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切削加工残余应力解析预报的特征应变方法及其实验验证

【摘要】:切削过程在工件表层产生的残余应力是表征加工表面完整性的重要指标,零件内的残余应力分布状态很大程度上影响材料的疲劳强度,耐磨损及抗应力腐蚀开裂性能,从而影响关键零部件的服役性能。因此对加工残余应力的高效物理建模仿真及预报是实现国防、能源等领域高服役性能零件制造的关键基础技术之一。但是目前加工残余应力建模及预测方法在研究及实际应用上仍存在以下问题:现有模型难以处理实际加工中的动态切削残余应力预报问题;对于铣削等较复杂的断续切削工况,缺乏适用于各类复杂边界条件的高效预测方法。本文针对上述加工残余应力建模及仿真预测研究中的问题,从固体材料内部产生残余应力的物理机制出发,围绕Eshebly夹杂问题及特征应变理论,提出了加工残余应力的通用解析建模思路,针对车削及铣削等工艺发展了高效的残余应力解析预测方法。在加工残余应力解析预报方法的研究中,本论文取得了如下创新性成果:1.提出了稳态直角切削残余应力的无松弛解析预测方法,基于特征应变理论推导了一维层状分布夹杂的内应力解析解,揭示了加工面内塑性应变与面内残余应力的线性映射关系,证明了该解析解与传统方法所采用的松弛计算过程具有等价性,实现了无需松弛过程的加工残余应力直接显式求解。2.建立了考虑动态切削效应的加工残余应力解析模型,根据二维特征应变理论进一步推导了矩形夹杂体的内应力解析解,提出了通过单元矩形夹杂应力解与特征应变分布卷积求和实现任意二维残余应力场快速计算的影响系数法;在此基础上结合动态接触分析,预报了刀具-工件相对振动情况下的周期性残余应力分布,从而解决了传统松弛算法无法处理的动态加工残余应力预报问题;设计了独特的低频动态切削实验装置并成功证实了动态加工残余应力解析模型的预测结果。3.针对二维侧铣建立了断续切削条件下的加工残余应力解析模型,考虑侧铣加工中的循环加载特点,根据残余应力形成的特征应变机制提出了临界接触角及有效切宽概念,并推导给出了快速估算临界接触角的隐式方程,大幅消除无效增量计算,实现了二维直角侧铣加工残余应力的高效解析预测。4.针对实际加工中广泛应用的螺旋侧铣工艺,建立了三维侧铣残余应力解析预报模型。在斜角切削力学的基础上分析了螺旋侧铣三维接触载荷,给出了三维载荷沿刀轴方向循环往复移动的物理图像,进一步拓展“有效加载区”概念提升模型计算效率;采用移动热源法计算了高速侧铣表层温升,并分析了侧铣热效应对于表面残余应力形成的重要影响;修正并拓展McDowell算法在三维非弹性接触增量分析中的应用,结合影响系数法实现了高速螺旋侧铣残余应力场的快速解析预报。

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