5o，后角为7o。图3.2所示为二维直角切削的几何模型。 （2）边界条件 模型的边界条件的设置能够让模型按照要求运动，本文中在刀具切削铝合金时，设置工件各个方向的自由度使其固定不动，给刀具向右的一个速度，刀具沿直线运动进行工件的切削。在在铝合金切削过程中，考虑实际环境条件，设定工件与刀具的初始温度均为25摄氏度。 （3）网格划分 网格划分时首先对工件和刀具进行撒种子，在切削区附近和刀尖部分撒种子较密，工件底部相对稀疏。钦合金工件采用四节点四边形双线性平面应力单元，结构化网格划分技术。刀具网格划分采用三节点平面应变热力耦合单元，自由划分网格。为了节省运算时间，在工件切削区附近的网格划分较密，而远离切削区的网格划分的相对较少。图3.2 二维正交切削的几何模型3.2.2材料的本构模型在实际切削过程中，由于大应变和高应变率，工件内部会发生弹塑性流动，因此模拟分析的关键是合理的材料模型的建立。 Johnson-Cook模型将材料的应变硬化效应、应变率强化效应和温度软化效应3部分有机地关联在一起，其数学表达式如(3-1)所示。式中，A一一屈服应力强度 B一一应变强化系数 n一一应变强化指数 C一一应变率强化参数 m一一温度应变率灵敏度 A、B、n、C、m 均为由材料自身决定的常数，通过试验可以测得。此外为流动应力，为参考应变率，Tm为熔点温度，Tr为参考温度。公式(3-1)右边第一部分为流动应力受应变大小的影响，第二部分为应变速率对流动应力的作用，第三部分表示温度对流动应力的影响。材料参数通过试验测得，本文所用工件材料为铝合金7055，其Johnson-Cook模型的5个模型参数如表3-1所示。表3-1 7055铝合金的Johnson-Cook模型参数A(MPa)B(MPa)ncm8606830.470.0351.03.2.3 摩擦模型的建立 切削过程中刀一屑之间以及刀具与工件上表面之间都产生存在摩擦，工件的表面质量，刀具的强度和耐用度都受到影响。因此要建立正确的摩擦关系是仿真成功的重要因素之一。刀具前刀面与切屑的接触存在两种摩擦模型，靠近刀尖的粘结区和距离刀尖较远的滑动区，如图3.3所示。粘结区刀具与切屑挤压，产生高温且不容易散出，使切屑处于流动的塑性状态，容易粘结在刀具上，这一区域属于内摩擦。滑动区距离刀尖较远，散热速度较快，切削温度与切削应力相对较低，此时刀屑间属于滑动摩擦。图3.3 摩擦类型及分布在模拟金属切削过程修正的库伦摩擦定律最为常用，可表示为: （3-2）式中，一一临界剪应力 一一工件材料的最大剪切应力 一一摩擦系数 一一接触面正应力3.2.4 仿真结果 仿真所用模拟切削条件为切削速度49m/min，进给量0.15mm/r，仿真结果的应力分布及主切削力如图3.4、图3.5所示。其中图3.4为工件应力分布图，图中可以看出第一变形区的等效应力最大，切屑为锯齿状，符合实际切削加工中的规律。图3.5是刀具主切削力随时间变化的曲线，可分为两个阶段，第一阶段刀具接触工件并进行切削，主切削力快速上升，第二阶段进入稳定切削，主切削力较为稳定，截取第二阶段稳定部分即可求出切削力的值。图3.4 工件应力分布云图图3.5 刀具主切削力随时间变化的曲线3.3 微织构刀具切削仿真结果与分析 本文以沟槽型微织构为研究对象，在刀具上添加垂直于切屑刃的沟槽型微织构进行切削模拟仿真，对比分析微织构刀具与无微织构刀具切削铝合金的仿真结果。微织构尺寸及切削条件见表3-2所示。表3-2微织构尺寸及切削条件微织构间距微织构宽度微织构厚度切削速度进给量刀具前角刀具后角80um30um20um820mm/s0.15mm/r5o7o 3.3.1 刀具应力分布比较 图3.6 、图3.7为无微织构刀具与有微织构刀具在切削过程中的等效应力分布云图。 图3.6 无微织构刀具的等效应力分布图 图3.7 有微织构刀具的等效应力分布图 图3.6中可以看出无微织构刀具在前刀面和后刀面有明显的应力集中带，大约为1.5GPa-2.5GPa，然后向刀具后部依次减小。图3.7可以看出，微织构刀具后刀面应力集中带明显变小，刀尖所受应力较无微织构刀具小，且刀具整体的应力分布比较均匀，变化梯度小。但是微织构刀具的前刀面在沟槽内部及周围存在应力集中现象，使刀具容易产生裂纹。通过有无微织构刀具的等效应力分布图可以发现，无微织构刀具的前刀面和后刀面都有明显的应力集中带，使刀具更容易破损，加剧了刀具的磨损。而微织构可以改善刀具应力分布，使刀具整体应力分布比较均匀，没有明显的应力集中，但是由于微织构的存在降低了刀屑接触面积。3.3.2 主切削力分析 切削力是切削加工中的重要参数，切削力的大小和变化对刀具的磨损、刀具寿命、工件加工质量等都有重要的影响，二维切削中，主切削力是与刀具运动方向相反的力。图3.8中为无微织构及有微织构的主切削力，微织构刀具稳态切削时比无微织构的减小12%左右。说明带有微织构的刀具确实可以使切削力下降，主要原因是微织构的存在减少了刀屑接触面积以及切削过程中前刀面与切屑之间的摩擦磨损。图3.8 有无微织构刀具的主切削力3.3.3 工件塑性应变分析切削过程材料发生大应变，高应变率，并且由于钦合金的导热系数小，在铝合金的切削加工过程中前刀面与切屑之间的热量无法及时散出，使得钦合金容易发生绝热剪切现象，形成锯齿状切屑。锯齿状切屑可导致切削力不稳定，发生周期性波动，加剧刀具磨损，不利于形成良好的工件质量。在ABAQUS切削仿真中，等效塑性应变描述整个变形过程中塑性应变的积累结果，等效塑性应变越大，则切屑锯齿化程度越严重。图3.9所示为无微织构的刀具与微织构刀具切削铝合金时的等效塑性应变，微织构刀具切削时工件的等效塑性应变减少12.5%左右，切屑锯齿化程度减轻。(a)普通刀具 (b)沟槽型微织构刀具图3.9 普通刀具与有微织构刀具等效塑性应变第4章 刀具表面微织构的优化设计 本文以沟槽型微织构的几何参数包括沟槽宽度、间距和深度为试验的三个因素，为了得到各个因素分别对切削力的影响情况，对三个因素分别进行了单因素的切削仿真试。4.1微织构宽度对切削力的影响以微织构的宽度为变量，按照表4-1的微织构尺寸参数进行钦合金的切削仿真试验，得出5种不同沟槽宽度的微织构刀具切削7055铝合金主切削力的变化趋势，如图4.1所示。表4-1微织构尺寸参数沟槽宽度(um)沟槽间距(um)沟槽厚度(um)主切削力(N)108020270.90208020265.54308020264.21408020270.09508020266.23图4.1 不同沟槽宽度对主切削力的影响由图4.1可以看出，当微织构间距为80um，深度为20um不变，微织构的宽度由10um增大到50um时，主切削力先减小后增大，微织构宽度为40um和10um时主切削力都比较大。4.2微织构间距对切削力的影响 以微织构的间距为变量，按照表4-2的微织构尺寸参数进行钦合金的切削仿真试验,得出5种不同沟槽间距的微织构刀具切削铝合金主切削力的变化趋势，如图4.2所示。表4-2结构尺寸参数沟槽宽度(um)沟槽间距(um)沟槽厚度(um)主切削力(N)304020274.09306020270.27308020264.213010020265.513012020268.77图4.2 不同沟槽间距对主切削力的影响 由图4.2可以看出，当微织构宽度为30um，深度为20um不变，微织构间距在试验范围内，间距为40um时主切削力最大，此时由于微织构占有面积过大，降低了材料的强度，材料抗磨能力降低，切削力变大。4.3 微织构厚度对切削力的影响 以微织构的深度为变量，按照表4-3的微织构尺寸参数进行钦合金的切削仿真试验，得出5种不同沟槽深度的微织构刀具切削钦合金主切削力的变化趋势，如图4.3所示。表4-3结构尺寸参数沟槽宽度(um)沟槽间距(um)沟槽厚度(um)主切削力(N)3010010271.093010020264.273010030268.213010040267.513010050268.12图4.3 不同沟槽深度对主切削力的影响 由图4.3可以看出，当微织构宽度为30um，间距为80um不变，微织构深度在10um到50um变化范围内，微织构深度为20um时主切削力最小。由以上分析可以得出各因素最优合理的数据范围，微织构宽度试验范围为20um50um，间距试验范围为60um120um，深度试验范围为10um40um。第5章 结论与展望5.1研究结论 本文利用有限元软件ABAQUS建立了铝合金切削过程的二维仿真模型，对微织构刀具切削7055铝合金的过程进行了分析，并研究了微织构尺寸参数的变化对主切削力的影响。经过试验及仿真结果的分析得到以下结论: （1）通过无微织构与有微织构的销试样与铝合金进行销盘摩擦磨损试验，得出微织构可以有效减小摩擦系数；对不同微织构尺寸参数的销试样进行了摩擦磨损试验，结果发现微织构尺寸参数的改变会引起摩擦系数的改变，应合理选择微织构参数。 （2）建立了铝合金切削过程的二维仿真模型，为验证模型的正确性，进行了铝合金切削实验，把实验结果与仿真结果的主切削力进行了对比。通过对无微织构与有微织构的仿真过程进行对比分析，发现在铝合金切削过程中，微织构的存在可以改善刀具应力的分布，降低切削力，并且对切削完成后切屑的变形程度进行了研究，发现微织构可以减少塑性应变。 （3）通过单因素试验确定了各变量的取值范围，并分析了微织构尺寸参数的变化对主切削力的影响。5.2研究展望 本文通过硬质合金与铝合金组成的摩擦副进行了摩擦磨损试验，研究了微织构的减磨作用，并利用有限元软件对微织构刀具切削铝合金的过程进行了仿真模拟，研究了微织构刀具对切削过程的影响，取得了一定的研究成果，但是由于研究条件和自身水平的局限性，对于微织构在刀具方面的研究还需要进一步深入。 （1）本文建立了铝合金切削的二维仿真模型，有一定的局限性，微织构的形貌不能完整体现在仿真模型中，进一步建立三维切削模型，能更全面的研究微织构刀具对铝合金切削的影响。 （2）文中选用了沟槽型一种微织构进行研究，对于织构的尺寸参数，本文只加工出微米级的织构，在以后研究中应更注重尺寸更小的纳米织构在刀具上的应用。参考文献1 艾兴.高速切削加工技术M.北京:国防工业出版社, 2003.2 刘战强,万熠,周军.高速切削刀具材料及其应用.机械工程材料, 2006, 30(5): 14.3 Gringel H M. 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