金属挤压加工试验研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 5.67MB 66 页 15积分
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摘 要
挤压加工具有诸多优点，可以有效提高加工精度、改善表面质量、提高生产
效率和降低加工成本，目前，在国内外应用较多，但对挤压加工原理、挤压加工
各参数优化以及各参数对工件质量影响研究较少。因此，本文在分析挤压加工理
论的基础上，构建挤压加工试验系统，并开展了挤压加工实验研究，达到进一步
完善挤压加工理论、优化挤压加工各参数、提高加工质量以及指导生产实践等目
的。
在传统加工中，加工深度远大于加工刀刃的钝圆半径，刀刃圆弧作用几乎可
以忽略，可把刀具看成理想锋利，但实际上刃口总是呈圆弧状，尤其进行超精密
加工时，刀刃圆弧的作用不能被忽略。此时，在刀具钝圆上存在一个“分流点”，
分流点以上的材料向上流动成为切屑，以下的材料受应力状态的影响，被迫由刀
刃压向工件成为已加工表面。如果加工只在分流点以下进行，这时刀刃将不切除
材料而只能对工件表面起挤压作用，刀具的切割作用消失，不再有切屑流出，这
就是挤压加工。因此，挤压加工与传统加工相比在加工力学、加工热和加工温度
等方面均有不同的特征。
微位移进给机构是挤压加工试验系统的主要内容，本文设计的微位移进给装
置由驱动器、导向机构和控制系统三部分组成，驱动器采用了压电陶瓷，导向机
构采用了柔性铰链技术，同时，采用闭环控制系统，以实现高精度微位移进给。
利用挤压加工试验系统对几种常用金属材料进行了挤压加工实验，并调整挤
压加工各参数得到了一系列金属试件，运用数码显微镜和显微硬度测试仪对试件
表面进行观测，得到相关试验数据，进一步分析不同挤压加工参数下试件表面质
量情况，得到了可供生产实践参考的意见。
力是挤压加工过程中的主要参数，为了进一步研究力和应力应变分布情况，
完善挤压加工理论，本文对挤压加工过程进行了有限元分析，结果表明：随着挤
压加工深度的减小，挤压力、等效应力、等效应变相应减少；与传统加工不同，
挤压加工深度对挤压力、等效应力、等效应变的影响最大。
本文建立的挤压加工试验系统，可以有效实现挤压加工。所进行的挤压加工
实验研究和有限元分析结论，对挤压加工理论研究和实践应用具有一定的参考和
指导作用。
关键词：挤压加工，微位移进给，闭环控制，表面质量，有限元分析
ABSTRACT
In the process of extrusion cutting, the tool flutes extrude the work-piece surface
without removing the material and cutting scraps, and the cutting effect of tools vanish.
Considering the advantages, such as improving machining precise, surface quality and
efficiency and reducing cost, extrusion cutting is widely used now. But the research on
the extrusion cutting mechanism, cutting parameters optimization and the effects of
those parameters on work-piece surface are still inadequate. Based on the analysis of
extrusion cutting mechanism, an extrusion cutting test system is built, through which
the experimental research is done in order to further the extrusion cutting theory,
optimize the cutting parameters, improve surface quality and guide production.
In traditional cutting process, the effects of flute fillet of tools are neglected under
many conditions because the cutting depth is much bigger than the flute fillet radius.
However, the flute fillet does exist despite the high grinding quality of the tool and the
effects of the flute fillet cannot be neglected, especially in high accuracy machining.
There is a “diffluent point”on the flute fillet under such condition; the material
below this point becomes cutting scraps and the material above the point, influenced
by the stress condition, is forced to extrude into the machined surface of work-piece. If
the cutting occurs below the diffluent point, the tool extrudes the work-piece surface
instead of removing material; the cutting effects vanish and extrusion cutting begins.
Therefore, compared with traditional machining methods, extrusion cutting has
different properties in cutting mechanics, cutting thermal and cutting temperature.
Micro-feed mechanism is the main part of the extrusion cutting test system. The
micro-feed mechanism consists of driver, guiding mechanism and control system,
piezoelectric ceramet is chosen as the driver; the guiding mechanism is designed based
on flexible-hinge technology, and a close-loop control system is applied to achieve
high feeding accuracy.
Certain common used metallic materials are tested using the extrusion cutting test
system, and a serial of different metallic work-pieces are obtained by altering the
extrusion cutting parameters. The surface of the work-pieces are examined using
digital microscope and micro-stiffness apparatus and the related data are gotten, based
on which the surface quality of the work-pieces under different cutting parameters are
analyzed and some referenced opinion are obtained.
Force is the main parameter in the extrusion cutting process. In order to further
the study the relationship between fore and the distribution of strain and stress, the
extrusion cutting process is analyzed through FEA. The results show that as the
extrusion cutting depth decreases, extrusion force, equivalent stress and equivalent
strain decrease correspondingly, compared with traditional machining which the
extrusion cutting depth effects these factors in a contrary way.
The extrusion cutting test system built in the paper can implement extrusion
cutting efficiently. The conclusions that made through FEA and the experiments are of
important significance to extrusion cutting theory and the application of the
technology.
Key word: Extrusion Cutting, Micro-feed, Close-loop Control,
Surface Finish Quality, FEA
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .......................................................... 1
§1.1 课题研究的背景意义及目的 ..................................... 1
§1.2 课题研究现状 ................................................. 2
§1.3 课题研究内容及其关键技术 ..................................... 3
§1.4 本章小结 ..................................................... 4
第二章 金属挤压加工机理研究 .......................................... 5
§2.1 金属挤压加工理论 ............................................. 5
§2.1.1 挤压加工工作原理 ......................................... 5
§2.1.2 挤压表面强化机理 ......................................... 6
§2.2 挤压加工力学模型 ............................................. 6
§2.2.1 挤压加工力的理论研究状况 ................................. 7
§2.2.2 挤压加工力模型的建立 ....................................... 7
§2.2.3 挤压加工力方程 ........................................... 9
§2.2.4 影响挤压加工力的因素 .................................... 11
§2.3 挤压加工热和挤压加工温度分析 ................................ 12
§2.3.1 挤压加工热分析 .......................................... 12
§2.3.2 挤压加工温度分析 ........................................ 13
§2.4 本章小结 .................................................... 16
第三章 挤压加工试验系统设计 ......................................... 17
§3.1 挤压加工试验系统需求分析 .................................... 17
§3.2 挤压加工试验系统总体方案设计 .............................. 17
§3.2.1 微位移进给机构方案设计 .................................. 17
§3.2.2 挤压加工试验系统总体方案设计 ............................ 19
§3.3 驱动器确定 .................................................. 20
§3.3.1 压电陶瓷驱动器概述 ...................................... 20
§3.3.2 压电陶瓷驱动器特性 ...................................... 21
§3.4 导向机构研究 ................................................ 22
§3.4.1 柔性铰链概述 ............................................ 22
§3.4.2 导向机构模型确定 ........................................ 24
§3.4.3 导向机构设计 ............................................ 25
§3.4.4 导向机构加工 ............................................ 29
§3.5 控制系统研究 ................................................ 30
§3.5.1 压电陶瓷驱动器的建模与控制 .............................. 30
§3.5.2 闭环控制 ................................................ 31
§3.6 界面设计 .................................................. 31
§3.7 本章小结 .................................................. 32
第四章 挤压加工实验及结果分析 ....................................... 33
§4.1 实验装置、试件和过程 ........................................ 33
§4.2 实验结果及分析 .............................................. 33
§4.2.1 挤压加工实验前后金属表面显微 ............................ 36
§4.2.2 挤压加工实验前后金属表面三维显微 ........................ 39
§4.2.3 实验结果分析 ............................................ 42
§4.3 挤压加工工艺参数分析 ........................................ 43
§4.4 本章小结 .................................................... 45
第五章 挤压加工有限元分析 ........................................... 47
§5.1 有限元模型与分析 ............................................ 47
§5.1.1 挤压加工模型的简化 ...................................... 47
§5.1.2 挤压加工分析模型的建立 .................................. 48
§5.1.3 加工分析方案 ............................................ 51
§5.2 挤压加工分析结果分析 ........................................ 51
§5.2.1 挤压加工模拟过程材料的重要特性分析 ...................... 51
§5.2.2 不同加工深度分析的等效应力及分析 ........................ 53
§5.2.3 不同加工深度分析的等效应变及分析 ........................ 56
§5.3 本章小结 .................................................... 58
第六章 总结与展望 ................................................... 59
§6.1 全文总结 .................................................... 59
§6.2 工作展望 .................................................... 59
参考文献 ............................................................ 61
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题研究的背景意义及目的
机械制造业在国民经济中占有十分重要的地位，很多国家都把注意力放在机
械制造业的发展和技术改进上，机械制造业为国民经济和社会发展及国防建设提
供物质基础，它是国民生产的主要组成部分，机械制造水平是国家综合实力的重
要标志。而在机械制造业中金属切削加工起着举足轻重的作用，各国从事切削加
工的人数众多，耗资十分惊人，因此大力提高切削加工的生产效率，提高产品质
量，缩短产品生产时间，降低生产成本，对促进机械制造业的发展、促进国民经
济和社会发展及国防建设的发展有着极其重要的意义。
在传统加工中，加工深度远远大于加工刀刃的钝圆半径，所以加工刀刃圆弧
作用几乎可以忽略，通常把刀具看成理想锋利。实际上理想的刀刃是不存在的，
无论刃磨质量多么好，严格说刀具的刃口总是呈圆弧状，我们称之为刀刃圆弧。
尤其进行超精密加工时，加工深度通常只有数个微米，甚至几个纳米。刀刃的尺
寸和形状在加工过程中的作用不能被忽略。
图 1－1 考虑刀刃钝圆的切削加工原理图
如图 1－1 所示，设刀具钝圆半径为 rn，在刀具钝圆上存在一点设为 K，称为
工件材料的“分流点”，在传统加工过程中，K点以上的材料向上流动成为切屑，
K点以下的材料受应力状态的影响，被迫由刀刃压向工件成为已加工表面。设 K
点以下的加工层厚度为△a，称为压缩层厚度。K点的位置与刀刃处的应力状态有
关。如果加工层厚度减小到小于或接近于△a，在分流点 K 以下，这时刀刃将不切
除材料而只能对工件表面起挤压加工作用，刀具的切割作用消失，这样的刀具也
金属挤压加工实验研究
2
就转化为滚压或挤压加工工具，并称此类加工为挤压加工。
在挤压加工下，刀具对加工表面起滚压作用，如图 1-1 所示，加工表面将由
△a 变为△h, △a 包括部分塑性变形和部分弹性变形，△h为弹性恢复，△h 处的
质量为加工表面质量。挤压加工过程中：塑性变形在工作表面残留压应力，由于
加工表面平滑、应力集中小，不易造成疲劳破坏；这种变形的不均匀分布，必将
引起应力的不均匀分布，极大促进附加应力发展，从而提高加工硬化率；由于硬
化结果，变形逐渐趋于均匀，晶粒方位趋于一致，得到截面均匀的冷变形；塑性
变形是许多单个晶粒塑性变形的综合，这些能改善金属表面的机械、物理性能，
提高表面质量、强度和硬度；挤压加工为无屑加工，减少切削瘤的影响，从而提
高加工表面质量和加工精度。总之，相比传统加工方法，挤压加工不仅可以得到
光洁的表面和良好的加工精度，而且被挤压加工强化，可以提高表面硬度、耐磨
性和疲劳强度；挤压加工还可以作为产品加工的最后工序，从而可以提高生产率，
其作用是非常明显的。
在研究和了解挤压加工原理的基础上，构建满足挤压加工要求的精确的试验
平台，并利用金相显微镜和有限元分析来分析挤压加工参数对工件表面质量的影
响，建立相应实验数据，对进一步研究挤压加工原理、优化挤压加工参数、研究
各参数对工件质量的影响及挤压加工实践应用具有重要意义。
§1.2 课题研究现状
普通滚压工艺的应用已有 70 多年的历史，1928 年德国提出了滚压强化的方
法。把淬硬的滚子压紧在转动的工件上，并作进给运动滚压工件表面，工件表面
应力超过弹性极限产生塑性变形，减少凹凸不平，获得良好的表面，加工前后工
件前后的重量不变。我国虽自 60 年代才开始广泛深入研究滚压加工，但目前已取
得了很大的进展，其研究范围涉及到内孔的表面光整加工、齿轮轮齿的滚压光整
加工、螺纹的滚压加工等领域。滚压加工的理论和基础对后来挤压加工的发展有
很大的推动和借鉴作用。
在金属切削方面，我国自 1949 年建国后，各高等工科院校相继进行了金属切
削和刀具方面的科学研究。机械工业部建立了工具研究所、机床研究所和磨料、
磨具、磨削研究所，进行了有组织的科学研究工作。在金属切削和磨削理论，积
屑瘤和鳞刺，精密加工表面质量，难加工材料的加工，新型刀具材料和磨料的研
制及其磨削性能研究，以及刀具磨损及破损等方面，均取得了相当显著的研究成
果；在刀具材料、刀具品种和质量方面，有些已跃入世界先进行列。近年来清华
摘要：

摘要挤压加工具有诸多优点，可以有效提高加工精度、改善表面质量、提高生产效率和降低加工成本，目前，在国内外应用较多，但对挤压加工原理、挤压加工各参数优化以及各参数对工件质量影响研究较少。因此，本文在分析挤压加工理论的基础上，构建挤压加工试验系统，并开展了挤压加工实验研究，达到进一步完善挤压加工理论、优化挤压加工各参数、提高加工质量以及指导生产实践等目的。在传统加工中，加工深度远大于加工刀刃的钝圆半径，刀刃圆弧作用几乎可以忽略，可把刀具看成理想锋利，但实际上刃口总是呈圆弧状，尤其进行超精密加工时，刀刃圆弧的作用不能被忽略。此时，在刀具钝圆上存在一个“分流点”，分流点以上的材料向上流动成为切屑，以下...

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