基于正交切削模型的刀具前角對(duì)切削力及切削溫度的影響--lemon

1、基于正交切削模型的刀具前角對(duì)切削力及切削溫度的影響摘要：在金屬切削過(guò)程中，刀具的形狀直接影響金屬切削質(zhì)量。本文基于大變形大應(yīng)變理論、增量理論以及更新拉格朗日算法，建立了二維彈塑性金屬斜刃切削有限元模型；自動(dòng)對(duì)畸變網(wǎng)格進(jìn)行重劃分；通過(guò)用不同的刀具前角對(duì)金屬刀具切削過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析總結(jié)結(jié)果，得出刀具切削過(guò)程中在不同切削前角時(shí)，切削力、刀具與工件的應(yīng)力應(yīng)變、溫度的分布情況；對(duì)選用刀具形狀，提高切削表面質(zhì)量提供了理論依據(jù)。本文的研究為后期研制新的刀具材料提供了理論依據(jù)，降低實(shí)驗(yàn)成本。關(guān)鍵字：大變形大應(yīng)變理論;增量理論;有限元模型;刀具前角；數(shù)值模擬Abstract: The geometric

2、al shape of tool has a direct effect on the quality of workpiece in the process of metal cutting. A 2 dimensional elasto-plastic finite element model of metal oblique cutting is developed in this study based on large deformation- large strain theory, incremental theory and updating Lagrangian formul

3、ation; in order to determine the chip separation, the geometrical separation criterion (distance criterion) is adopted; an automatic remesh technique is used to remesh the distortion mesh; a couple of numerical simulations have been developed on the metal oblique cutting process with different tool

4、rake angles, some conclusions are obtained according to the simulation results : the variational rule of cutting force, and also the corresponding distribution of stress and strain. Theory foundations are provided to the selection of tool geometry and to improve the surface quality of workpiece. Key

5、 words: large deformation-strain theory; incremental theory; finite element model; rake angle;1 緒論11簡(jiǎn)介隨著現(xiàn)代機(jī)械制造技術(shù)的發(fā)展，提高切削質(zhì)量，降低切削成本成為市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的前提。切削過(guò)程是一個(gè)很復(fù)雜的工藝過(guò)程，不需要的金屬層被不斷去除以形成切屑，最終留下與設(shè)計(jì)精度及尺寸要求相符的產(chǎn)品。切削過(guò)程不但涉及到彈性力學(xué)、塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)，還有熱力學(xué)、摩擦學(xué)等，而且切削質(zhì)量受到刀具形狀、切屑流動(dòng)、溫度分布、熱流和刀具磨損等影響1。但是，利用傳統(tǒng)的解析方法，很難對(duì)切削機(jī)理進(jìn)行定量的分析和研究。切削操作人員

6、和刀具制造商往往都是利用試錯(cuò)法(trial-and-error Method)來(lái)獲取一些經(jīng)驗(yàn)值，既費(fèi)時(shí)費(fèi)力，又增加了生產(chǎn)成本，嚴(yán)重阻礙了切削技術(shù)的發(fā)展2。 計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展使得利用數(shù)值模擬方法來(lái)研究切削加工過(guò)程以及各種參數(shù)之間的關(guān)系成為可能。近年來(lái)，有限元方法在切削工藝中的應(yīng)用表明，切削工藝和切屑形成的有限元模擬對(duì)了解切削機(jī)理，提高切削質(zhì)量是很有幫助的。這種數(shù)值模擬方法適合于分析彈塑性大變形問(wèn)題，包括分析與溫度相關(guān)的材料性能參數(shù)和很大的應(yīng)變速率問(wèn)題。它還可以預(yù)測(cè)切削力變化規(guī)律以及切削后的溫度分布，優(yōu)化切削參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)切削過(guò)程的控制。本研究通過(guò)對(duì)不同刀具前角的金屬刀具切削進(jìn)行數(shù)值模擬，分

7、析模擬結(jié)果，得出切削過(guò)程中切削力，刀具與工件的溫度、應(yīng)力應(yīng)變的分布情況。本文中工件材料為45號(hào)鋼，刀具材料為硬質(zhì)合金YT15，基于大變形大應(yīng)變理論、增量理論以及更新拉格朗日建立了二維彈塑性金屬切削熱力耦合有限元模型，為了避免刀具穿透工件而進(jìn)入工件表層導(dǎo)致與實(shí)際切削不相符的情況出現(xiàn)，軟件采用幾何分離準(zhǔn)則（距離準(zhǔn)則）判斷材料的分離，并自動(dòng)對(duì)畸變網(wǎng)格進(jìn)行重劃分，從而提高了求解效率與求解精度。12 切削過(guò)程有限元模擬技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r1 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，它大大提高了分析的精度，1973年美國(guó)Illinois大學(xué)的B.E.Klamecki最先系統(tǒng)地研究了

8、金屬切削加工中切屑(chip)形成的原理，1980年美國(guó)的North Carolina州立大學(xué)的M.R. Lajczok在其博士學(xué)位論文中應(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)。1984年，Iwata等將材料假定為剛塑性材料，利用剛塑性有限元方法分析了在低切削速度、低應(yīng)變速率的穩(wěn)態(tài)正交切削圈。但是，他們都沒(méi)有考慮彈性變形，所以沒(méi)有計(jì)算出殘余應(yīng)力。Strebjiwsjum和Carroll將工件材料假定為彈塑性，在工件和切屑之間采用絕熱模型

9、，模擬了從切削開始到切屑穩(wěn)定成形的過(guò)程。他們采用等效塑性應(yīng)變作為切屑分離的準(zhǔn)則，在模擬中，等效塑性應(yīng)變值的選擇影響了加工表面的應(yīng)力分布。1990年，Strenkowski和Moon模擬了切屑形狀，用Euler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。Komvopoulos和Erpenbeck用庫(kù)侖摩擦定律通過(guò)正交切削解析方法得到了刀具與切屑之間的法向力和摩擦力。用彈塑性有限元模型研究了鋼質(zhì)材料正交切削中刀具側(cè)面磨損、積屑瘤及工件中的殘余應(yīng)力等。 Furukawa和Moronuki用實(shí)驗(yàn)方法研究了鋁合金超精密切削中工件表面的光潔度對(duì)加工質(zhì)量的影響。分析表明，當(dāng)

10、切削深度在10m左右時(shí)，最小切削力的范圍在10N左右, Naoyo Ikawa用精密切削機(jī)床在實(shí)驗(yàn)中測(cè)量了紅銅材料切屑形成和切削深度之間的相互影響，實(shí)驗(yàn)中采用的切削深度在10m左右。Toshimichi Moriwaki等用剛塑性有限元模型來(lái)模擬了上面的實(shí)驗(yàn)。他們模擬了切削深度在毫米到納米范圍內(nèi)紅銅材料正交切削過(guò)程中的溫度場(chǎng)。 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)被加工表面的殘余應(yīng)力和應(yīng)變，美國(guó)Ohio州立大學(xué)凈成形制造(Net Shape Manufacturing

11、)工程研究中心的T. Altan教授，在國(guó)際上金屬塑性加工界享有很高學(xué)術(shù)聲譽(yù)，在金屬塑性成形數(shù)值模擬方面做出了許多令人矚目的成就，近年來(lái)他與意大利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。13 硬質(zhì)合金簡(jiǎn)介3硬質(zhì)合金是粉末冶金制品，是將高硬度、高熔點(diǎn)的金屆碳化物(又稱難熔金屬碳化物)粉末，用(b、DIo及Ni等金屬作粘結(jié)劑壓制、燒結(jié)而成的粉末冶金制品。硬質(zhì)合金的組成與特點(diǎn)如下： 硬質(zhì)合金中的碳化物(WC,TiC，TaC等)的硬度高、熔點(diǎn)高。碳化物所占的比例越大，硬度越高；碳化物的粒度越小，則碳化物顆粒的總團(tuán)積越大，而粘結(jié)層的厚度減小，即相當(dāng)于

12、粘結(jié)層金屬相對(duì)減少，使其硬度提高，抗彎強(qiáng)度降低：因此，硬質(zhì)合金的硬度、耐磨性和耐熱性都高于高速鋼。由于硬質(zhì)合金具有高的熱硬性(可達(dá)1000左右)，允許切削速度為高速鋼的數(shù)倍，故門前已成為主要刀具材料之一。但硬質(zhì)合金抗彎強(qiáng)度較低，脆性大,承受沖擊能力較差，制造工藝性較差，刃口不如高速鈉鋒利.目前國(guó)內(nèi)外已研制出許多新型硬質(zhì)合金，提高了綜合件能。 目前常用于切削加工的硬質(zhì)合金都是以WC(碳化鎢)為基體，主要有如下三類 1鎢鈷類硬質(zhì)合金(WC-Co)，代號(hào)為YG。TG類硬質(zhì)合合的硬質(zhì)相材料是WC，粘結(jié)別足Co。2鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金(WCTiCCo)，代號(hào)為YT。YT類硬質(zhì)合金的硬質(zhì)相材料是WC利TiC，

13、粘結(jié)劑為Co。3鎢鈦鉭(鈮)鈷類硬質(zhì)合金WCTicTaC(NbC)Co，代號(hào)為YW。YW類硬質(zhì)合金也叫通用硬質(zhì)合金，是種用途廣泛的硬質(zhì)合金，已部分代替YT和YG類硬質(zhì)合金。 各類牌號(hào)中，含鈷量越多，韌性越好，適用于粗加工；含碳化物量越多，熱硬性越高韌性越差，適用于精加工。2 DEFORM2d軟件的簡(jiǎn)介21 DEFORM簡(jiǎn)介4DEFORM 模擬軟件是SFTC( Scientific Forming Technologies Corporation)公司的產(chǎn)品。DEFORM是一套基于有限元的工藝模擬系統(tǒng)，用于分析金屬成形及相關(guān)工業(yè)的各種成形工藝和熱處理工藝。通過(guò)在計(jì)算機(jī)上模擬整個(gè)加工過(guò)程，幫助工程

14、師和設(shè)計(jì)人員：1）設(shè)計(jì)工具和產(chǎn)品工藝流程，減少昂貴的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成本；2）提高工模具設(shè)計(jì)效率，降低生產(chǎn)和材料成本，縮短新產(chǎn)品的研究開發(fā)周期。DEFORM是一個(gè)高度模塊化，集成化的有限元模擬系統(tǒng)，它主要包括前處理器，模擬器，后處理器三大模塊。前處理器處理模具和坯料的材料信息及幾何信息的輸入，成形條件的輸入，建立邊界條件，它還包括有限元網(wǎng)格自動(dòng)生成器；模擬器是集彈性，彈塑性，剛（粘）塑性，熱傳導(dǎo)于一體的有限元求解器；后處理器是將模擬結(jié)果可視化，支持OPGL圖形模式，生成復(fù)雜的動(dòng)畫和重放功能，允許用戶實(shí)時(shí)圖示材料流動(dòng)和場(chǎng)變量的變化，并輸出用戶所需的模擬數(shù)據(jù)。 1）成形分析：（1）冷、溫、熱鍛的成形和熱傳

15、導(dǎo)偶合分析，提供材料流動(dòng)，模具充填，成形載荷，模具應(yīng)力，纖維流向，缺陷形成和韌性破裂等信息；（2）豐富的材料數(shù)據(jù)庫(kù)，包括各種鋼、鋁合金、鈦合金等，用戶還可自行輸入材料數(shù)據(jù)；（3）剛性，彈性和熱粘塑性材料模型，特別適用于大變形成形分析，彈塑性材料模型適用于分析殘余應(yīng)力和回彈問(wèn)題，燒結(jié)體材料模型適用于分析粉末冶金成形；完整的成形設(shè)備模型可以分析液壓成形，錘上成形，螺旋壓力成形和機(jī)械壓力成形；溫度、應(yīng)力、應(yīng)變、損傷及其他場(chǎng)變量等值線的繪制使后處理簡(jiǎn)單明了。 2）熱處理：1）模擬正火、退火、淬火、回火、滲碳等工藝過(guò)程；2）預(yù)測(cè)硬度、晶粒組織成分、扭曲和含碳量；3）可以輸入頂端淬火數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)最終產(chǎn)品的硬

16、度分布；4）可以分析各種材料晶相，每種晶相都有自己的彈性、塑性、熱和硬度屬性?；旌喜牧系奶匦匀Q于熱處理模擬中每步各種金屬的百分比。 DEFORM用來(lái)分析變形、傳熱、熱處理、相變和擴(kuò)散之間復(fù)雜的相互作用，各種現(xiàn)象之間相互耦合。擁有相應(yīng)的模塊之后，這些耦合將包括：由于塑性變形引起的升溫、加熱軟化、相變控制溫度、相變內(nèi)能、相變塑性、相變應(yīng)變、應(yīng)力對(duì)相變的影響以及含碳量對(duì)各種材料屬性產(chǎn)生的影響等。22 DEFORM 網(wǎng)格劃分及重劃分簡(jiǎn)介 DEFORM 2D可以提供在普通工作站和PC機(jī)上，對(duì)對(duì)稱軸和平面零件的應(yīng)力變形模擬。DEFORM 2D允許用戶通過(guò)選擇平面應(yīng)力單元或軸對(duì)稱單元生成一個(gè)2D模型。他們

17、是擁有4個(gè)接點(diǎn)的四邊形?？赡M的材料為彈性材料、塑性材料、剛性材料、彈塑性材料或者多孔材料。通過(guò)選擇等溫或非等溫過(guò)程可以模擬溫度的影響。軟件提供的數(shù)據(jù)庫(kù)提供了多種材料屬性(如普通鋼、鋁合金、欽合金或超級(jí)合金)。該軟件主要包括三個(gè)主要部分:預(yù)處理、模擬和后置處理。23 DEFORM進(jìn)行模擬的步驟5通常，DEFORM分析一個(gè)制造工程實(shí)際問(wèn)題的步驟如下:定義工程實(shí)際問(wèn)題;收集所需的數(shù)據(jù);生成FEM網(wǎng)格;生成一個(gè)DEFORM數(shù)據(jù)庫(kù);進(jìn)行模擬;處理模擬結(jié)果。其具體步驟為:創(chuàng)建新文件用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。在Problem ID中鍵入一個(gè)新名字，然后就進(jìn)人了一個(gè)預(yù)處理菜單，模擬和后置處理。預(yù)處理菜單包括以下內(nèi)容:(

18、I)材料屬性的選擇彈性、塑性材料和傳熱系數(shù)，如揚(yáng)氏模量、熱膨脹系數(shù)、應(yīng)力、傳熱系數(shù)、熱能等。(2)對(duì)象的確定包括幾何特征、單元網(wǎng)格、運(yùn)動(dòng)、溫度、邊界定義、溫度邊界(在工件和刀具接觸區(qū)域定義一個(gè)細(xì)化的單元區(qū)域)的確定。假設(shè)刀具運(yùn)動(dòng)，工件保持不動(dòng)，環(huán)境溫度20，需要定義刀具和工件的溫度與變形的邊界條件。(3)對(duì)象邊界定義刀具和工件的接觸條件、摩擦等。(4)模擬控制確定參數(shù)、算法和步驟。(5)數(shù)據(jù)庫(kù)核對(duì)并生成數(shù)據(jù)庫(kù)。(6)進(jìn)行模擬。3 切削理論圖1 切削變形區(qū)分布圖31切削變形區(qū)如圖1示，切削中的金屬根據(jù)其塑性變形特性可分為以下三個(gè)變形區(qū)：第變形區(qū)：這一區(qū)間內(nèi)金屬的變形特點(diǎn)是只發(fā)生沿滑移線的剪切變形

19、以及隨之產(chǎn)生的加工硬化。進(jìn)入該區(qū)之前的金屬只發(fā)生彈性變形而沒(méi)有塑性變形，因此這一區(qū)間又叫做剪切區(qū)。在一般切削速度范圍內(nèi)，第一變形區(qū)的寬度僅約0.020.2mm6，所以也可以用一個(gè)剪切面來(lái)予以表示。第變形區(qū)：切屑在前刀面上進(jìn)一步受到前刀面擠壓和摩擦，靠近前刀面處的金屬纖維化。第變形區(qū)：已加工表面受到刀尖圓角和后刀面的擠壓和摩擦，造成金屬纖維化和加工硬化。這三個(gè)變形區(qū)匯集在切削刃附近，應(yīng)力比較集中而且復(fù)雜，金屬的被切削層就在此處分離，一部分變成切屑，一部分留在已加工表面上。切削刃對(duì)于切屑的切除和已加工表面的形成有很大關(guān)系。俗語(yǔ)說(shuō)：“好刀看刃”，說(shuō)明切削刃的重要性5。32 工件材料模型第一變形區(qū)中的

20、彈性變形可以忽略不計(jì)，工件材料模型簡(jiǎn)化為不可壓縮的彈粘塑性材料。這一方法已經(jīng)由Shih等6使用并驗(yàn)證?？紤]到材料的非線性問(wèn)題，工件材料的流動(dòng)應(yīng)力應(yīng)該由Von Mise屈服準(zhǔn)則來(lái)描述，即：“材料處于塑性狀態(tài)時(shí)，等效應(yīng)力始終是一不變的定值?！庇霉奖硎?為： 3-1 即： 3-2其中為等效應(yīng)力，為材料屈服應(yīng)力，為第i主應(yīng)力（i1，2，3）假設(shè)剪切區(qū)中的塑性變形能完全轉(zhuǎn)化為熱能，則塑性變形的熱能產(chǎn)生率可以通過(guò)Norton-Hoff法則表示為剪切流動(dòng)應(yīng)力k，應(yīng)變率，變形效率以及應(yīng)變率敏感指數(shù)m的函數(shù)，如下式9： 3-333 前刀面上的摩擦6 切削鋼一類金屬時(shí)，法應(yīng)力（名義單位面積上的法向力）在前刀面上

21、的分布如圖2所示5。由于法應(yīng)力的分布不均勻，近切削刃處甚大，而遠(yuǎn)切削刃處甚小，因而在刀削接觸長(zhǎng)度OB上存在兩種類型的接觸。在OA一段（前區(qū)）上形成緊密型接觸，在AB一段（后區(qū)）上形成峰點(diǎn)型接觸?；趲?kù)侖摩擦準(zhǔn)則，刀屑接觸表面摩擦可以由3-4式和3-5式表示6：,當(dāng)時(shí)（滑動(dòng)區(qū)） 3-4，當(dāng)時(shí)（粘著區(qū)） 3-5為材料剪切流動(dòng)應(yīng)力圖2 刀屑接觸表面摩擦模型34 切削熱二維切削模擬時(shí)，熱傳導(dǎo)方程為1： 3-6式中T=T(x,y)為溫度分布；為熱傳導(dǎo)系數(shù)；為比熱；Q為單位體積內(nèi)的熱生成率，可以通過(guò)等效應(yīng)力和等效應(yīng)變速率來(lái)計(jì)算1： 3-7 式中，J為熱功當(dāng)量。35 刀具磨損351 刀具磨損的原因?yàn)榱藴p小和

22、控制刀具的磨損，為了研制新的刀具材料，必須研究刀具磨損的原因和本質(zhì)。切削過(guò)程中的刀具磨損具有下列特點(diǎn)：（1） 刀具與切屑、工件間的接觸表面經(jīng)常是新鮮表面。（2） 接觸壓力非常大，有時(shí)超過(guò)被切削材料的屈服強(qiáng)度。（3） 接觸表面的溫度很高，對(duì)于硬質(zhì)合金刀具可達(dá)8001000，對(duì)于高速鋼刀具300600。上述條件下工作，刀具磨損經(jīng)常是機(jī)械的、熱的、化學(xué)的三種作用的結(jié)果，可以產(chǎn)生磨料磨損、冷焊磨損和氧化磨損等。圖3 典型的刀具磨損曲線352 刀具磨損的過(guò)程6后刀面磨損量VB隨切削時(shí)間t的增大而增大。圖3為典型的刀具磨損曲線，其磨損過(guò)程分為三個(gè)階段：1 初期磨損階段這一階段磨損曲線的斜率較大。由于刃磨損

23、后的新刀具，其后刀面與加工表面間的實(shí)際接觸面積很小，壓強(qiáng)很大，故磨損很快。此外，新刃磨后的刀面上的微觀不平度也加速了磨損。初期磨損量的大小與刀具刃磨損質(zhì)量也有很大關(guān)系，通常在VB=0.050.1mm之間。經(jīng)過(guò)研磨的刀具，其初期磨損量小，而且要耐用的多。2 正常磨損階段經(jīng)過(guò)初期磨損，后刀面上被磨出一條狹窄的棱面，壓強(qiáng)減小，故磨損量的增加也緩慢下來(lái)，并且比較穩(wěn)定。這就是正常磨損階段，也是刀具工作的有效階段。這一階段中磨損曲線基本上是一條上行的直線，其斜率代表刀具正常工作時(shí)的磨損強(qiáng)度。磨損強(qiáng)度是比較刀具切削性能的重要指標(biāo)之一。3 劇烈磨損階段刀具經(jīng)過(guò)正常磨損階段后，切削刃顯著變鈍，切削力增大，切削溫

24、度升高。這時(shí)刀具磨損情況發(fā)生了質(zhì)的變化而進(jìn)入劇烈磨損階段。這一階段的磨損曲線斜率很大，即磨損強(qiáng)度很大。此時(shí)刀具如繼續(xù)工作，則不但不能保證加工質(zhì)量，而且刀具材料消耗過(guò)多，經(jīng)濟(jì)上是不合算的。故應(yīng)當(dāng)使刀具避免發(fā)生劇烈磨損。4 切削加工的有限元模擬VC切削速度 L1進(jìn)給量（切削深度）圖4 車削過(guò)程示意圖車削過(guò)程如圖4所示。盡管車削加工是3D的，但是2D模擬的精度就足夠了。在Z向上的力與其他力相比很小，可以忽略不計(jì)。為了更有效地對(duì)切削過(guò)程進(jìn)行有限元分析，對(duì)其做以下假設(shè)：(1)、切削過(guò)程進(jìn)入穩(wěn)定階段后只生成連續(xù)切屑；(2)、刀具為剛體：不發(fā)生變形但可以進(jìn)行溫度分析；(3)、工件材料為彈粘塑性41 工件模型

25、工件模型的幾何參數(shù)為：長(zhǎng)10mm，厚度5mm，切削厚度為0.14mm，切削層厚度遠(yuǎn)小于工件寬度（10mm），因此可認(rèn)為工件為平面應(yīng)變狀態(tài)。工件網(wǎng)格使用穩(wěn)定性較好的平面四邊形單元以減少切削過(guò)程中網(wǎng)格出現(xiàn)較大的變形。如圖5，可以看到工件上的網(wǎng)格在右上角密度很大，這是因?yàn)榍邢髦辉诠ぜ纳喜堪l(fā)生，工件下部不是本研究的主要對(duì)象，同時(shí)在工件上畫了3個(gè)網(wǎng)格細(xì)化窗口，并且這三個(gè)網(wǎng)格窗口是隨著刀尖的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)的。這樣劃分網(wǎng)格可以節(jié)約計(jì)算時(shí)間，提高模擬效率；同時(shí)考慮到切削過(guò)程中有較大的網(wǎng)格變形出現(xiàn)，并規(guī)定當(dāng)網(wǎng)格畸變量達(dá)到網(wǎng)格寬度的1/2時(shí)，進(jìn)行一次重劃分，做這一設(shè)定一方面解決了局部變形的精確求解，另一方面節(jié)省了求

26、解時(shí)間以及內(nèi)存消耗。圖5 切削加工的幾何模型工件右邊單元固定x方向位移，下方固定y方向位移，單元完全固定，刀具只在水平方向產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。工件材料為45鋼，性能如表設(shè)置。表1 工件材料性能6b（MPa）s（MPa）泊松比楊氏模量(GPa）硬度HBS密度（g/mm3）6003550.32122997.85×10-342 刀具模型刀具為硬質(zhì)合金鋼YT15，在本研究中將刀具假定為剛體，不對(duì)其進(jìn)行變形分析，只進(jìn)行熱傳導(dǎo)分析，因此不用輸入材料力學(xué)性能參數(shù)，刀具熱導(dǎo)率為121.4Wm1-1，熱容為460J·kg-1 ·-1；刀具網(wǎng)格為四邊形網(wǎng)格，因?yàn)榈都馐侵饕芰^(qū)，因此在刀尖處設(shè)

27、置了細(xì)化框；由于刀具不發(fā)生塑性變形，因此不需對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格重劃分；刀具后角為6°，刀尖圓角半徑為0.2mm；刀具前角分別為-15º、-10º、-5º、0º、5º、10º、15º；刀具做勻速運(yùn)動(dòng)，切削速度為1500mm·s-1。刀具的其他性能參數(shù)見表2。因?yàn)榈毒叩牟牧显贒eform材料數(shù)據(jù)庫(kù)中沒(méi)有，故需通過(guò)添加新材料的方式將其性能加入有限元軟件中。做了的7次模擬。表2 刀具材料性能6密度（g/mm3）抗彎強(qiáng)度（GPa）熱容量 (J/(Kg·K)熱導(dǎo)率 (N/(s·K)彈性模量（GPa）泊松

28、比硬度HRA11. 3×10-31.1346033.55150.229143 其他切削參數(shù)本次課題中，所采用的其他切削參數(shù)如下表3，4所示。表3 切削條件切削速度(mm/s)1500切削深度(mm)0.141進(jìn)刀量(mm/r)0.1刀具主偏角(º)45刀具后角(º)6表4 模擬設(shè)置摩擦系數(shù)（庫(kù)倫摩擦模型）0.4對(duì)流換熱系數(shù)（N/(sec·mm· ºC)）0.02 熱傳導(dǎo)系數(shù)（W/(m·K)）45 環(huán)境溫度（ºC）20 單次模擬刀具切削距離(mm)10注：簡(jiǎn)化刀具工件接觸摩擦，并選用庫(kù)侖摩擦模型4；摩擦系數(shù)由王薦同學(xué)

29、的課題給出44 本次模擬的具體設(shè)置過(guò)程圖6 預(yù)處理菜單設(shè)置(1)進(jìn)人預(yù)處理菜單。打開模擬控制，選擇幾何形狀為平面(plain strain);熱傳遞(Heat transfer)選擇Y；變形(Deformation)選擇Y；然后進(jìn)人模擬步驟控制：Step controls/stopping controls；選擇模擬的間隔數(shù)目(Select a number of simulation steps ):通常在剛開始時(shí)選擇5；確定主要模型(set up a primary die)，如圖6所示。圖7 確定刀具屬性(2)單擊對(duì)象(object )，導(dǎo)入刀具模型，設(shè)置刀具的相關(guān)參數(shù)。1)導(dǎo)入刀具模型

30、，確定類型:刀具為tool/rigid，如圖7所示.。圖8 對(duì)刀具劃分網(wǎng)格2)對(duì)刀具劃分網(wǎng)格。如圖8劃分網(wǎng)格，并設(shè)定刀具的速度為1500mm/sec，確定變形和溫度的正確界條件。3）刀具速度設(shè)置3)進(jìn)入材料屬性菜單(material properties )。單擊“+”符號(hào)，添加“groups”。根據(jù)表2在工件的材料表內(nèi)填寫材料的彈性(elastic )、塑性(plastic)和傳熱(thermal)數(shù)據(jù)(data )。選擇刀具的材料特性數(shù)據(jù)，如圖9。并為刀具選擇此材料。圖9 添加刀具材料4)設(shè)置刀具的熱傳導(dǎo)面，如圖10。(3)同上將工件導(dǎo)入，劃分有限元網(wǎng)格，選擇材料，設(shè)定相應(yīng)屬性。工件的有限

31、元網(wǎng)格設(shè)置是一個(gè)有技巧的地方。如圖5所示，工件上畫三個(gè)細(xì)化窗口（原因見4.1節(jié)）。使用絕對(duì)密度劃分，最內(nèi)的窗口的網(wǎng)格設(shè)置為0.00005in ，外面兩個(gè)設(shè)置為0.0001in。（該處單位是軟件不能改變，全局使用的國(guó)際單位制。）(4)因工件與刀具是在CAXA中定好位再輸出的，不需在Deform中再次定位。進(jìn)入Inter object interface界面單擊inter object，確定摩擦關(guān)系值如圖11所示。點(diǎn)使工件與刀具建立關(guān)聯(lián)。(5)建立數(shù)據(jù)庫(kù)、保存退出、運(yùn)行。圖11 確定內(nèi)部相互關(guān)系 建立相互關(guān)聯(lián)圖10 設(shè)置刀具的熱傳導(dǎo)面5 切削模擬結(jié)果分析圖12 模擬過(guò)程中切屑變形圖刀具類型是決定切

32、削變形的一個(gè)重要參數(shù)，特別是前角，作為刀具幾何構(gòu)成的一個(gè)元素，在很大程度上影響著刀屑的接觸。通常在給定其它切削條件下前角都有一個(gè)最優(yōu)值。如果前角在這個(gè)優(yōu)化值的基礎(chǔ)上繼續(xù)加大，使得切削刃與刀尖的強(qiáng)度降低，刀尖的導(dǎo)熱面積和容熱體積減??；過(guò)分增大前角，有可能導(dǎo)致切削刃處出彎曲應(yīng)力造成崩刀6。另一方面，較小的前角使得刀屑接觸區(qū)較長(zhǎng)，前刀面與切屑的摩擦大，產(chǎn)生的切削熱多，消耗的切削功率大，同時(shí)也容易加大刀具磨損。圖12為模擬過(guò)程中切屑變形圖。本文中，選取了7個(gè)前角值：-15°，-10°，-5°，0°，5°，10°，15°進(jìn)行對(duì)比研究。

33、51 主切削力變化的分析如上文所述，金屬二維切削模擬問(wèn)題可以看作是平面應(yīng)變狀態(tài)，主切削力就是和刀具運(yùn)動(dòng)方向相同的力。為了獲得切削力，可以認(rèn)為切削力是前刀面與切屑以及后刀面與已加工表面之間的應(yīng)力的合力在刀具運(yùn)動(dòng)方向的分量10。切削金屬的變形程度可以用切屑厚度與切削層厚度之比表示，或者用切削層長(zhǎng)度與切屑長(zhǎng)度之比表示，如5-1、5-2式6： 5-1 5-2由于工件上切削層變成切屑后寬度變化很小，根據(jù)體積不變?cè)恚@然5：圖13不同前角切削進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后的切削力圖14 10°切削力隨切削距離變化111116入穩(wěn)定狀態(tài)后的切削力值圖 5-3圖13為不同前角切削進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后的切削力值。理論值是

34、通過(guò)當(dāng)-15°時(shí)，切削力最大為457.2163N。隨著的增加，一方面使前刀面擠壓切削層時(shí)的塑性變形減小，即式5-3中的減??；另一方面減小切削流經(jīng)前刀面的摩擦阻力，因此切削力減小。由主切削力公式11：5-4知切削力隨的變化而變化，由表5知，F(xiàn)Z有隨前角增加而增大的趨勢(shì)，由圖13可見模擬的結(jié)果比較符合理論值。表5 前角修正系數(shù)表12參數(shù)刀具材料修正系數(shù)名稱數(shù)值名稱切削力FZFYFX前角-15硬質(zhì)合金1.252.02.0-101.21.81.801.11.41.4101.01.01.0200.90.70.7本文單獨(dú)提取10°時(shí)切削力隨增量步變化曲線圖，如圖14所示。切削力從零線性

35、增加至穩(wěn)態(tài)時(shí)的397.7966N左右，此后切削力保持在這一值上下小范圍內(nèi)波動(dòng)（最大相對(duì)誤差為：3.6%）。在切削起始階段，消耗的切削功主要用于克服工件的彈性變形，同時(shí)，刀屑接觸面積逐漸增加，因此切削力呈上升趨勢(shì)；當(dāng)切削達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)后，切削力便保持一個(gè)較為穩(wěn)定的值。這于切削理論相符，符合切削規(guī)律，可見模擬是成功的。52 切削溫度的分析切削溫度在模擬中考慮了刀具在前刀面和后刀面與工件摩擦引起的工件、切屑和刀具溫度變化工件內(nèi)部由于塑性變形引起的溫度變化以及工件內(nèi)部的熱力偶合。圖15為工件、切屑和刀具內(nèi)部的溫度分布:。從圖15中可以看到最高溫度集中在刀鋒附近的局部變形區(qū)域內(nèi)和刀鋒處，因?yàn)檫@里是塑性變形和

36、摩擦比較集中的地方。在第500步工件的最高溫度達(dá)到736。從圖15中還可以看出工件的已加下表面也有很高的溫度，這會(huì)使工件產(chǎn)生殘余變形和殘余應(yīng)力。圖15 第500步時(shí)的切屑與刀具的溫度分布圖16為刀具工件第500步時(shí)最高溫度隨前角變化曲線。工件表面最高溫度隨值增大而減小，這是由于值增大，切削變形，產(chǎn)生切削熱少，因此工件表面溫度降低；對(duì)于刀具而言，由于增大前角導(dǎo)致刀具與切屑的接觸面積減小，即刀具上通過(guò)切屑帶走的熱量大大減少，刀具表面散熱條件變差，因此前刀面溫度反而有所圖16 為刀具工件第500步時(shí)最高溫度隨前角變化曲線圖17第500步附近的平均剪切角的數(shù)值上升。53 剪切角分析剪切角中是剪切滑移而

37、與切削速度間的夾角，剪切角的大小直接反映了切削變形的大小，是研究金屬切削過(guò)程中一個(gè)很重要的參數(shù)。由麥錢特公式65-1算得的剪切角 5-5式中為剪切角，為摩擦角（，為刀具與工件間的庫(kù)侖摩擦系數(shù)），為刀具前角。根據(jù)剪切角的定義，借助該軟件測(cè)量出的剪切角，則為通過(guò)有限元法計(jì)算出的剪切角的大小。在所模擬的7組中，提取了第500步附近的平均剪切角的數(shù)值，如圖17所示?？梢钥闯瞿M的結(jié)果符合了理論的趨勢(shì)隨前角的增大而增加。剪切角若減小，切削便變厚、變短，變形系數(shù)便增大。從圖中也可以看出，應(yīng)當(dāng)選用10°的前角比較合理。-5度點(diǎn)是一個(gè)問(wèn)題點(diǎn)，筆者估計(jì)認(rèn)為是在第500步時(shí)，網(wǎng)格畸變?cè)斐傻摹?4 關(guān)于設(shè)

38、置工件自接觸的分析 (a) (b) 圖18 切削模擬中出現(xiàn)的不合理現(xiàn)象筆者在做模擬時(shí)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)現(xiàn)象，切屑卷曲起來(lái)后會(huì)出現(xiàn)如圖18(a)的現(xiàn)象。這在實(shí)際的切削過(guò)程是不可能出現(xiàn)的。切屑插入工件就意味著一種接觸如圖18(b)，但圖中切屑在預(yù)設(shè)置中并不能單獨(dú)的表示出來(lái)，因此不能將此類接觸表示出來(lái)。因?yàn)榍行寂c工件還連在一起，故在設(shè)置中增加了工件與工件的自接觸設(shè)置，如圖11中(1) workpiece - workpiece的摩擦設(shè)置，并簡(jiǎn)化它為庫(kù)侖摩擦，設(shè)摩擦系數(shù)為0.4。增加了設(shè)置后，所做的長(zhǎng)距離切削模擬就沒(méi)有發(fā)生類似圖18(a)的現(xiàn)象，而產(chǎn)生了如圖12的正常卷屑，更接近真實(shí)切削中的切屑形成。但筆者認(rèn)

39、為，切屑接觸工件的時(shí)候，其摩擦未必是庫(kù)侖摩擦，并且所選取的摩擦系數(shù)沒(méi)有資料可查，故可能增加了模擬的不準(zhǔn)確性，研究方向結(jié)論本文運(yùn)用有限元分析軟件對(duì)平面應(yīng)變狀態(tài)下的金屬切削模型進(jìn)行了分析研究。預(yù)測(cè)切削力，切削溫度以及應(yīng)力應(yīng)變受刀具前角改變的影響，認(rèn)為可以得出以下結(jié)論：(1)隨著刀具前角從-15°逐漸增加10°，主切削力逐漸減小，且在 -15 º0°區(qū)間內(nèi)，前角改變對(duì)主切削力的影響比在0°10°區(qū)間內(nèi)的影響大；在10º15º主切削力逐漸增大。(2)隨著刀具前角增加，工件表面溫度下降，刀具表面溫度稍有增加，且刀具工件接觸溫度的最大值并未出現(xiàn)在刀尖處而是在刀屑接觸的前刀面附近。(3)由于該有限元模型中對(duì)于切削的條件，如：工件、刀具的材料，切削速度、深度等因素都是可以改變的。故該模型可