论文总字数：20409字

摘 要

微织构刀具因其良好的减摩、润滑效果，在干式切削中发挥着重要的作用，其结构的研究越来越受到人们的重视。为了进一步对刀具表面微织构的结构进行设计和研究，使其具有更好的减摩效果，选择有限元分析的方式，在前人研究的基础上，针对微沟槽椭圆形貌的织构具体参数进行了一系列的设计和评估,使用了ANSYS Workbench 18.2有限元仿真软件进行应力分析仿真，模拟了不同微织构尺寸下刀尖等效Mises应力和第一主应力分布情况，研究了不同微织构形状、椭圆形貌的长短轴之比和半径大小、微织构距离切削刃的距离、微织构沟槽的槽宽、槽深、槽截面形状等因素对于刀具应力分布的影响，经过对比分析，得到了椭圆织构最优参数为椭圆长轴半径0.25 mm，长短轴之比1.4，椭圆圈数为两圈，微织构相对主副切削刃的距离L1、L2分别为0.25 mm和0.30 mm，微织构沟槽的截面为三角形，沟槽深度是0.10 mm，宽度为0.08 mm。

通过仿真实验与普通车刀对比后发现，在刀具上加工微织构固然会增加最大等效Mises应力，但增大幅度不大，其值远未达到屈服强度，整体而言，对刀具强度影响不大，但微织构在减小切削刃应力方面有良好的表现，前刀面应力集中减小，刀尖圆弧处的应力降低效果尤为明显。

关键字：微织构 有限元仿真 车刀 椭圆织构 参数优化

ABSTRACT

Because of its good antifriction and lubrication effect,micro－texture tool plays an important role in dry cutting,and the research on its structure has been paid more and more attention. In order to further design and study the structure of texture and make it better effect,on the basis of previous studies,a series of design and evaluation are carried out for the specific parameters of micro-groove elliptical texture.The stress analysis and simulation are carried out by using Ansys Workbench finite element simulation software,and the equivalent Mises stress and the first principal stress distribution of tool tip under different micro－texture sizes are simulated.

Through comparative analysis, it is obtained that the optimal parameter of elliptical texture is elliptical long axis radius 0.25 mm. The ratio of long axis to short axis is 1.4, and the number of elliptical circles is two laps. The distance between the microtexture and the cutting edge of the main and secondary cutting edge is 0.25 mm and 0.30 mm, respectively.The cross section of the microtexture groove is triangular, and the groove depth is 0.10 mm, and the width is 0.08 mm.

Through the comparison between the simulation experiment and the common turning tool, it is found that the machining microtexture on the tool will increase the maximum equivalent Mises stress, but the increase is not great, and its value is far from the yield strength. On the whole, it has little effect on the tool strength, but the microtexture has a good performance in reducing the cutting edge stress, and the stress concentration at the tool tip arc is particularly obvious.

Keywords : Surface micro－structure Finite element simulation Turning tool Elliptical texture Optimization parameter

目录

第一章 绪论 1

1.1课题背景 1

1.2微织构刀具研究综述 1

1.2.1 微织构形式 2

1.2.2 相关技术的国内外研究现状 3

1.2.3 微织构设计 3

1.3有限元仿真概述 4

1.3.1 有限元分析思路 5

1.3.2 有限元仿真软件 5

1.3.3 ANSYS Workbench概述 5

1.4 本章小结 6

第二章 基于ANSYS Workbench的基本仿真过程 7

2.1引言 7

2.2新建分析项目 7

2.3 建立基本模型 8

2.3.1材料模型 8

2.3.2几何模型 9

2.4载荷和边界条件 10

2.5 有限元网格 12

2.5.1 网格划分形式 12

2.5.2 网格质量检查 13

2.6 本章小结 14

第三章 微织构的优化设计 15

3.1椭圆长短轴比例对应力的影响 16

3.2椭圆织构半径大小对应力的影响 17

3.3织构的截面形状选择 18

3.4微织构圈数对刀具应力的影响 19

3.5刀具微织构与主、副切削刃相对位置的确定 20

3.5.1微织构距主切削刃距离的L1对刀具应力的影响 20

3.5.2微织构距副切削刃的距离L2对刀具应力的影响 21

3.6微织构沟槽参数的确定 22

3.6.1微织构沟槽宽度对刀具应力的影响 22

3.6.2微织构沟槽深度对刀具应力的影响 22

3.7本章小结 24

第四章 总结与展望 25

4.1 全文总结 25

4.2工作展望 25

参考文献 27

致 谢 28

第一章 绪论

1.1课题背景

近年来，机械制造业发展迅速，但也对机械加工提出了更高的要求——高效、节能、绿色环保。在传统的切削加工中，为了减轻刀具磨损、降低切削温度、改善加工表面质量，大量使用切削液，但存在的问题的是切削液不易回收和处理，而其中的有害物质也会对环境和人体造成危害^[1]。因此无切削液的金属加工(干切削)在减少环境污染和降低生产成本方面的积极作用越来越受到人们的重视。

而干切削对刀具有着较高的要求，在干切削过程中，切屑与刀具之间的摩擦力和粘附性往往比较高，从而导致温度升高，磨损率变高，以至缩短刀具的寿命^[2]。而发展更适合干式切削的刀具已成为一条可行的出路，许多研究表明，在刀-屑接触面上加入纹理而形成的微织刀具具有良好的润滑和减摩性能。研究表明，微织构可以在刀具的前刀面或者后刀面上进行加工，其能有效降低切屑接触表面的摩擦系数，减少摩擦力，降低切削温度、抵抗刀面的粘连和耐磨性等。

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