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摘 要

铝合金具有低密度和高强度的优点，同时它还具有很好的塑性易于加工成型，所以常作为航空器的构架和主要部件。高性能铝合金的加工一直以来都是切削研究的重点。本文利用Abaqus有限元软件，建立了7075铝合金的二维正交切削仿真模型，研究刀具参数和切削参数对于切削结果的影响。其中网格的划分部分采用了具有优势的任意拉格朗日欧拉法。通过有限元模拟仿真得到下列结果：

（1）刀具前角增加，最大切削温度小幅度下降。

（2）刀具前角增加，Fx和Fy均有明显的下降。

（3）刀具后角增加，切削温度小幅度下降。Fx和Fy均有无明显的变化。

（4）切削速度增加，切削温度小幅度增加并且增加趋势逐渐平缓。

（5）切削速度增加，Fy逐渐减小，Fx无明显变化。

（6）切削深度增加，切削温度小幅度增加并且增加趋势逐渐平缓。

（7）切削深度增加，Fx明显增加，Fy无明显变化。

关键词：7075铝合金；正交切削；有限元仿真；刀具参数；切削参数

Abstract

Aluminum alloy has the advantages of low density and high strength. At the same time, it has good plasticity and is easy to form. Therefore, it is often used as the framework and main component of aircraft. The processing of high-performance aluminum alloys has always been the focus of cutting research. In this paper, Abaqus finite element software is used to establish a two-dimensional orthogonal cutting simulation model of 7075 aluminum alloy to study the effect of tool parameters and cutting parameters on cutting results. The division of the grid adopts the arbitrary Lagrange Euler method with advantages. The following results are obtained through finite element simulation:

(1) The increase of the tool rake angle results in a slight decrease in the maximum cutting temperature.

(2) The tool rake angle increases, and both Fx and Fy decrease significantly.

(3) Increasing the tool clearance angle will cause a slight decrease in the maximum cutting temperature. There was no obvious change in Fx and Fy.

(4) Increasing the cutting speed will cause the cutting temperature to increase slightly and the increasing trend will gradually slow down.

(5) The cutting speed increases, Fy gradually decreases, and Fx does not change significantly.

(6) Increasing the cutting depth will result in a small increase in the maximum cutting temperature and the increasing trend will gradually slow down.

(7) As the cutting depth increases, Fx increases significantly, and Fy does not change significantly.

Keywords: 7075 aluminum alloy; orthogonal cutting; finite element simulation; tool parameters; cutting parameters.

目录

摘要 1

Abstract 2

第一章 绪论 5

1.1 铝合金简介 5

1.1.1 铝合金的分类 5

1.1.2 7075铝合金简述 6

1.2铝合金切削加工现状 6

1.3 有限元方法 7

1.3.1有限元方法的基本原理 7

1.3.2任意拉格朗日欧拉法概述 8

1.4选题意义及研究内容 9

第二章 铝合金7075切削有限元模型建立 10

2.1 Abaqus有限元软件简介 10

2.2 切削模型的简化 10

2.3 建立模型 11

2.3.1建立工件和装配 11

2.3.2网格划分和建立分析步 12

2.2.5设置载荷和边界条件 13

2.4 小结 14

第三章 刀具参数对切削的影响 15

3.1 刀具前角的影响 15

3.1.1 对最大温度的影响 15

3.1.2 对Fx的影响 15

3.1.3 对于Fy的影响 16

3.2 刀具后角的影响 17

3.2.1 对最大温度的影响 17

3.2.2 对Fx的影响 18

3.2.3 对Fy的影响 19

3.3 小结 20

第四章 切削参数对切削的影响 20

4.1 切削速度的影响 20

4.1.1 对切削温度的影响 20

4.1.2 对Fx的影响 21

4.1.3对Fy的影响 22

4.2切削深度的影响 23

4.2.1 对最大温度的影响 23

4.2.2 对Fx的影响 23

4.2.3 对Fy的影响 24

4.3小结 25

第五章 安全环保及经济性分析 25

5.1 经济性分析 25

5.2安全环保性分析 26

第六章 结论 26

参考文献 27

致谢 30

第一章 绪论

1.1 铝合金简介

铝合金是常用的合金，在铝中常加入的强化元素有铜、镁、锌、硅等。铝合金是一种轻金属材料，它除了具有铝强度低塑性好的特点之外，由于添加了强化元素可以获得需要的性能强化。铝合金的密度在2.63到2.85克每立方厘米之间，其密度只有铁的三分之一。铝合金具有良好的铸造性能和塑性加工性能，十分便于加工成型。虽然铝的强度并不高，但是却很容易进行强化，强化的方法可以采用合金化或者热处理以获得具有高强度的铝合金。因为其密度低强度大，故其比强度接近高合金钢，比刚度又超过钢^[1]。铝的导电性仅次于银、金、铜，具有良好的导电性^[2]。铝对氧具有高亲和性，铝制品表面会和氧形成致密的化合物从而防止被继续腐蚀因而其具有良好的耐腐蚀性能。铝合金还很容易做表面强化处理，价格便宜，基于上述优点，铝合金广泛应用在各个领域。

1.1.1 铝合金的分类

铝合金一般被分为八个种类，下面将大概介绍每种铝合金的概况。一系列的铝合金含铝量最高，1000系列的铝合金的最后两位数字表示的是最低铝含量。一系列的铝合金通常比较软，它的成型性和耐腐蚀性非常号，适合作为装饰品或者内饰件。二系列的铝合金属于航空铝材含有较多的铜元素，它的硬度比较高但是耐腐蚀性能比较差，因此在工业中的应用并不多。三系的铝合金经常作为建筑加工件和灯具的零件，它的强化元素主要是锰元素，主要优点是它出色的防锈性能同时它易于成型、易于熔接还具有不错的耐腐蚀能力。四系列的铝合金具有强度高的优点，它含有较多的硅元素作为锻造材料具有广泛的应用。四系列的铝合金的熔点较低同时具有耐热性好耐磨性好耐腐蚀好的特点。添加了镁元素五系列铝合金又称为铝镁合金。它具有很高的疲劳强度，适合铸造成型不适合挤压成型，它是中强度铝合金的典型代表，在手机材料中非常常用。六系列铝合金在手机上也有较多运用，还广泛制作成带卡扣的部件类似于电池盖等。接下来介绍的是本文研究的材料七系列铝合金。它作为航空方面需求量很大的合金，目前我国的生产水平还有待提高，七系列的铝合金需求还主要依赖国外进口来满足。八系列的铝合金大部分应用是作为铝箔，属于其它系列^[3]。

1.1.2 7075铝合金简述

7075铝合金是超硬铝合金的典型代表，自从它的出生到现在都具有十分广泛的应用。1944年它作为首个定型的超硬铝就被当时的美国、前苏联、日本用于飞机的制造，时至今日它仍然作为结构材料在航空航天领域广泛应用^[4]。当然经过了七十多年的发展，7075合金已经发展成为一个大的族群，现在最常用的有三个系列，分别是7075系列7175系列7475系列，7275系列和7375系列因为性能不满足要求所以基本被淘汰。表1.1展示了常用的三个铝合金的成分。

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