摘 要

剪切角是研究切削的重要参数，对切削力、刀屑接触长度以及切屑变形程度、接触面应力分布等因素有重要影响。本文通过Deform软件对铝合金Al-6061在不同切削速度、前角以及进给量的条件下的切削加工进行了仿真，通过应变速率分布图形得出了稳定状态的剪切角值。对所得数据进行剪切角经验公式的拟合，并通过粒子群算法优化了拟合参数。对Al-6061以及低碳钢AISI1020进行了不同前角条件下的二维切削仿真，并研究了前角与剪切角、摩擦角之间的关系。所得经验公式以及仿真参数对切削研究具有重要参考意义。

研究成果：构建了可直观地观察不同变量对前角的影响的三维模型，并得到了具有参考价值的剪切角经验公式。将经验公式预测值与实验结果比较发现，两者具有较好的一致性。

研究特色：同时研究切削多个变量，对大前角以及低速条件下的切削研究进行了补充。

关键词：切削；剪切角；有限元仿真；粒子群算法（PSO）

Abstract

Shear angle is an important parameter in cutting, which has important influence on cutting force, contact length of chip, deformation degree of chip and stress distribution of contact surface.In this paper, the cutting process of aluminum alloy Al-6061 under different cutting speed, rake angle and feed condition is simulated by Deform software. The steady state shear angle values are obtained by strain rate distribution patterns. The empirical formula of shear angle is fitted to the data, and the fitting parameters are optimized by particle swarm optimization. 2D cutting simulation of Al-6061 and low carbon steel AISI1020 under different rake angles was carried out, and the relationship between the rake angle and the shear angle and friction angle was studied. The empirical formula and simulation parameters have important reference significance for cutting research.

Research results: a three-dimensional model which can directly observe the influence of different variables on the rake angle is constructed, and an empirical formula of shear angle with reference value is obtained. Comparing the predicted values of empirical formula with the experimental results, it is found that the two methods have good consistency.

Research features: study multiple variables at the same time. The research on cutting under large rake angle and low speed condition is supplemented.

Key Words: Cutting；Shearing Angle；Finite Element Simulation；Particle Swarm Optimization (PSO)

目 录

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2国内外研究现状 1

1.3 论文研究意义 2

1.4 研究内容和技术路线 3

1.4.1 研究内容 3

1.4.2 技术路线 3

1.5 本章小结 4

第二章 切削建模方法 5

2.1 建模涉及知识 5

2.1.1 材料的力学性质 5

2.1.2 刀具的磨损模型 6

2.1.3 最小能耗原理与非自由切削 8

2.1.4 滑移线场 8

2.1.5 剪切角模型预报 9

2.2有限元分析 11

2.3 正交实验法 11

2.4 智能优化算法 12

2.4.1 粒子群算法 12

2.4.2 其它智能算法 13

2.5 本章小结 14

第三章 仿真处理 15

3.1 Deform软件介绍 15

3.1.1 Deform工作原理 15

3.1.2 网格划分 15

3.2 仿真材料及刀具选取 16

3.3 本章小结 17

第四章 多变量仿真建模 18

4.1 正交实验法仿真参数设定及结果 18

4.2 经验公式拟合 19

4.2.1 调用函数拟合 19

4.2.2 编写粒子群算法优化 20

4.3 剪切角变化规律研究 21

4.4 剪切角预报模型的验证 22

4.5 本章小结 23

第5章 控制单一变量有限元仿真 24

5.1 仿真参数的设定 24

5.2摩擦角变化规律研究 25

5.3剪切角变化规律研究 29

5.4对拟合曲线的分析与改进 32

5.5 比较验证 34

5.6 本章小结 34

第六章 结论与展望 35

6.1 结论 35

6.2 展望 35

参考文献 37

附录A 39

致谢 40

第一章 绪论

1.1 研究背景

机械加工在国民经济中占有极高的比重，仅美国每年机械加工所耗成本就有2500亿美元^[1]，而在机械加工中，传统切削仍是最主要的机械加工方式，据估计，切削加工约占总机械加工强度的30~40%。如今社会资源日益匮乏，环境问题严峻紧迫，产业需要更为先进的技术进行升级，对切削工艺要求降低能耗、减少污染、提高生产质量与效率，而实现这些都离不开切削的理论指导^[2]。

作为一种用途广泛的基本加工方法，对金属切削的原理研究已有很长的历史，切削模型也经历了从简单到复杂的发展，直到如今，对切削更深入的研究已使得切削这一传统课题发展出多门学科交叉的研究方法，运用非线性空间几何学方法描述切削位置关系；通过晶体构造以及动态力学等方面的知识建立材料本构模型；计算机性能的提升以及网格收敛求解的方法优化也使得有限元分析技术在各领域应用更加广泛，切削的有限元分析也因此更加准确可靠，计算机仿真研究切削过程对减少实验所需时间、成本，准确得出各参数值做出了重大贡献；智能算法能够很好地解决各种复杂的寻优问题，在切削建模领域也逐渐得到了广泛应用。对切削的研究越来越多地交叉应用到各门学科的知识，这也加速了切削建模的发展。