刀具振动对塑性材料车削过程影响的有限元仿真开题报告

1. 研究目的与意义

金属切削过程是机械制造业中最重要的过程之一，金属切削加工的实质就是刀具和工件的相互作用用刀具切除工件上多余的金属层，从而获得形状、精度及表面质量都符合要求的工件的过程。在此过程中会伴随着各种现象，如切削变形、切削力、切削热、刀具的磨损与耐用度等，并且这些现象严重影响着产品的质量及生产成本。为了研究金属切削的机理，使切削参数的选取、刀具的设计更加合理，学者们已经做了大量的研究工作,先后建立了许多简化的力学模型，其中比较著名的有Merchant切削模型和Oxley切削模型，对切削机理的研究起到了积极的推动作用。但是切削过程中各个变形区的变化过程、应力分布、应变分布、切削温度的分布等，仅仅通过解析法求解是不能解决的。随着计算机硬件技术和软件技术的快速发展，有限元（FEM）已经成为金属切削过程仿真的有效工具，实践证明，采用有限元来数值模拟解决工程实际问题能够达到所需的精度具有很高的可靠性。而且还可以得到许多从实验中很难得到的重要数据，仿真结果形象，直观，对实践有着很高的指导价值。利用有限元仿真技术研究刀具振动对车削过程的影响以及各种参数之间的关系成为可能。并且能够方便地分析各种工艺参数对切削过程的影响，为优化切削工艺和提高产品精度与性能提供理论和实用手段。有限元所提供的分析方法，对于实际生产中工艺参数的优化，切削质量的控制，刀具设计提供了依据，同时对于提高金属切削效率并改善加工表面质量，优化加工工艺具有重要意义。

2. 国内外研究现状分析

金属切削加工过程是一个复杂的切削变形过程，工作条件非常恶劣，传统的研究方法主要基于试验，费时，费力。随着计算机技术的发展，有限元法现已成为金属切削过程模拟的主要工具，与其他传统方法相比，它大大提高了金属切削仿真结果的准确性。目前国际上对金属切削过程有限元模拟方面的研究较为深入，金属切削过程的研究方法已经从最初的简单的剪切平面法发展到更加复杂的有限元方法。而金属切削过程的有限元分析主要是建模，在金属切削过程的建模方法中，有限元法代表着最新的趋势。它利用大变形塑性理论，数值解技术及计算机计算能力的飞速发展，几乎能模拟金属切削过程的各个方面，从而更为细致的揭示切削过程。

1985年，stren-kowski和carrol建立了一个较新的有限元模型，此模型包括一个基于有效塑性应变的切屑分离准则，一些以前被忽略的参数被考虑进有限元模型，如构件、刀具被考虑为弹塑性材料，刀具与切屑之间的摩擦等。

1990年，stren-kowsk和moon利用eluer有限元模型研究正交切削，模拟了切屑形状，预测了工件、刀具以及切屑中的温度分布；usui等人首次将低碳钢流动应力假设为应变、应变速率和温度的函数，以此模拟了连续切削中产生的切削瘤，而且在刀具和切屑接触面上采用库伦摩擦模型，利用正应力、摩擦应力和摩擦系数之间的关系模拟了切削工艺；komvopoulos和erpenbeck用弹塑性有限元模型研究了钢质材料正交切削中刀具侧面磨损、积屑瘤及工件中的残余应力等。

3. 研究的基本内容与计划

本课题对学生所学知识和技能的要求如下：（1）有限元基本理论及其软件使用；（2）刀具各项几何参数的建模；（3）刀具材料的选择及特点；（4）塑性材料的参数选择；（5）刀具振动对塑性材料切削过程影响的有限元分析。

研究计划:第1周至第2周(2.22~~3.6)熟悉任务，收集资料，了解任务书和撰写开题报告。第3周至第6周(3.7~~4.3)熟悉有限元软件（Thirdwaveadvantedge），着手为建模准备，通过查阅资料了解塑性材料的特点，切削过程的特点，选择刀具材料，定义刀具各项几何参数。为中期检查做准备。第7周至第9周(4.4~~4.24)对塑性材料切削过程的有限元模型进行实际的计算，并得到具体结果，将这些结果进行分析比较。第10周至第14周(4.25~~5.29)撰写设计说明书，完成设计说明书准备答辩。第15周或第16周(5.30~~6.12)准备毕业设计答辩。

4. 研究创新点

（1）采用有限元软件Thirdwaveadvantedge进行刀具振动对车削过程影响的仿真分析；（2）对有限元模型进行实际的计算，并得到关于应力、应变、温度场分布等具体结果；（3）可以观察到塑性切削仿真下切屑的形成过程。