毕业论文-介观尺度难加工材料与切削仿真方法研究

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1、金属切削理论摘要随着微小型零件在航空航天、微电子、环境、通信、汽车、生物等诸多领域的需求与日俱增，介观尺度切削加工过程中的现象与机理也随之受到国内外学者的关注。介观尺度切削并不仅仅是宏观尺度切削在尺寸上的减小，还存在着尺度效应和最小切削厚度等新的理论与工艺问题，传统的塑性力学理论不能描述介观尺度切削中的应变梯度效应，因此需要有针对性地从微观力学和材料位错方面对其进行仿真分析和试验研究。本文根据研究生阶段课题，对课题相关研究成果进行研究，研究的内容有介观尺度切削的尺度及加工特点；目前切削仿真的网格方法和无网格方法；切削加工的四种热门材料；仿真中的摩擦模型和材料失效模型。论文

2、研究结合金属切削理论课程，旨在加深对研究生阶段课题任务的理解，为后续科研工作的深入打好基础。关键字：介观尺度，网格，ALE，SPH，材料本构，摩擦，失效金属切削理论目录第1章介观尺度切削概况11.1介观尺度切削切削简介11.2介观尺度切削特点1第2章切削仿真方法32.1基于网格的方法32.2无网格方法42.3本章小结5第3章难加工材料63.1强铝AL707563.2SiCp/Al复合材料83.334GrNiMo693.4不锈钢材料113.5子程序开发133.6本章小结15第4章摩擦定义及材料失效模型164.1摩擦模型164.2材料失效模型174.3本章小结18第5章论文总

3、结19金属切削理论第1章介观尺度切削概况1.1介观尺度切削切削简介介观尺度普遍认可的定义是指介于宏观尺度和微观尺度之间，几何特征尺寸范围为0.01-1mm的加工尺度。切削加工的加工方法与加工特征尺度如图1-1所示[1]。介观尺度加工属于细观力学研究的范畴，既不同于宏观机械加工也不同于微观原子级纳米加工，具有很强的尺度效应，因而介观尺度材料加工的研究也是经典宏观塑性力学与微观原子模拟之间必要的桥梁。介观尺度本构研究向研究位错和晶相组织的方向发展。图1-1加工方法与加工特征尺度1.2介观尺度切削特点（1）刀具钝圆半径效应对于介观尺度加工，其加工的特征尺寸属于微米级别，此时切削

4、厚度与切削刃钝圆半径相当，不能忽略切削刃钝圆半径对加工过程的影响。19金属切削理论（2）犁切效应对于介观尺度切削加工，刀具钝圆半径与进给量的尺寸都处于微米数量级，这样就会使得在切削过程中刀具的实际前角并不是名义上的前角，通常会变为很大的负值，负前角就会让工件材料发生大的弹塑性变形，此时不再为单纯的切削而会变为耕犁作用。（3）最小切削厚度在介观尺度切削过程中，由于要考虑刀具钝圆半径的影响，并不是每次切削都会产生切屑，当切削厚度远远小于切削刃钝圆半径时，并不会产生切屑，此时工件仅仅只会发生弹性变形；随着切削厚度的增加，当与切削刃钝圆半径相差不多时，实际的切削前角不再是刀具名义

5、前角，会变为较大的负角切削，工件此时产生较大的弹塑性变形；当切削厚度进一步增大时切削过程才会有切屑产生。由上述分析可知：在切屑形成的过程中肯定存在一个能稳定产生切屑的最小切削厚度[2-3]。（4）尺寸效应介观尺度切削加工的实验中发现，当切削厚度达到微米数量级时，切削力与单位切削力会表现出非线性增大，该现象被称为尺度效应。针对尺度效应的现象研究者提出了不同的解释方法，当切削厚度接近于刀具切削刃钝圆半径时，刀具切削刃钝圆半径会使实际切削前角变为大的负值，使犁切力显著增加，导致尺度效应现象的产生。19金属切削理论第2章切削仿真方法2.1基于网格的方法拉格朗日方法：对物质点的描述

6、。拉格朗日网格依附于物质点上，相邻节点相对运动导致网格单元变形。材料变形导致网格变形。网格固定于材料上，物质点上场变量的时间历程易于追踪。可以在边界节点上设置网格确定边界条件。对于不规则或者复杂的几何形状可以用不规则的网格来处理。欧拉方法：对空间的描述方法。模拟质量、动量和能量的通量，计算质量、动量、能量在网格上的分布。在流体力学领域应用广泛[4]。拉格朗日有限元法以增量方法求解，即从时刻t到时刻求解期间，必须先选定一个已知状态的构形作为参照构形，以定义克希霍夫应力张量和格林应变张量。选定参照构形有两种方法，第一种为完全的拉格朗日描述T.L，即取时刻的构形作为参照构形，在

7、以后所有时步内的计算，包括时刻要求的变量，都全部参照时刻的构形来定义。在多相建模计算时需要使用此方法。ALE有限元法综合了拉格朗日和欧拉方法的优点，其网格既不像拉格朗日描述那样是贴附在物质坐标上，也不像欧拉描述那样固定在空间坐标上，而是可以按照要求设计网格的运动。因此，ALE方法不仅可以有效地解决大变形、流体运动问题，而且在处理流体域移动边界和流-固相互作用时具有明显优势。ALE方法在描述格式上与Euler方法基本是平行的，最显著的差异是，Euler方法网格固定，描述对象是物质的运动，但ALE方法同时描述物质和网格的运动。对于