片管成形切削的有限元仿真畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū).doc

I 片管成形切削的有限元仿真 摘要 本文以強(qiáng)化傳熱中常用的傳統(tǒng)二維亞結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ) 提出了一種新型的熱功 能表面結(jié)構(gòu) 鋸齒狀結(jié)構(gòu) 鋸齒狀翅片能進(jìn)一步增大比表面積 同時(shí)通過(guò)誘 發(fā) 附面層湍流實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化傳熱 通過(guò)鋸齒狀翅片的成形機(jī)理分析 發(fā)現(xiàn)鋸齒狀翅片的成形經(jīng)歷了犁切 擠 壓 成翅和裂解四個(gè)階段 在犁削 擠壓過(guò)程中 這四個(gè)階段同時(shí)進(jìn)行 在犁 切進(jìn)行的同時(shí) 發(fā)生翅片的擠壓 成翅和裂解 通過(guò)對(duì)翅片頂端裂解機(jī)理分析 發(fā)現(xiàn)翅片裂解的根本原因在于剪切變形 其裂解過(guò)程經(jīng)歷了剪切斷裂 滑移微裂和周期成翅三個(gè)階段 研究了影響翅片成形的因素 了解了擠壓角 擠壓傾角 后角 刃寬和犁 削 擠壓深度 犁削 擠壓速度對(duì)一次翅成形 裂解結(jié)構(gòu)的成形的影響規(guī)律 并得到了這些參數(shù)的最佳范圍 運(yùn)用塑性力學(xué)理論分析了犁削 擠壓加工過(guò)程中的材料變形 利用有限元 軟件 deform 3D 建立了有限元模型 利用該模型模擬了犁削 擠壓加工過(guò)程 實(shí)現(xiàn)了犁削 擠壓過(guò)程的動(dòng)態(tài)仿真 模擬了各刀具參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)平均翅高 的影響規(guī)律 模擬了犁削 擠壓力和應(yīng)力場(chǎng)分布 為優(yōu)化刀具結(jié)構(gòu)提供了依據(jù) 最后對(duì)本文的研究結(jié)果和研究結(jié)論進(jìn)行了總結(jié) 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞 鋸齒狀翅片 犁削 擠壓加工 有限元 剛塑性 目 錄 1 Cutting tubeCutting tube formingforming thethe FEMFEM Li Min Chongqing Technology and Business University mechanical design and manufacturing and automation professional 04 car classes Abstract Abstract Based on traditional 2D substructure in heat strengthening a new heat function surface structure denticular structure is put forward The denticular structure fin can further augment specific area meanwhile it can induce turbulent flow and realize strengthened heat transmission The analysis of denticular fin s forming theory help us better understand 4 steps of the fin s formation and they are ploughing extrusion fin s formation and cracking furthermore those four steps happens simultaneously Analyzing the cracking theory on fins top the paper attributes the basic cause of cracking to shear deformation and cracking process consists of 3 steps they are shearing breakage slipping crack and periodically generating fins Through the experiments the paper studies how extrusion angle extrusion obliquity angle clearance angle cutter s width plowing extrusion depth and plowing extrusion speed affect the formation of primary fin and cracking structure The optimum ranges of the above parameters are obtained Based on DEFORM 3D the FEM model for plowing extrusion process is set up which aids in simulating dynamic process of material s deformation also the effects that processing parameters and cutter s parameters have on fin s mean height are simulated And also the distributions of stress and strain field have been simulated which is advantageous for cutter s optimization At last the author draws conclusions on the research result KeywordsKeywords denticular fin plowing extrusion FE rigid plastic 目 錄 2 目目 錄錄 1 1 緒緒 論論 5 1 11 1 本課題的研究背景本課題的研究背景 5 1 1 1 微電子等領(lǐng)域突出的散熱問(wèn)題 5 1 1 2 表面熱功能結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì) 6 1 1 3 片管定義 7 1 21 2 表面表面結(jié)結(jié)構(gòu)及其加工方法的研究現(xiàn)狀構(gòu)及其加工方法的研究現(xiàn)狀 8 1 31 3 鋸齒狀翅片的強(qiáng)化傳熱特性鋸齒狀翅片的強(qiáng)化傳熱特性 11 1 41 4 犁削 擠壓加工工藝與一般切削加工的聯(lián)系與區(qū)別犁削 擠壓加工工藝與一般切削加工的聯(lián)系與區(qū)別 11 1 51 5 課題研究目的及研究?jī)?nèi)容課題研究目的及研究?jī)?nèi)容 12 2 2 鋸齒狀翅片成形機(jī)理分析 鋸齒狀翅片成形機(jī)理分析 13 2 12 1 鋸齒狀翅片犁削鋸齒狀翅片犁削 擠壓試驗(yàn)研究擠壓試驗(yàn)研究 13 2 22 2 成形機(jī)理分析成形機(jī)理分析 16 2 2 1 鋸齒狀翅片分析 16 2 2 2 鋸齒狀翅片的成形過(guò)程 16 2 2 3 鋸齒狀翅片頂端裂解的過(guò)程 18 2 32 3 影響鋸齒狀翅片成形的因素影響鋸齒狀翅片成形的因素 18 2 3 1 一次翅高的影響因素 18 2 3 2 裂解結(jié)構(gòu)高度的影響因素 21 2 42 4 本章小結(jié)本章小結(jié) 26 3 3 犁削 犁削 擠壓加工的有限元分析及建模擠壓加工的有限元分析及建模 27 3 13 1 概述概述 27 3 1 1 有限元技術(shù)簡(jiǎn)介 27 3 1 2 金屬加工有限元模擬的研究現(xiàn)狀 29 3 1 3 Deform 3D 簡(jiǎn)介 29 目 錄 3 3 23 2 剛粘塑性有限元基本原理剛粘塑性有限元基本原理 30 3 2 1 金屬塑性變形過(guò)程的力學(xué)基礎(chǔ) 30 3 2 2 熱傳導(dǎo)基本理論 32 3 33 3 有限元建模有限元建模 33 3 3 1 幾何模型建立及網(wǎng)格劃分 33 3 3 2 材料屬性定義 35 3 3 3 翅片分離和斷裂準(zhǔn)則 38 3 3 4 邊界條件的確定 38 3 3 5 模擬控制條件的設(shè)置 41 3 43 4 本章小結(jié)本章小結(jié) 42 4 4 模擬和試驗(yàn)結(jié)果分析 模擬和試驗(yàn)結(jié)果分析 44 4 14 1 犁削犁削 擠壓加工工藝過(guò)程模擬擠壓加工工藝過(guò)程模擬 44 4 4 2 2 平均翅高的影響因素平均翅高的影響因素 46 4 4 3 3 模擬仿真結(jié)果分析模擬仿真結(jié)果分析 49 4 44 4 加工過(guò)程中的等效應(yīng)力分布加工過(guò)程中的等效應(yīng)力分布 51 4 54 5 加工過(guò)程中的等效應(yīng)變分布加工過(guò)程中的等效應(yīng)變分布 52 4 64 6 本章小結(jié)本章小結(jié) 53 結(jié)結(jié) 論論 54 致致 謝謝 55 參考參考文文獻(xiàn)獻(xiàn) 56 片管成形切削的有限元仿真 4 1 緒緒 論論 1 1 本課題的研究背景 1 1 1 微電子等領(lǐng)域突出的散熱問(wèn)題 在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域 有很多專(zhuān)門(mén)用途的設(shè)備 它們的工作性能和工作效率取決于關(guān) 鍵零件的結(jié)構(gòu)和性能 如空氣冷卻器 熱交換器的散熱管 激光器熱輻射表面 環(huán)保 設(shè)備的過(guò)濾表面 螺紋表面等等 我們把這類(lèi)起特定作用的表面統(tǒng)稱(chēng)為 功能表面 這些表面大多數(shù)采用組裝式結(jié)構(gòu) 套裝 鑲嵌 釬焊 高頻焊 切削 滾壓等方法 加工 早在 19 世紀(jì)中期 Jone 就提出在管內(nèi)插入螺旋線以強(qiáng)化蒸汽的冷凝過(guò)程 從此 人們就開(kāi)始了在傳熱管等傳熱材料上進(jìn)行翅加工技術(shù)的研究 70 年代出現(xiàn)能源危機(jī) 研究翅化管的加工技術(shù)及其強(qiáng)化傳熱機(jī)理有了進(jìn)一步的發(fā)展 隨著加工制造技術(shù)的不 斷進(jìn)步 近 20 年來(lái)對(duì)強(qiáng)化換熱元件的研究在化工 能源 制冷 航空 電子等工業(yè)部 門(mén)有了很大的進(jìn)展 各式各樣的強(qiáng)化換熱元件層出不窮 為提高傳熱效率作出了重要 的貢獻(xiàn) 但是隨著微電子及化工等領(lǐng)域 尤其是微電子領(lǐng)域?qū)Ξa(chǎn)品性能的無(wú)限追求 芯片 集成度不斷提高 帶來(lái)致命的高熱流密度 電子器件的冷卻問(wèn)題越來(lái)越突出 英特爾 公司負(fù)責(zé)芯片設(shè)計(jì)的首席執(zhí)行官帕特 蓋爾欣格指出 如果芯片耗能和散熱的問(wèn)題得不 到解決 到 2005 年芯片上集成了 2 億個(gè)晶體管時(shí) 就會(huì)熱得象 核反應(yīng)堆 2010 年 時(shí)會(huì)達(dá)到火箭發(fā)射時(shí)高溫氣體噴射的水平 而到 2015 年就會(huì)與太陽(yáng)的表面一樣熱 目 前芯片發(fā)熱區(qū)域 上的功耗已超過(guò) 105W 且未來(lái)有快速增加的趨勢(shì) 芯 cmcm5 15 1 片產(chǎn)生的這些熱量如果不能及時(shí)散出 將使芯片溫度升高而影響到電子器件的壽命及 工作的可靠性 因而電子器件的有效散熱方式已成為獲得新一代電子產(chǎn)品的關(guān)鍵科學(xué) 問(wèn)題之一 為了改善計(jì)算機(jī)元件的工作環(huán)境 保證計(jì)算機(jī)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)穩(wěn)定的工作及其延長(zhǎng)其 使用壽命 有效防止 CPU 芯片內(nèi)部由于熱量過(guò)多聚積而過(guò)熱 其基本手段仍是在芯片 表面貼附具有高導(dǎo)熱系數(shù)和高熱容量的金屬散熱器 將 CPU 內(nèi)部產(chǎn)生的熱量以熱傳導(dǎo) 的方式引出到散熱器翅片上 再借翅片與其周?chē)諝獾膶?duì)流作用將熱量傳入氣流中帶 走 可見(jiàn) 從材料導(dǎo)熱性能 表面積大小和結(jié)構(gòu)形狀 外部對(duì)流換熱的組織方式和強(qiáng) 度等方面提高散熱結(jié)構(gòu)的效能是切實(shí)可行的 在材料確定的情況下 合理的散熱功能 結(jié)構(gòu)不僅在于增加比表面積和誘發(fā)湍流增加湍流摻混 更重要的是組織合理的對(duì)流形 式 多尺度條件下主要是宏觀結(jié)構(gòu)起作用 原來(lái)傳統(tǒng)的單一尺度與簡(jiǎn)單形狀的表面 熱功能宏觀結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足目前高熱流密度散熱要求 嚴(yán)重制約了高集成度芯片等 產(chǎn)品性能的進(jìn)一步提高 急需探索新的熱功能表面結(jié)構(gòu)以適應(yīng)當(dāng)前形勢(shì) 片管成形切削的有限元仿真 5 1 1 2 表面熱功能結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì) 微電子產(chǎn)品換熱器件表面熱功能結(jié)構(gòu)按尺度來(lái)分 可分為表面宏觀結(jié)構(gòu) 表面亞 結(jié)構(gòu)和表面微結(jié)構(gòu) 表 1 1 列出了各種結(jié)構(gòu)的尺寸范圍以及作用 三種功能結(jié)構(gòu)的尺 度范圍相互銜接 形成了尺度跨度達(dá)到三個(gè)數(shù)量級(jí)的復(fù)雜換熱結(jié)構(gòu) 表 1 1 各種結(jié)構(gòu)尺寸和作用 Table 1 1 Size and action of the different structure 結(jié)構(gòu)分類(lèi)尺度范圍 mm 作用 宏觀結(jié)構(gòu)1 0 以上增大比表面積和組織換熱氣流的宏觀流 動(dòng) 亞結(jié)構(gòu)0 1 1 0進(jìn)一步增大比表面積 同時(shí)通過(guò)誘發(fā)附 面層湍流實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化傳熱 微結(jié)構(gòu)0 1 0 03這一尺度的結(jié)構(gòu)對(duì)氣液相變傳熱具有顯 著的強(qiáng)化作用 但對(duì)于空氣強(qiáng)制對(duì)流換 熱是否也具有同樣的效果 尚有待進(jìn)一 步的研究 目前高熱流密度芯片采用的表面熱功能結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出從傳統(tǒng)光滑表面或簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)表 面向多尺度多維亞結(jié)構(gòu)及微結(jié)構(gòu)發(fā)展的趨勢(shì) 但對(duì)滿足這種特定環(huán)境要求的多尺度多 維熱功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造的系統(tǒng)科學(xué)的理論及應(yīng)用技術(shù)的研究還很不充分 系統(tǒng)科學(xué) 地解決滿足高熱流密度散熱要求的機(jī)電器件表面功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其制造等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn) 題 必將對(duì)我國(guó)微電子制造等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的持續(xù) 穩(wěn)步發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響 本課題提出的鋸齒狀翅片是具有宏觀結(jié)構(gòu) 亞結(jié)構(gòu)乃至微觀結(jié)構(gòu)復(fù)合的多維復(fù)雜 翅結(jié)構(gòu)表面 通過(guò)在工件表面加工出各種幾何形狀的三維翅結(jié)構(gòu) 利用翅結(jié)構(gòu)的誘導(dǎo) 互擾作用 形成特定范圍表層湍流 促使氣液充分混合 達(dá)到提高傳熱效率的目的 從而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化對(duì)流傳熱 1 1 3 片管定義 片管又叫翅片管 Finned Tube 顧名思義 是管子表面帶有翅片的傳熱管 翅 片管又叫鰭片管 也稱(chēng)肋片管 由于管子表面上增加了翅片或鰭片 使原有的傳熱面 積得到了擴(kuò)展 故翅片管又稱(chēng)謂帶擴(kuò)展表面的傳熱管 而翅片本身又可稱(chēng)謂擴(kuò)展表面 片管成形切削的有限元仿真 6 翅片管的典型結(jié)構(gòu)如圖 1 所示 圖 1 中 1 為圓管 又稱(chēng)基管或光管 2 為翅 片 翅片管的種類(lèi)很多 而且還在不斷涌現(xiàn)新的品種 大體上可按下述幾個(gè)方面進(jìn)行分類(lèi) 按加工工藝分類(lèi) 1 串片管 套片管 2 張力纏繞翅片管 3 鑲片管 4 整體軋 制翅片管 5 鑄造翅片管 6 焊接翅片管 其中又分 高頻焊翅片管 埋 弧焊翅片管 等 按翅片形狀分類(lèi) 1 方形 矩形 圓形翅片管 2 螺旋形翅片管 3 波紋形翅片管 4 鋸 齒形翅片管 5 針狀翅片管 6 縱向翅片管 7 整體板狀翅片管 板 翅 等 按材質(zhì)分類(lèi) 1 銅 Al Cu Al 翅片管 2 碳鋼 不銹鋼 碳鋼 不銹鋼 翅片管 3 鑄 鐵 鑄鋼 翅片管 等 按用途分類(lèi) 1 空調(diào)用翅片管 2 空冷用翅片管 3 鍋爐 水冷壁 省煤器 空預(yù)器分 別使用的翅片管 4 各種窯爐 工業(yè)爐余熱回收用翅片管 5 其他特種用途翅片管 等 而本課題要研究的就是特殊用途的同治鋸齒形翅片管 片管成形切削的有限元仿真 7 1 2 表面結(jié)構(gòu)及其加工方法的研究現(xiàn)狀 目前對(duì)表面熱功能結(jié)構(gòu)的研究在向亞結(jié)構(gòu)和微結(jié)構(gòu)領(lǐng)域擴(kuò)展 對(duì)微型換熱器的研 究也正在興起 根據(jù)檢索的文獻(xiàn)來(lái)看 關(guān)于表面熱功能結(jié)構(gòu)的研究主要側(cè)重于簡(jiǎn)單表 面宏觀結(jié)構(gòu)的傳熱分析和設(shè)計(jì) 例如 Vierendeels 等對(duì)大溫差矩形腔體中自然對(duì)流傳 熱問(wèn)題作了二維數(shù)值分析研究 Ali 等用二維模型研究了兩平行平板間強(qiáng)制對(duì)流傳熱問(wèn) 題 研究表明在兩平行平板間布置偏置平板 間斷板 有利于提高對(duì)流散熱效果 并 對(duì)若干偏置板的布局進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì) Nonino 和 Comini 研究了有肋片的矩形散熱通道 的三維強(qiáng)制對(duì)流傳熱問(wèn)題 用有限元法對(duì)散熱通道中不同角度布置的肋片對(duì)旋渦形成 的影響作了系統(tǒng)的分析和數(shù)值研究 研究人員已經(jīng)認(rèn)識(shí)到散熱表面上若干光滑矩形翅 片的排列方向 間距 分布密度及翅片的高度都影響散熱效果 并開(kāi)始嘗試對(duì)這些幾 何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì) 目前 帶有柱狀翅片的散熱結(jié)構(gòu)是解決緊湊散熱空間中高熱流 密度問(wèn)題的一種新的途徑 上述工作主要針對(duì)簡(jiǎn)單表面宏觀結(jié)構(gòu) 也有文獻(xiàn)將宏觀結(jié)構(gòu)或亞結(jié)構(gòu)稱(chēng)為翅片或 肋片 進(jìn)行了理論分析與設(shè)計(jì) 但還不足以解決量級(jí)的高熱流密度問(wèn)題 此 6 10 2 mW 類(lèi)問(wèn)題不僅需要根據(jù)具體散熱環(huán)境的要求 結(jié)合外部對(duì)流形式 設(shè)計(jì)熱功能表面的宏 觀結(jié)構(gòu) 還要進(jìn)一步采用表面亞結(jié)構(gòu)甚至微結(jié)構(gòu)來(lái)強(qiáng)化傳熱 同時(shí)按熱功能需求設(shè)計(jì) 宏觀結(jié)構(gòu) 亞結(jié)構(gòu)乃至微結(jié)構(gòu)形狀和幾何參數(shù) 佐治亞理工學(xué)院等在表面宏觀結(jié)構(gòu)和 亞結(jié)構(gòu) 疊加在宏觀結(jié)構(gòu)表面 方面做了許多有益的工作 國(guó)內(nèi)在宏觀結(jié)構(gòu)表面的亞結(jié)構(gòu)和微結(jié)構(gòu)機(jī)械加工生成機(jī)理與關(guān)鍵技術(shù)方面也進(jìn)行 了研究 針對(duì)具有亞結(jié)構(gòu)和微結(jié)構(gòu)的翅片 研究提出了一些加工方法 現(xiàn)歸納概述如 下 1 二維翅片結(jié)構(gòu) 二維翅片結(jié)構(gòu)是在原材料表面生成連續(xù)的亞結(jié)構(gòu)翅片 其加工方法主要有兩種 擠壓 犁削法和劈切 擠壓法 這兩種方法本質(zhì)上都是擠壓和無(wú)屑切削的復(fù)合加工方 法 從刀具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)看 它們與普通外螺紋車(chē)削并無(wú)差異 但它們使用的 是專(zhuān)用刀具 如圖 1 1 該刀具的 前刀面 由兩個(gè)曲面構(gòu)成 其橫截面是一個(gè)尖劈 處在進(jìn)給方向那邊的曲面對(duì)金屬進(jìn)行擠壓 使金屬產(chǎn)生塑性變形而形成凸起的金屬 鼓包 工件轉(zhuǎn)過(guò)一圈后 刀具的尖劈刃對(duì)上一圈形成的鼓包進(jìn)行犁削 把鼓包一 分為二 就像輪船的流線型船頭把水分開(kāi)一樣 其工作原理如圖 1 2 所示 刀具作旋 轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 坯料管作平行直線運(yùn)動(dòng)或者刀具作直線平行移動(dòng) 坯料管作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 刀具 將管表面金屬劈切開(kāi)后 隨著擠壓量的增加 金屬沿徑向和軸向流動(dòng) 通過(guò)徑向和軸 向擠壓使金屬塑性變形形成翅片 這些工藝通過(guò)擠壓產(chǎn)生塑性變形以無(wú)屑加工方式形 成外翅片 所形成的外翅片高度遠(yuǎn)大于吃刀深度 且具有較高的加工效率 2 三維翅片結(jié)構(gòu) 片管成形切削的有限元仿真 8 三維翅片結(jié)構(gòu)與二維結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別在于三維結(jié)構(gòu)是單翅 不連續(xù)的 主要采用 滾壓翅成形 滾壓翅成形是一種塑性加工方式 其加工過(guò)程分兩個(gè)步驟 首先用滾刀 對(duì)工件進(jìn)行一次滾壓 在材料表面形成端面如鋸齒狀或梯形的連續(xù)翅片 如圖 1 3 所 示的二維翅結(jié)構(gòu) 然后把工件旋轉(zhuǎn) 90 角再滾壓一次 形成如圖 1 4 所示的三維結(jié)構(gòu) 圖 1 1 二維翅片加工的刀具示意圖 圖 1 2 二維翅片加工模型 片管成形切削的有限元仿真 9 圖 1 3 一次滾壓翅 圖 1 4 滾壓翅形狀 滾壓翅成形加工時(shí)材料變形太大 得到形狀比較理想的翅片比較困難 且滾壓翅 成形的滾壓速度低 加工效率低下 此外 由于加工時(shí)易產(chǎn)生加工硬化 金屬塑性流 動(dòng)性變差等 二次滾壓時(shí)的難度增大 而且滾壓力大 成翅困難 另外 還出現(xiàn)了一種正犁削點(diǎn)翅成形加工方法 它是利用刀具的往復(fù)運(yùn)動(dòng) 像鋤 土一樣 在材料表面 鋤 出高于原材料表面的點(diǎn)翅 其加工是間歇性的非連續(xù)過(guò)程 圖 1 5 為點(diǎn)翅外觀形狀 圖 1 5 點(diǎn)翅外觀形狀 正犁削點(diǎn)翅成形的成翅質(zhì)量較高 能得到 點(diǎn)翅 狀翅結(jié)構(gòu) 而且操作簡(jiǎn)單 容 易實(shí)現(xiàn) 是一種可行的加工方法 但是正犁削點(diǎn)翅成形 其加工是間歇性的非連續(xù)過(guò) 片管成形切削的有限元仿真 10 程 生產(chǎn)效率不高 并且 點(diǎn)翅 狀翅結(jié)構(gòu)的翅高及表面結(jié)構(gòu) 如比表面積 也還不 理想 本課題提出的鋸齒狀翅片是包括二維和三維結(jié)構(gòu)的復(fù)合翅片結(jié)構(gòu) 在二維連續(xù)翅結(jié) 構(gòu)上疊加具有不連續(xù)特征的三維微觀翅結(jié)構(gòu) 以期進(jìn)一步強(qiáng)化表面?zhèn)鳠峁δ?而且利 用犁削 擠壓工藝一次成形 具有加工簡(jiǎn)單 效率高等特點(diǎn) 1 3 鋸齒狀翅片的強(qiáng)化傳熱特性 鋸齒狀翅結(jié)構(gòu)是具有宏觀結(jié)構(gòu) 亞結(jié)構(gòu)乃至微觀結(jié)構(gòu)的多維復(fù)雜翅結(jié)構(gòu) 其表面 的宏觀結(jié)構(gòu)和亞結(jié)構(gòu) 增大了比表面積 其強(qiáng)化傳熱效果是很明顯的 對(duì)于微觀結(jié)構(gòu) 這一尺度的結(jié)構(gòu)對(duì)氣液相變傳熱具有顯著的強(qiáng)化作用 通過(guò)在翅結(jié)構(gòu)上生成這一微尺 寸 加大了翅結(jié)構(gòu)的表面粗糙度 有利于增強(qiáng)材料表面的潤(rùn)濕性 從而提高部件的傳 熱效率 但對(duì)于空氣強(qiáng)制對(duì)流換熱是否也具有同樣的效果 尚有待進(jìn)一步的研究 零 件表面糙化處理可提高其潤(rùn)濕性能 因此利用犁削 擠壓加工在材料表面形成具有糙 化特征的裂解翅結(jié)構(gòu) 可使零件的傳熱效率得到提高 1 4 犁削 擠壓加工工藝與一般切削加工的聯(lián)系與區(qū)別 就工件與刀具的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō) 犁削 擠壓與傳統(tǒng)刨削加工并無(wú)差異 但傳統(tǒng)刨 削加工用的是刨刀 而犁削 擠壓工藝用的是專(zhuān)用刀具 如圖 1 6 由于刀具形狀差 異 兩種工藝的被加工表面成形機(jī)理存在著差異 刨削是通過(guò)切削方式切去多余的金 屬形成所需的表面 而犁削 擠壓是通過(guò)擠壓產(chǎn)生塑性變形 以無(wú)屑加工方式形成翅 片 所產(chǎn)生的翅片高度遠(yuǎn)大于吃刀深度 但就其變形本質(zhì)來(lái)說(shuō) 仍然屬于金屬切削加 工 產(chǎn)生的翅片仍屬于切屑范疇 只不過(guò)翅片不離開(kāi)工件基體而已 片管成形切削的有限元仿真 11 圖 1 6 犁削 擠壓加工刀具示意圖 1 5 課題研究目的及研究?jī)?nèi)容 本課題就是在純銅材料表面探索和研究鋸齒狀翅結(jié)構(gòu)的加工方法 研究翅片成形 的機(jī)理并分析影響翅成形的因素 以便為生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效的表面功能結(jié)構(gòu)提供技術(shù)參考 和理論依據(jù) 同時(shí)分析犁削 擠壓加工過(guò)程材料的塑性變形 利用有限元方法 建立 有限元模型 本課題的研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面 1 在普通機(jī)床上利用犁削 擠壓工藝加工鋸齒狀翅結(jié)構(gòu) 分析鋸齒狀翅片成形機(jī) 理 探索影響翅結(jié)構(gòu)成形的因素 分析這些因素對(duì)翅結(jié)構(gòu)的作用規(guī)律 研究有利于成 翅的加工用量和刀具參數(shù)的最佳范圍 2 在分析被加工材料塑性力學(xué)基礎(chǔ)上 利用有限元分析軟件 Deform3D 建立有 限元模型 通過(guò)刀具運(yùn)動(dòng)模擬犁削 擠壓過(guò)程 并對(duì)模型進(jìn)行模擬計(jì)算 完成對(duì)犁削 擠壓過(guò)程的動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬 3 應(yīng)用該軟件的后處理器提取計(jì)算結(jié)果 對(duì)犁削 擠壓過(guò)程中的翅片平均高度與 各刀具參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行模擬 分析加工過(guò)程中犁削 擠壓力的變化過(guò) 程 從理論角度分析加工過(guò)程中材料的應(yīng)力和應(yīng)變 2 鋸齒狀翅片成形機(jī)理分析 鋸齒狀翅片成形機(jī)理分析 表面熱功能結(jié)構(gòu)通過(guò)增加比表面積 加強(qiáng)湍流以及增強(qiáng)表面潤(rùn)濕性能來(lái)改善表面 結(jié)構(gòu)的傳質(zhì)傳熱性能 然而 這三個(gè)方面都跟表面結(jié)構(gòu)的高度有著緊密的聯(lián)系 為此 本章將采用犁削 擠壓機(jī)械加工方法在銅表面進(jìn)行翅成形試驗(yàn) 分析鋸齒狀翅片成形 機(jī)理 以及影響翅結(jié)構(gòu)高度的因素 對(duì)翅結(jié)構(gòu)的生成控制 刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及有限元 的模擬都有著重要的意義 片管成形切削的有限元仿真 12 2 1 鋸齒狀翅片犁削 擠壓試驗(yàn)研究 試驗(yàn)在普通刨床上進(jìn)行 刨床型號(hào)為 B6050B 刀具材料為高速鋼 W18Cr4V 工件 材料為純銅板 加工過(guò)程中 材料固定裝夾于工作臺(tái)上 刀具作直線運(yùn)動(dòng) 在材料表 面犁切 擠壓起突出的翅片 刀具設(shè)計(jì) 為保證加工過(guò)程能夠連續(xù)進(jìn)行 加工刀具的刃寬不可過(guò)大 通常取 1 2 mm 且需刃磨得較為鋒利 刃寬過(guò)大 在加工過(guò)程中部分金屬材料容易脫離基體 若過(guò)小 則刀具容易斷裂 且因?yàn)楸粩D起的金屬太小 難以成翅 另外在加工過(guò)程中 盡量少屑或者無(wú)屑 這就要求頂刃特別鋒利 犁削 擠壓加工所用刀具主要參數(shù)包括 擠壓角 擠壓傾角 后角和刃寬 刀具刀尖結(jié)構(gòu)示意如圖 2 2 所示 圖 2 1 加工刀具刀尖示意圖 為了確定各刀具參數(shù) 按以下方法設(shè)定坐標(biāo)系 以刀尖為原點(diǎn) O 犁削 擠壓速 度方向?yàn)?Y 方向 過(guò)原點(diǎn)垂直于水平面的方向?yàn)?Z 方向 過(guò)原點(diǎn)垂直于 YOZ 面方向?yàn)?X 方向 在此坐標(biāo)系下定義刀具各角度參數(shù) 并設(shè)定刀具角度參數(shù)均為銳角 如圖 2 2 所示 擠壓面與 YOZ 面的夾角 在 XOZ 面的投影為擠壓傾角 擠壓面與 YOZ 面的夾 角 在 XOY 上的投影為擠壓角 后刀面與 XOY 面的夾角 在 YOZ 面上的投影為刀具 后角 本試驗(yàn)選擇的刀具是兩邊對(duì)稱(chēng) 兩擠壓面之間距離的一半為刃寬 ba 刀具實(shí) 物見(jiàn)圖 2 3 顯而易見(jiàn) 刀具幾何參數(shù)的選擇是犁削 擠壓加工的關(guān)鍵 成形機(jī)理試驗(yàn) 擠壓面 后刀面 頂刃 片管成形切削的有限元仿真 13 各刀具參數(shù)和犁削 擠壓參數(shù)如下 擠壓角 25 擠壓傾角 2 后角 10 刃寬 0 8mm 速度 0 051mm s 深度 0 4mm 圖 2 2 刀具角度示意圖 圖 2 4 犁削 擠壓刀具 片管成形切削的有限元仿真 14 2 2 成形機(jī)理分析 2 2 1 鋸齒狀翅片分析 圖 2 4 翅片側(cè)面形貌 圖 2 4 是鋸齒狀翅片的側(cè)面形貌圖 可以看到 在原來(lái)光滑表面上生成了具有犁 削槽 一次翅和裂解結(jié)構(gòu)的復(fù)雜表面 本文把一次翅片高度定義為金屬基體表面與裂解翅底端之間的距離 如圖 2 4 所 示 用 h 表示 一次翅片高度是衡量翅片質(zhì)量的重要參數(shù) 翅片越高 比表面積越 大 越有利于傳熱 將裂解結(jié)構(gòu)高度 又稱(chēng)裂解翅高 定義為裂解結(jié)構(gòu)底部到裂解結(jié) 構(gòu)高度頂部的距離 如圖 2 4 所示 用 hc表示 同時(shí)定義鋸齒狀翅片的平均高度為 裂解翅高的一半與一次翅高之和 用 hj表示 因此 hj h hc 2 2 2 2 鋸齒狀翅片的成形過(guò)程 為了更好的說(shuō)明成形機(jī)理 建立與刀具相似的犁削 擠壓坐標(biāo)系 以犁削 擠壓速 度方向?yàn)樽鴺?biāo)系 y 軸 正方向跟速度方向一致 垂直于水平面且朝上為 z 軸正方向 與以上兩個(gè)軸所構(gòu)成的平面垂直的方向?yàn)?x 方向 鋸齒狀翅片犁削 擠壓成形是通過(guò)犁切 擠壓成形 摩擦撕裂成翅 使被加工工件 表層金屬經(jīng)過(guò)擠壓 犁切的一次變形直接轉(zhuǎn)變成與母體連成一體的 整體翅片 是 一種擠壓和無(wú)屑或微屑犁削的復(fù)合加工方法 其原理涉及到切削加工和金屬塑性加工 領(lǐng)域 從鋸齒狀翅片的生成過(guò)程來(lái)看 其加工過(guò)程可分為四個(gè)階段 1 犁切階段 片管成形切削的有限元仿真 15 當(dāng)?shù)毒唛_(kāi)始接觸到材料表面時(shí) 刀具頂刃逐步切入金屬基體內(nèi) 表面金屬被切開(kāi) 2 擠壓階段 當(dāng)表層金屬切開(kāi)后 擠壓面開(kāi)始對(duì)金屬進(jìn)行擠壓 隨著擠壓量的增加 刀具作用 于金屬表面的 x 向 y 向擠壓力漸增 導(dǎo)致金屬受到 x 向 y 向擠壓后流動(dòng)漸增 并處 于復(fù)雜的應(yīng)力 應(yīng)變狀態(tài)之下 產(chǎn)生劇烈而復(fù)雜的變形 3 層積成翅階段 在達(dá)到一定的擠壓量后 金屬在擠壓下經(jīng)過(guò)了充分的塑性流動(dòng)和變形 表層金屬 在兩側(cè)擠壓面 x 向擠壓下產(chǎn)生很大的塑性變形 金屬因擠壓而隆起形成翅片 在刀具 的不斷進(jìn)給過(guò)程中 已擠起金屬由于加工硬化的作用 對(duì)新擠起金屬來(lái)說(shuō)相當(dāng)于一封 閉邊界 使得新擠起金屬沿阻力小的 z 軸正方向流動(dòng) 最后二者互相擠壓疊合形成一 次翅片 4 裂解階段 隨著刀具對(duì)金屬的進(jìn)一步擠壓 金屬的變形越來(lái)越嚴(yán)重 加上加工硬化的影響 持續(xù)發(fā)生塑性變形的抗力越來(lái)越大 導(dǎo)致刀具擠壓面對(duì)接觸金屬的摩擦激增 由于翅 頂部位較薄 隨著刀具的前行 在摩擦力的作用下 該部位裂開(kāi)并且裂紋逐漸向翅根 部位延展 由于翅片是從翅頂?shù)匠岣饾u增厚 當(dāng)裂紋向翅根延伸至一定程度 摩擦 力難以撕裂翅片 裂解不能繼續(xù)進(jìn)行 翅片在刀具擠壓面滑移一段距離后 摩擦力重 新撕裂翅片頂部 此時(shí)在原來(lái)翅片的基礎(chǔ)上又形成了一個(gè)裂解翅 如此周而復(fù)始 可 由犁削 擠壓工藝一次加工出鋸齒狀翅結(jié)構(gòu)功能表面 通過(guò)圖 2 4 翅片側(cè)面的微觀形貌可以看到細(xì)小的加工痕跡 從而為分析其變形機(jī)理 提供依據(jù) 由于刀具犁切 擠壓作用 金屬表面形成犁切槽 加工過(guò)程中金屬發(fā)生塑 性變形 犁切槽中原來(lái)的金屬材料沿著刀具擠壓面發(fā)生塑性流動(dòng) 由最小阻力定律可 知 材料將向 z 軸正向流出 形成一次翅結(jié)構(gòu) 一次翅在流動(dòng)過(guò)程中 在刀具擠壓面 的摩擦力作用下裂開(kāi) 裂紋逐漸向翅片根部擴(kuò)張 形成裂解結(jié)構(gòu) 與工件原始表面相 比 由于在原始的平面結(jié)構(gòu)上加工出了復(fù)雜的槽 一次翅 裂解結(jié)構(gòu)組合形成多維翅 表面結(jié)構(gòu) 表面積大大增加 需要說(shuō)明的是 犁切 擠壓 成翅和裂解四個(gè)階段同時(shí)進(jìn)行 2 2 3 鋸齒狀翅片頂端裂解的過(guò)程 由于摩擦力的作用 翅片頂部撕裂 并往翅片中部擴(kuò)展 但翅片也逐漸增厚 變 形抗力增大 當(dāng)摩擦產(chǎn)生的作用力不足以繼續(xù)破壞翅片的時(shí)候 刀具繼續(xù)沿翅片滑移 刀具在下一個(gè)部位繼續(xù)對(duì)翅片產(chǎn)生摩擦撕裂作用 形成一個(gè)裂解結(jié)構(gòu) 如此周而復(fù)始 片管成形切削的有限元仿真 16 產(chǎn)生一組裂解結(jié)構(gòu) 從裂解結(jié)構(gòu)的生成過(guò)程來(lái)看 裂解結(jié)構(gòu)的生成呈周期性變化 其 每個(gè)周期的變化過(guò)程均存在如下三個(gè)階段 剪切撕裂階段 滑移微裂階段 周期成翅階段 2 3 影響鋸齒狀翅片成形的因素 2 3 1 一次翅高的影響因素 1 刀具擠壓角的影響 擠壓角是影響一次翅成形的因素之一 從試驗(yàn)的效果來(lái)看 它有一個(gè)合理的取值 范圍 介于 30 與 35 之間 擠壓角既不可太小 也不可太大 如果擠壓角太小則不 能擠起足夠的金屬來(lái)形成翅片 影響到翅高 太大則刀具不鋒利 材料變形太大 容 易把擠起的金屬帶走而成了切屑 翅高反而減小 圖 2 5 是擠壓角與一次翅高的關(guān)系曲線圖 由圖可以看出 擠壓角的值在合理的 取值范圍內(nèi)時(shí) 其大小對(duì)翅高的影響不大 當(dāng)擠壓角小于 30 時(shí) 翅高隨著擠壓角的 增大而迅速增大 這是因?yàn)閿D壓角的增大 擠起的金屬也增多 從而引起翅高的增大 當(dāng)擠壓角大于 30 時(shí) 隨著擠壓角增大 翅高增長(zhǎng)速度減小 這是因?yàn)閿D壓角增大 導(dǎo)致刀具變得不鋒利 在加工過(guò)程中 材料變形劇烈 擠壓金屬的量增大了 但是只 有一部分材料向 z 軸正方向變形 另外一部分材料被擠出工件 成為切屑 另一方面 擠壓角過(guò)大 刀具的受力增大 刀具磨損更劇烈 這對(duì)刀具材料的強(qiáng)度和耐磨性都提 出了更高的要求 片管成形切削的有限元仿真 17 圖 2 5 擠壓角與一次翅高之間的關(guān)系 2 擠壓傾角的影響 圖 2 6 擠壓傾角與一次翅高的關(guān)系 圖 2 6 給出了擠壓傾角對(duì)翅高的影響曲線 在 0 4 范圍內(nèi) 一次翅高隨著擠壓 傾角的增大而增大 這是因?yàn)閿D壓傾角的增大 參與變形的金屬材料也增多 沿 z 軸 正方向流動(dòng)的材料也增多 翅高因此而增大 隨著擠壓傾角的進(jìn)一步增大 擠壓面作 用于一次翅的壓力增大 嚴(yán)重阻礙了翅的生長(zhǎng) 翅高反而開(kāi)始減小 故擠壓傾角的最 佳范圍為 2 6 片管成形切削的有限元仿真 18 圖 2 7 后角與一次翅高的關(guān)系 3 后角的影響 試驗(yàn)表明 后角的最佳范圍為 0 2 隨著后角的增大 參與犁削 擠壓加工的 刀具體積減小 因而擠起金屬的量也相應(yīng)減少 翅高也隨之減小 圖 2 7 顯示了后角 對(duì)一次翅高的影響 一次翅高隨著后角增大而減小 另外從圖中可以看出 一次翅高 下降幅度并不大 說(shuō)明后角對(duì)一次翅高的影響相對(duì)較小 4 刃寬的影響 隨著刃寬的增加 參與變形的金屬增多 其翅高也隨之增大 圖 2 8 顯示了一次 翅高隨刃寬的變化關(guān)系 刃寬越大 一次翅高越大 但是刃寬過(guò)大 金屬變形劇烈 容易出現(xiàn)切屑 在試驗(yàn)過(guò)程中 當(dāng)刃寬 ba 1 4 時(shí) 已經(jīng)開(kāi)始產(chǎn)生切屑 在本試驗(yàn)條 件下 刃寬一般取值小于 1 2 圖 2 8 刃寬與一次翅高的關(guān)系 片管成形切削的有限元仿真 19 5 犁削 擠壓速度的影響 試驗(yàn)結(jié)果表明 犁削 擠壓速度在低速范圍內(nèi)取值較好 因?yàn)樵诩庸さ毒叩臄D壓 作用下 過(guò)高的擠壓速度會(huì)使紫銅表層金屬產(chǎn)生較大的應(yīng)變速率 從而導(dǎo)致金屬變形 抗力過(guò)大難以發(fā)生塑性變形 圖 2 8 表明了犁削 擠壓速度對(duì)翅高的影響規(guī)律 隨著 犁削 擠壓速度的增大 一次翅高先增大后減小 為了獲得較高的一次翅片 最佳速 度范圍為 0 093m s 0 144m s 6 犁削 擠壓深度對(duì)翅高的影響 圖 2 9 顯示了犁削 擠壓深度對(duì)翅高的影響規(guī)律 由圖可以看出 一次翅高隨著擠 壓深度的增加而增大 主要是犁削 擠壓深度越大 發(fā)生變形的金屬就越多 沿?cái)D壓 面流出成翅的金屬也就越多 所以有利于增大翅片的高度 但是由于受加工刀具強(qiáng)度 的限制 犁削 擠壓深度并非越大越好 深度太大 刀具容易斷裂 一般取值在 0 2 0 4mm 圖 2 8 犁削 擠壓速度與翅高的關(guān)系 片管成形切削的有限元仿真 20 圖 2 9 犁削 擠壓深度與翅高關(guān)系 2 3 2 裂解結(jié)構(gòu)高度的影響因素 隨著裂解結(jié)構(gòu)高度的增大 表面潤(rùn)濕性能將得到提高 可使材料的傳熱效率明顯 提高 因此裂解結(jié)構(gòu)高度是表征表面熱功能結(jié)構(gòu)的重要參數(shù) 有必要研究其影響因素 1 擠壓角的影響 擠壓面上存在刀具與被擠壓金屬材料間的摩擦 在摩擦力作用下 一次翅片頂部 位錯(cuò)堆積 產(chǎn)生許多顯微空洞 這種空洞在切應(yīng)力作用下不斷長(zhǎng)大 聚集連接 并同 時(shí)產(chǎn)生新的微小空洞 最終導(dǎo)致一次翅斷裂 擠壓接觸面上的摩擦屬于緊密型接觸摩 擦 其摩擦力可以按下式計(jì)算 2 1 AFasf1 式中 抗剪強(qiáng)度 s 名義接觸面積 Aa1 在一次翅頂部裂解較小的情況下 可以假設(shè)翅片的抗剪強(qiáng)度不受溫度分布不均勻 的影響 也即為一常數(shù) 此時(shí) 摩擦力的大小主要取決于名義接觸面積的大小 正 s 比于名義接觸面積 因此在刃寬不變的情況下 擠壓角的增大 名義接觸面積反而減 小 摩擦力減小 因此從這方面來(lái)說(shuō) 翅片難于裂解 但是 隨著擠壓角的增大 材料的變形更加劇烈 更加有利于顯微空洞的產(chǎn)生 以及原有空洞的長(zhǎng)大 聚集連接 屈服剪應(yīng)力比沒(méi)有位錯(cuò)時(shí)小得多 從而更加有利于 翅片的裂解 因此 隨著擠壓角的增大 裂解結(jié)構(gòu)高度呈升高趨勢(shì) 片管成形切削的有限元仿真 21 圖 2 11 是裂解結(jié)構(gòu)高度隨擠壓角變化曲線圖 從圖中可以看出裂解結(jié)構(gòu)高度隨 著擠壓角的增大而增大 但是擠壓角不能過(guò)大 過(guò)大的擠壓角導(dǎo)致刀具變鈍 犁削 擠壓過(guò)程中容易產(chǎn)生切屑 故擠壓角的最佳范圍為 25 35 2 擠壓傾角的影響 擠壓傾角增大 擠壓面作用于一次翅的壓力增大 一次翅裂解后 受到擠壓面的 擠壓 工件材料難以沿 z 軸正向伸展 圖 2 12 顯示了擠壓傾角對(duì)翅片裂解的影響曲線 裂解翅高隨著擠壓傾角增大而減小 因此 擠壓傾角是影響一次翅裂解的關(guān)鍵因素之 一 最佳值為 0 3 后角的影響 隨著后角的增加 裂解結(jié)構(gòu)高度也將減小 這是因?yàn)楹蠼堑脑龃?一方面一次翅 高減小 另一方面由于參與加工的刀具表面減小 由式 2 1 可知 其摩擦力也相應(yīng)的 減小 故裂解結(jié)構(gòu)高度也減小 圖 2 14 顯示了后角對(duì)裂解結(jié)構(gòu)高度的影響 隨著后角 的增大 裂解結(jié)構(gòu)高度也 隨之減小 后角的最佳范 圍在0 2 圖 2 11 擠壓角與裂解結(jié)構(gòu)高度的關(guān)系 片管成形切削的有限元仿真 22 圖 2 12 擠壓傾角對(duì)裂解結(jié)構(gòu)高度的影響曲線 圖 2 14 后角對(duì)裂解結(jié)構(gòu)高度的影響 4 刃寬的影響 圖 2 15 顯示了裂解結(jié)構(gòu)高度隨刃寬變化的關(guān)系 從圖中可以看出 隨著刃寬增大 裂解結(jié)構(gòu)高度迅速增大 這是因?yàn)槿袑捲龃?材料變形更劇烈 更容易發(fā)生位錯(cuò) 因 而更易斷裂 但是刃寬過(guò)大產(chǎn)生切屑將導(dǎo)致一次翅高的減小 進(jìn)而影響裂解結(jié)構(gòu)高度 的增大 對(duì)于裂解結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō) 刃寬的最佳范圍在 1 2 1 4mm 之間 圖 2 15 刃寬與裂解結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系 5 犁削 擠壓速度的影響 片管成形切削的有限元仿真 23 顯微空洞的產(chǎn)生以及微坑的大小受到基體材料加工硬化率的影響 若材料具有很 大的加工硬化指數(shù) 則由于提高了屈服到斷裂的應(yīng)力增量 所以將形成更多的顯微空 洞而使微坑的尺寸變小 更容易裂解 圖 2 16 顯示了犁削 擠壓速度對(duì)裂解結(jié)構(gòu)高度 的影響 隨著犁削 擠壓速度的提高 金屬材料變形更加劇烈 顯微空洞增多 一次 翅更容易裂解 產(chǎn)生更高的裂解結(jié)構(gòu) 但是當(dāng)速度達(dá)到一定值時(shí) 材料應(yīng)變率過(guò)大 材料硬化明顯 此時(shí)裂解難以進(jìn)行 因此犁削 擠壓最佳速度范圍為 0 093m s 0 144m s 片管成形切削的有限元仿真 24 圖 2 16 速度對(duì)裂解結(jié)構(gòu)高度的影響 6 犁削 擠壓深度的影響 隨著犁削 擠壓深度的增加 裂解結(jié)構(gòu)高度也將增加 這是因?yàn)?深度的增加引 起一次翅高的增加 一方面一次翅高幾何形狀更狹長(zhǎng) 更容易裂解 另一方面導(dǎo)致名 義接觸面積增大 由式 2 1 可知 摩擦力將增大 這有利于裂紋擴(kuò)展 也即裂解結(jié)構(gòu) 高度的增大 但是犁削 擠壓深度的增加 對(duì)刀具的磨損更大 對(duì)刀具強(qiáng)度要求更嚴(yán) 格 其最佳范圍為 0 2 0 4mm 圖 2 17 顯示了犁削 擠壓深度對(duì)翅片裂解的影響 從圖中可以看到 當(dāng)深度較 小時(shí) 沒(méi)有裂解結(jié)構(gòu)產(chǎn)生 因?yàn)槔缦?擠壓深度較小時(shí) 一次翅片較厚 摩擦力難以 將一次翅撕裂 只有當(dāng)一次翅具有一定高度時(shí) 翅片頂部較薄 摩擦力才能撕裂翅片 形成裂解 圖 2 17 犁削 擠壓深度與裂解結(jié)構(gòu)高度的關(guān)系 片管成形切削的有限元仿真 25 2 4 本章小結(jié) 本章對(duì)鋸齒狀翅片的成形機(jī)理及其影響因素進(jìn)行了研究 研究結(jié)果如下 其成形機(jī)理包括三個(gè)方面 一次翅的成形經(jīng)歷了犁切 擠壓 成翅和裂解四個(gè)階 段 這四個(gè)過(guò)程是同時(shí)進(jìn)行的 一次翅裂解的根本原因是刀具對(duì)其擠壓 摩擦而產(chǎn)生 的剪切變形 其過(guò)程也分為剪切撕裂 滑移微裂和周期成翅三個(gè)階段 另外 本章也從刀具參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)一次翅和裂解結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了探討 試驗(yàn)表 明 對(duì)于一次翅成形擠壓角 取值范圍為 25 35 擠壓傾角 最佳范圍為小于 2 6 后角 0 2 刃寬小于 1 2mm 最佳速度范圍在 0 093m s 0 144m s 深度取 值在 0 2 0 4mm 對(duì)于裂解結(jié)構(gòu) 擠壓角的最佳范圍為 25 35 擠壓傾角是影響 一次翅裂解的關(guān)鍵因素 最佳值為 0 刃寬 1 2 1 4mm 犁削 擠壓最佳速度范圍為 0 093m s 0 144m s 深度最佳范圍為 0 2 0 4mm 片管成形切削的有限元仿真 26 3 犁削 犁削 擠壓加工的有限元分析及建模擠壓加工的有限元分析及建模 上一章主要從試驗(yàn)角度分析研究了鋸齒狀翅片成形機(jī)理及其影響因素 為了更好 的理解鋸齒狀翅片犁削 擠壓成形 本章和下一章將從理論角度分析其成形過(guò)程 本 章闡述了以塑性力學(xué)理論為背景 運(yùn)用有限元法 綜合考慮熱力耦合的剛粘塑性模型 利用商業(yè)有限元軟件 Deform 3D 建立了有限元模型 為研究犁削 擠壓過(guò)程中的應(yīng)力 應(yīng)變場(chǎng)的分布打下了基礎(chǔ) 并為以后研究刀具的磨損以及不同材料的鋸齒狀翅片成形 等方面提供了理論指導(dǎo) 通過(guò)利用上述模型進(jìn)行預(yù)測(cè) 可大大減少時(shí)間 節(jié)約成本 3 1 概述 3 1 1 有限元技術(shù)簡(jiǎn)介 在工程技術(shù)領(lǐng)域內(nèi) 工程師常常運(yùn)用數(shù)學(xué)和力學(xué)的知識(shí)將實(shí)際問(wèn)題抽象成它們應(yīng) 該遵循的基本方程 常微分方程或偏微分方程 和相應(yīng)的邊界條件 除了少數(shù)方程性 質(zhì)比較簡(jiǎn)單 且?guī)缀芜吔缦喈?dāng)規(guī)則的問(wèn)題之外 大多數(shù)工程技術(shù)問(wèn)題難以按經(jīng)典的彈 性力學(xué)和塑性力學(xué)方法獲得解析解 為了解決這類(lèi)問(wèn)題 一般有兩種方法 一是引入 簡(jiǎn)化假設(shè) 將方程和邊界條件簡(jiǎn)化為能夠處理的問(wèn)題 從而得到解答 這種方法有很 大局限性 在少數(shù)情況下是可行 因過(guò)多的簡(jiǎn)化將可能導(dǎo)致不正確的甚至錯(cuò)誤的解答 另一種方法就是數(shù)值解法 如有限元差分法 邊界元法 有限元法和離散元法等 對(duì) 于非線性問(wèn)題 有限元法更為有效 且發(fā)展更為成熟 已經(jīng)出現(xiàn)了許多通用的有限元 程序 有限元法的基礎(chǔ)是變分理論 最常用的變分原理有三個(gè) 最小余能原理 最小勢(shì) 能原理和混合變分原理 不同的變分原理 基本未知變量也是不同的 當(dāng)采用最小余 能原理時(shí) 必須假設(shè)應(yīng)力場(chǎng)的形式 這種以應(yīng)力作為基本未知變量的分析方法稱(chēng)為應(yīng) 力法 采用最小勢(shì)能原理時(shí) 必須假設(shè)單元內(nèi)位移場(chǎng)函數(shù)的形式 這種方法稱(chēng)作位移 法 當(dāng)采用混合變分原理時(shí) 就必須同時(shí)假設(shè)某些位移和應(yīng)力 因而這種方法稱(chēng)為混 合法 對(duì)大多數(shù)問(wèn)題 應(yīng)用位移法比較簡(jiǎn)單 且應(yīng)用廣泛 有限元法分析計(jì)算的思路和做法可歸納如下 1 物體離散化 將某個(gè)工程結(jié)構(gòu)離散為由各種單元組成的計(jì)算模型 這一步稱(chēng)作單元?jiǎng)澐?離散 后單元與單元之間利用單元的節(jié)點(diǎn)相互連接起來(lái) 單元節(jié)點(diǎn)的設(shè)置 性質(zhì) 數(shù)目等應(yīng) 視問(wèn)題的性質(zhì) 描述變形形態(tài)的需要和計(jì)算進(jìn)度而定 一般情況單元?jiǎng)澐衷郊?xì)則描述 變形情況越精確 但計(jì)算量越大 所以有限元中分析的結(jié)構(gòu)已不是原有的物體或結(jié) 片管成形切削的有限元仿真 27 構(gòu)物 而是同種材料的由眾多單元以一定方式連接成的離散物體 這樣 用有限元分 析計(jì)算所獲得的結(jié)構(gòu)只能是近似的 如果劃分單元數(shù)目非常多而又合理 則所獲得的 結(jié)構(gòu)就與實(shí)際情況相符合 2 單元特性分析 A 選擇位移模式 在有限元法中 選擇節(jié)點(diǎn)位移作為基本未知量時(shí)稱(chēng)為位移法 選擇節(jié)點(diǎn)力作為基 本未知量時(shí)稱(chēng)為力法 取一部分節(jié)點(diǎn)力和一部分節(jié)點(diǎn)位移作為基本未知量時(shí)稱(chēng)為混合 法 位移法易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算自動(dòng)化 所以 在有限元法中位移法應(yīng)用范圍最廣 當(dāng)采用 位移法時(shí) 物體或結(jié)構(gòu)物離散化之后 就可把單元總的一些物理量如位移 應(yīng)變和應(yīng) 力等由節(jié)點(diǎn)位移來(lái)表示 這時(shí)可以對(duì)單元中位移的分布采用一些能逼近原函數(shù)的近似 函數(shù)予以描述 通常 有限元法將位移表示為坐標(biāo)變量的簡(jiǎn)單函數(shù) 這種函數(shù)稱(chēng)位移 模式或位移函數(shù) 如其中 是待定系數(shù) zyxu 4321 1 2 3 4 是與坐標(biāo)有關(guān)的某種函數(shù) B 分析單元的力學(xué)性質(zhì) 根據(jù)單元的材料性質(zhì) 形狀 尺寸 節(jié)點(diǎn)數(shù)目 位置及其含義等 找出單元節(jié)點(diǎn) 力和節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系式 這是單元分析中的關(guān)鍵一步 此時(shí)需要應(yīng)用彈性力學(xué)中的幾 何方程和物理方程來(lái)建立力和位移的方程式 從而導(dǎo)出單元?jiǎng)偠染仃?這是有限元法 的基本步驟之一 C 計(jì)算等效節(jié)點(diǎn)力 物體離散化后 假定力是通過(guò)節(jié)點(diǎn)從一個(gè)單元傳遞到另一個(gè)單元 但是 對(duì)于實(shí) 際的連續(xù)體 力是從單元的公共邊傳遞到另一個(gè)單元中去的 因而 這種作用在單元 邊界上的表面力 體積力和集中力都需要等效的移到節(jié)點(diǎn)上去 也就是用等效的節(jié)點(diǎn) 力來(lái)代替所有作用在單元上的力 3 單元組集 利用結(jié)構(gòu)力的平衡條件和邊界條件把各個(gè)單元按原來(lái)的結(jié)構(gòu)重新連接起來(lái) 形成 整體的有限元方程 K F 3 1 式中 K 是整體結(jié)構(gòu)的剛度矩陣 是節(jié)點(diǎn)位移列陣 F 是載荷列陣 4 求解未知節(jié)點(diǎn)位移 解有限元方程式 3 1 得出位移 這里可以根據(jù)方程組的具體特點(diǎn)來(lái)選擇合適的 計(jì)算方法 通過(guò)上述分析 可以看出 有限元方法的基本思想是 一分一合 分是為了進(jìn) 行單元分析 合則為了對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析 片管成形切削的有限元仿真 28 3 1 2 金屬加工有限元模擬的研究現(xiàn)狀 近年來(lái) 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算力學(xué)的發(fā)展 數(shù)值模擬技術(shù) 特別是有限元方法 廣泛的應(yīng)用在制造工藝的模擬中 通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù) 可以代替需要大量費(fèi)用的工藝 實(shí)驗(yàn) 有限元方法最早被應(yīng)用在切削工藝的模擬是在 70 年代 與其它傳統(tǒng)方法相比 它大大提供了分析的精度 1973 年美國(guó) Illinois 大學(xué)的 B E Klamechi 最先系統(tǒng)地研究了 金屬切削加工中切屑成形的原理 1980 年美國(guó)的 North Carolina 州立大學(xué)的 M R Lajczok 在其博士論文中應(yīng)用有限元方法研究切削加工中的主要問(wèn)題 初步分析了 切削工藝 1982 年 Usui 和 Shirakashi 為了建立穩(wěn)態(tài)的正交切削模型 第一次提出刀 面角 切屑幾何形狀和流線等 預(yù)測(cè)了應(yīng)力應(yīng)變和溫度這些參數(shù) 1987 年 Strenkowski 和 Mitchum 提出了要修改切屑出現(xiàn)鋸齒狀時(shí)的斷裂分離準(zhǔn)則 他們指出等 效應(yīng)變得臨界值隨著切削深度的增加而增加 1990 年 Strenkowski 和 Moon 模擬了切 屑形狀 用 Eular 有限元模型研究正交切削 忽略了彈性變形 預(yù)測(cè)了工件 刀具以及 切屑中的溫度分布 Usui 等人首次將低碳鋼流動(dòng)應(yīng)力設(shè)為應(yīng)變 應(yīng)變速率和溫度的函 數(shù) 他們用有限元方法模擬了連續(xù)切削中產(chǎn)生的切屑瘤 而且在刀具和切屑接觸面上 采用庫(kù)侖摩擦模型利用正應(yīng)力 摩擦應(yīng)力和摩擦系數(shù)之間的關(guān)系模擬切削工藝 近幾 年來(lái) 國(guó)際上對(duì)金屬切削工藝的有限元模擬更加深入 日本的 Sasahara 和 Obikawa 等 人利用彈塑性有限元方法 忽略了溫度和應(yīng)變速率的效果 模擬了低速連續(xù)切削時(shí)被 加工平面的殘余應(yīng)力和應(yīng)變 美國(guó) Ohio 州立大學(xué)凈成形制造 Net Shape Manufacturing 工程研究中心的 T Altan 教授 與意大利 Brescia 大學(xué)機(jī)械工程系的 E Ceretti 合作對(duì)切削工藝進(jìn)行了大量的有限元模擬研究 澳大利亞悉尼大學(xué)的 Lianchi Zhang 和美國(guó) Auburn 大學(xué)的 J M Huang J T Black 對(duì)有限元分析正交工藝中的切 屑分離準(zhǔn)則做了深入的研究 對(duì)不同的分離準(zhǔn)則都做了考察 臺(tái)灣科技大學(xué)的 Zone Ching Lin 等人對(duì) NiP 合金的正交超精密切削中切削深度和切削速度對(duì)殘余應(yīng)力 的影響做了研究 模擬前對(duì)單向拉伸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析 得出材料的流動(dòng)應(yīng)力公 式 考慮切削加工中的熱力耦合效應(yīng)建立了熱彈塑性有限元模型 這些工作為犁切 擠壓加工工藝的有限元模擬奠定了理論和實(shí)踐基礎(chǔ) 以上所作的有限元模擬工作對(duì)切削和塑性加工中的關(guān)鍵技術(shù)如 建立材料本構(gòu)方 程 切屑成形技術(shù) 刀 屑界面的摩擦處理和鋸齒切屑模擬技術(shù) 網(wǎng)格重劃分技術(shù) 殘余應(yīng)力的預(yù)測(cè)等方面進(jìn)行了理論探討 已經(jīng)形成了比較成熟的技術(shù) 為本文的犁削 擠壓加工工藝模擬提供了理論支持 3 1 3 Deform 3D 簡(jiǎn)介 上世紀(jì) 80 年代早期 美國(guó) Battelle 研究室在美國(guó)空軍基金的資助下開(kāi)發(fā)的有限元 計(jì)算程序 ALPID Analysis of Large Plastic Incremental