基于Ansys的金屬切削過程研究

1、江蘇科技大學(xué)本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計（論文）學(xué) 院 機電與汽車工程學(xué)院 專 業(yè) 機械電子工程 學(xué)生姓名 周華兵 班級學(xué)號 1145523238 指導(dǎo)教師 邱小虎 二零一五年六月江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)論文基于Ansys的金屬切削過程分析研究Research on metal cutting process based on Ansys江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文)摘要 本文通過對金屬切削過程進行深入的理論分析，以材料變形的彈塑性有限元理論為基礎(chǔ)，建立了45號鋼材料的正交切削有限元分析模型，借助大型商業(yè)有限元軟件ANSYS強大的大變形分析功能，對45號鋼材料正交金屬切削過程進行了模擬分析。對切削過程

2、中的兩個重要部分：應(yīng)力場、溫度場進行模擬分析。由于在現(xiàn)有的ANSYS軟件中，用于切削過程分析中的直接熱結(jié)構(gòu)耦合單元較少，且分析過程大多不穩(wěn)定，難度較大，在本文中分別采用不同的單元類型和分析類型將應(yīng)力和熱分開分析，得到更穩(wěn)定直觀的分析結(jié)果。在應(yīng)力場分析中，討論了工件的殘余應(yīng)力、殘余應(yīng)變、切削過程中工件、切屑、刀具的應(yīng)力分布，以及工件與切屑的接觸類型，切削分離等問題。在溫度場分析中，單獨考慮工件與刀具的接觸類型，為相對滑動，因此建立了兩者的滑動摩擦分析模型，通過模擬切削過程中的摩擦生熱，分析了工件和刀具在切削過程中的溫度場分布。通過對金屬切削過程的模擬研究，能得到直觀的變量數(shù)據(jù)，對深入研究切削機理

3、、設(shè)計和選用相關(guān)的切削工藝參數(shù)提供重要的理論指導(dǎo)和參考依據(jù)。關(guān)鍵詞：ANSYS；金屬切削；有限元；應(yīng)力場；溫度場AbstractMetal cutting process is theoretically analyzed in the paper，Based on the elastic-plastic finite element theory of material deformation，The FEA model of the orthogonal cutting of 45 steel materials is established，With the large commerci

4、al finite element software ANSYS powerful large deformation analysis function，A simulation analysis of the orthogonal metal cutting process of the 45 steel material is carried out.Two important parts of cutting process: stress field and temperature field simulation analysis.Because of the existing A

5、NSYS software, the direct thermal structure coupling unit is less, and the analysis process is mostly unstable, and it is difficult to process.In this paper, the stress and heat of different element types and analysis types are separately analyzed, and more stable and intuitive results are obtained.

6、In the analysis of stress field, and discusses the workpiece residual should force, residual strain, cutting in the process of workpiece and cutting chip, tool stress distribution, and the workpiece and chip contact type, the cutting separation.In the temperature field analysis, the contact types of

7、 the workpiece and the cutter are considered separately, and the sliding friction model is established,Through the simulation of friction heat in the cutting process, analyzes the distribution of workpiece and cutting tool in the cutting process the temperature field.Through the simulation study on

8、the metal cutting process, intuitive variable data, in-depth study of cutting mechanism, design and selection of the cutting parameters provide important theoretical guidance and reference for.Keywords: ANSYS;metal cutting;FEA;stress field; temperature field目 錄第1章 緒論- 1 1.1 研究的目的和意義- 11.1.1研究目的-11.1

9、.2研究意義-2 1.2金屬切削過程有限元模擬的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀-21.2.1國外研究現(xiàn)狀-21.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀-3 1.3金屬切削模擬技術(shù)存在的問題-3 1.4 ANSYS-41.4.1簡介-41.4.2 ANSYS分析計算流程- 5 1.5本論文的主要工作-6第二章 金屬切削理論基礎(chǔ)- 7 2.1金屬切削變形理論-72.1.1金屬切削過程概述-72.1.2金屬切削變形的三個變形區(qū)域-7 2.2切削力的來源-8 2.3金屬切削過程中的應(yīng)力-9 2.4金屬切削溫度場理論-112.4.1切削溫度場的概述-112.4.2切削熱的產(chǎn)生與傳出-12第三章 金屬切削過程的有限元建模與分析-14 3.1

10、金屬切削應(yīng)力場的有限元分析-143.1.1建立幾何模型-143.1.2材料屬性及材料的本構(gòu)關(guān)系-153.1.3建立有限元模型與網(wǎng)格劃分-163.1.4定義接觸對-173.1.5求解設(shè)置-18 3.2金屬切削溫度場有限元分析-203.2.1建立幾何模型-203.2.2定義材料屬性-203.2.3建立有限元模型與網(wǎng)格劃分-203.2.4定義接觸對-213.2.5求解設(shè)置-22第四章 金屬切削有限元分析結(jié)果-24 4.1金屬切削應(yīng)力場有限元分析結(jié)果-244.1.1切屑等效塑性應(yīng)變分布-244.1.2切屑等效應(yīng)力分布-264.1.3刀具的應(yīng)力分布-29 4.2金屬切削溫度場有限元分析結(jié)果-32第五章

11、總結(jié)與展望-34 5.1總結(jié)-34 5.2未來展望-34致謝- 36參考文獻- 37VI第1章 緒論1.1研究的目的和意義1.1.1研究目的在機械制造行業(yè)中，金屬切削是一種非常重要的加工方式。數(shù)據(jù)表明，日本平均每年花費的切削加工相關(guān)費用為10000億日元，美國每年花費在金屬切削方面的為1000億美元。目前，中國擁有各種類型的金屬切削機床4000000多臺，每年可生產(chǎn)高速鋼刀具4.2億件，在刀具制造過程中，硬質(zhì)合金的使用量超過5300噸/年。由此可見，金屬切削依然是目前世界上加工金屬零件的重要手段。大約在1850年，科學(xué)家們把目光轉(zhuǎn)移到研究金屬切削的過程，逐漸開始了一系列的研究。因為金屬切削的過

12、程包含及其復(fù)雜的機械原理，其中，會運用到金屬材料學(xué)、力學(xué)原理、物理學(xué)、彈-塑性理論、熱力學(xué)、摩擦學(xué)等很多專業(yè)知識。而且大部分科學(xué)家在過去都會采取實驗法來研究，雖然這個方法得出的結(jié)論是有一定可信度的，但是由于采用這種方法的實驗周期長、成本費用高、穩(wěn)定性差，長期使用有一定的困難。綜合上述原因，可以看出對金屬切削過程的研究在國內(nèi)外的研究中都是難點和重點。切削工藝是根據(jù)相關(guān)圖紙規(guī)格，借助刀具在材料表面切除多余不符的材料層，來加工出尺寸大小、形狀、表面光滑度與預(yù)期符合的工件的一種加工方法。如何充分利用各種數(shù)據(jù)關(guān)系來有效精準(zhǔn)的控制加工過程一直是眾多學(xué)者和工作者研究的重點和難點，隨著計算機技術(shù)逐漸應(yīng)用到各種

13、生產(chǎn)工藝中的這一趨勢，有限元將會使這項研究有一個突破性的進展。近年來，切削工藝和切屑形成的有限元模擬在切削工藝中的應(yīng)用表明，有限元方法可以幫助我們有效的分析切削機理，從而提高材料的切削精準(zhǔn)度。隨著時代的發(fā)展和非線性有限元技術(shù)的廣泛應(yīng)用，特別是在工程領(lǐng)域成功使用了的數(shù)值模擬技術(shù)后，使得工件切削過程的數(shù)值模擬也成為了可能。應(yīng)用此方法可以得到比傳統(tǒng)方法更為復(fù)雜的有限元計算模型。這些模型主要用于計算工件的殘余應(yīng)力、殘余應(yīng)變、溫度分布以及預(yù)期的切削力等等。模擬切削的關(guān)鍵是切屑形成問題，通過ANSYS14.5中的粘結(jié)區(qū)模型（CZM），成功地解決了切削分離問題，且操作簡便，對于切削分析具有借鑒意義。1.1.

14、2研究意義本文運用相關(guān)理論對金屬切削過程進行有效合理的分析研究，再通過在ANSYS軟件中加入合理的參數(shù)進行實驗，以材料變形的彈塑性有限元理論為基礎(chǔ)，建立了45號鋼材料的正交切削有限元分析模型，借助大型商業(yè)有限元軟件ANSYS強大的大變形分析功能，對45號鋼材料正交金屬切削過程進行了模擬分析。對切削過程中的兩個重要部分：應(yīng)力場、溫度場進行模擬分析。目前，在分析金屬成形時，可以用的有限元軟件比較多，可是還都不能夠直接地模擬出金屬切削過程。ANSYS軟件是一種通用性很強的有限元分析軟件，它具有很強大的前處理、后處理以及求解功能，但是在ANSYS軟件中依舊沒有能直接用于分析金屬切削過程的專用模擬分析模

15、塊。本文在實例模擬分析中使用粘結(jié)區(qū)模型（CZM），成功地解決了切削分離問題。隨著ANSYS軟件的開發(fā)，使用有限元分析來研究相關(guān)問題已經(jīng)是一種趨勢、一種公認(rèn)的研究方法。再加上實驗設(shè)備種類多、費用大，不容易隨意改變實驗過程和數(shù)據(jù)。因此利用ANSYS軟件在切削過程中對切削力和切削溫度問題進行建模模擬和仿真研究是為研究切削問題提供了另一條簡便且可行的途徑。通過對金屬切削過程的模擬研究，能收集到更真實可信的一系列數(shù)據(jù)，這樣就方便了我們在生產(chǎn)過程中選用的切削工藝參數(shù)、設(shè)計工藝流程、研究切削機理。1.2金屬切削過程有限元模擬的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國外研究現(xiàn)狀伊利諾伊大學(xué)的b.e.klameck（1973

16、）通過大量的實驗數(shù)據(jù)采集，根據(jù)大量前人的實驗結(jié)果，在對金屬切削過程的研究中首先提出了一個系統(tǒng)的討論。同年，Lee和Kobayashi是最先把矩陣法和有限元數(shù)值模擬技術(shù)運用于在金屬塑性成形過程的。TayStevenson和Davis（1974）首次通過正交切削有限元方法計算切屑、工件的溫度分布；Zienkiewicz（1979）提出了粘塑性有限元法，并推導(dǎo)出粘塑性高溫形成問題的有限元分析函數(shù)。從1980年至今，將金屬塑性成形過程利用計算機進行模擬，逼近真實實驗效果，從開始的電腦演練已經(jīng)發(fā)展到今天的實用階段，在金屬切削過程分析的研究領(lǐng)域里，世界各地的研究人員都對有限元在金屬切削分析中的應(yīng)用進行了大

17、量的研究和實踐。1992年，Enkowski和Moon提出了能應(yīng)用于金屬切削模型研究的Euler方程。人們通過應(yīng)用該方程來建立了金屬切削有限元模型并進行了分析，其結(jié)果與實際切削過程中的測量值基本是吻合的。美國Ohio大學(xué)TAltan教授在塑性金屬加工的研究實驗和數(shù)據(jù)研究中，得到了不小的收獲，目前該研究團隊正致力于對刀具磨損機理和因素的有限元模擬分析。 Marusich和Ortizls（1994）用Lagrange模型對金屬切削加工的過程進行了模擬仿真，并首次提到網(wǎng)格自動重劃分技術(shù)在模擬金屬切削過程中的應(yīng)用，由其提出的方案能很好地解決模擬金屬切削過程中網(wǎng)格畸變問題。2006年6月，美國俄亥俄州立

18、大學(xué)的Altan帶領(lǐng)其研究小組在CIRP舉辦的金屬切削研究會議上，對金屬切削的有限元模擬研究現(xiàn)狀和成果做了詳細的分析，并據(jù)此提出了金屬切削未來的研究方向。1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀隨著國外的各類有限元分析軟件被引進到國內(nèi)，以及許多國內(nèi)專家學(xué)者們針對有限元理論和應(yīng)用軟件的研究，國內(nèi)在金屬切削理論的研究和有限元模擬技術(shù)在金屬切削過程中的應(yīng)用等問題上都有了很大的進展。國內(nèi)許多學(xué)者在金屬切削有限元分析研究中都取得了明顯的成果，清華大學(xué)的方剛等人把已有的針對金屬切削的Lagrange和Euler理論方法運用到對切削加工的有限元模擬分析中，實驗結(jié)果表明該種方法比單獨用其中任意一個原理得到的結(jié)果更加完善和準(zhǔn)確。

19、董輝躍、孫云杰、王濤等人用有限元法對用于航空的大型整體結(jié)構(gòu)元件的加工變形機理、標(biāo)準(zhǔn)校正和加工時的殘余應(yīng)力進行了分析研究，該研究為實際生產(chǎn)過程提供了非常有價值的結(jié)果和參數(shù)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的莊文義、湯敬計等人用有限元法對精密微切削過程進行了分析研究，得到的結(jié)果與實際切削中的測量數(shù)據(jù)很相近，這就進一步證明了有限元法應(yīng)用于金屬切削分析研究的可行性。這些國內(nèi)學(xué)者們的研究過程和成果極大地促進了國內(nèi)金屬切削有限元仿真模擬研究的發(fā)展，將已有的傳統(tǒng)研究方法有限元法結(jié)合在一起，使我們對金屬切削機理有了更深入的了解和認(rèn)知，正是由于人們堅持不懈的分析研究，使當(dāng)今的切削加工技術(shù)有了的飛躍發(fā)展和進步。1.3金屬切削模擬技

20、術(shù)存在的問題綜合國內(nèi)外關(guān)于有限元技術(shù)在模擬金屬切削過程中應(yīng)用的研究，得知其主要還存在以下問題:（1） 在進行金屬切削加工過程的有限元模擬分析時，大多數(shù)人在建立有限元模型的時候會設(shè)立工件與切屑的分離線來引導(dǎo)工件與切削的分離，雖然用這種方法操作簡便且能得到很穩(wěn)定的分析結(jié)果，但其實這是不符合實際情況的。（2） 綜合現(xiàn)有的金屬切削有限元仿真，我們發(fā)現(xiàn)大多數(shù)學(xué)者都是建立的正交切削模型，而在實際切削過程中，刀具與工件接觸并且會相對移動，這使得刀具與工件并不總是正交的，因此這就要求我們要對有金屬切削限元模型做進一步完善，使其能更逼真地模擬出實際切削加工的過程。（3） 為了切削加工有限元分析的順利進行，在設(shè)定

21、參數(shù)時，我們會提出了各種假設(shè)，將切削過程進行了簡化，實際上就是簡化了許多條件，但這些被簡化忽略的因素在實際切削時是會對切削過程產(chǎn)生一些不可忽視的影響的，因此，我們要進一步加深對金屬切削機理的了解，能將那些被簡化的因素量化并考慮到切削過程的有限元仿真中，以此來得到更真實的結(jié)論，才能用來指導(dǎo)實際生產(chǎn)。（4） 切削加工中，切屑形成過程的模擬中需要用到切屑分離準(zhǔn)則，但是到目前為止，還沒有總結(jié)歸納出適用性強的通用分離準(zhǔn)則，并且就目前的研究現(xiàn)狀來看，在這方面的技術(shù)還不夠成熟，所以對金屬切削過程的研究仍然有很長一段路要走。1.4 ANSYS1.4.1簡介ANSYS軟件是一個大型通用有限元分析軟件。從最初的2

22、.0版本到如今最新的16.0版本，它的功能也變得越來越強大。目前，ANSYS可用來分析結(jié)構(gòu)靜力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、結(jié)構(gòu)非線性、動力學(xué)、熱學(xué)、電磁場、流體動力學(xué)、聲場、壓電等等。并且它能與多數(shù)的制圖軟件完美對接，方便用戶在繪制了需要分析研究的結(jié)構(gòu)模型后能直接導(dǎo)入到ANSYS中對其進行分析。綜合ANSYS覆蓋到的分析類型，它可被應(yīng)用于以下工業(yè)領(lǐng)域：航空航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機械、微機電系統(tǒng)、運動器械等。ANSYS軟件里主要包括三個模塊部分：前處理、分析計算和后處理。在前處理模塊里，用戶可以根據(jù)需要分析的材料及結(jié)構(gòu)模型來進行實體建模的，再根據(jù)分析精度的需求來進行網(wǎng)格劃分，在

23、實際操作中，ANSYS軟件還會對你的設(shè)置進行建議，人性化的設(shè)計使用戶操作起來更方便；ANSYS的計算模塊涵蓋了眾多的分析類型，其強大的分析功能也便體現(xiàn)在這里，用戶可已根據(jù)自己的需要來設(shè)置分析類型；后處理模塊是用來顯示有限元計算結(jié)果的，其顯示方式也很多，如彩色等效云圖顯示、梯度顯示、矢量顯示、立體切片顯示、透明顯示等，通過時間歷程后處理器，還可將計算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示出來，并且可以自己設(shè)定圖表的各個坐標(biāo)及需要顯示的變量。1.4.2 ANSYS分析計算流程1.分析模型在進行有限元分析前，需要針對有限元模擬的問題進行一系列的分析。例如：分析需要用的幾何是怎樣的，可以根據(jù)分析的需要盡量簡化幾何模

24、型來減少計算量，如果需要分析的實體模型為三維的，可以考慮能否將其簡化為二維問題來進行分析。同時，還要明確分析模型材料的屬性，比如是否要考慮非線性等。2. 選擇單元 在第一步中，已經(jīng)將需要分析的模型進行了分析，根據(jù)分析的類型，我們要選擇合適的單元來進行分析，例如在本論文中，是建立的二維正交金屬切削模型，故選用平面單元中的PLANE182。3. 定義材料參數(shù) 在第一步分析模型中，需要知道分析的模型里材料是否要考慮非線性，例如在本文中的金屬切削模型中，刀具沒有發(fā)生大變形，因此為線彈性，則只需要定力刀具材料的彈性模量和泊松比即可，而切屑是有很大的塑性變形的，因此要考慮其非線性，所以在定義工件材料時，除

25、了彈性模量和泊松比，還需要定義它的屈服應(yīng)力和切線模量。4. 建立模型 ANSYS中提供了多種建模方式，如實體建模，有限元建模，用戶還可以從其他制圖軟件中將建立好的模型直接導(dǎo)入到ANSYS中，本實例中，我直接在ANSYS中定義幾何參數(shù)來建立模型。5.網(wǎng)格劃分在ANSYS網(wǎng)格劃分中，一般主要有兩種方法，即自由網(wǎng)格和映射網(wǎng)格。并且網(wǎng)格劃分的合理與否會直接影響到分析結(jié)果，這需要用戶根據(jù)自己需要來選擇和劃分。6. 確定分析類型 這一步中，用戶由選擇需要用到的分析類型，ANSYS中的分析類型有很多，比如靜力學(xué)分析，瞬態(tài)動力學(xué)分析，諧響應(yīng)分析等。7. 施加邊界條件 在進行求解前，對有限元分模型施加邊界條件是

26、必要的一步，用戶要根據(jù)分析實例中，模型的運動情況來施加力邊界條件，如果還涉及到熱分析，則還需要施加熱邊界條件，例如本文中的金屬切削溫度場分析中，就需要對模型施加熱邊界條件。8.求解在完成以上的幾步操作后，就可以開始求解了，ANSYS包含多種求解方式，如直接求解，載荷步求解等，用戶應(yīng)根據(jù)需要進行合適的選擇。9. 后處理 求解完成后，就需要進行后處理了，在這一步，可以根據(jù)需要將有限元分析得到的結(jié)果以不同的形式顯示出來，比如本文中用了等效塑性變形云圖，等效應(yīng)力分布圖，溫度場分布圖等。1.5本論文的主要工作金屬切削的運動過程很復(fù)雜，盡管國內(nèi)外許多的學(xué)者對金屬的切削機理進行過大量的研究，但是，在對金屬切

27、削的研究上，仍然存在諸多問題需要人們?nèi)ヌ剿骱徒鉀Q，對金屬切削的有限元仿真技術(shù)也需要更多的探索和研究。本文就是通過建立金屬切削的有限元模型，在前人已有的研究基礎(chǔ)上對金屬切削相關(guān)問題進行討論及研究。主要內(nèi)容如下：（1） 查閱資料，對金屬切削理論基礎(chǔ)進行深入的了解和認(rèn)知，明確在金屬切削過程中涉及到的關(guān)鍵性問題，如切屑是如何形成的，切削過程中有哪些應(yīng)力，切削過程中刀具與工件上切削熱是如何產(chǎn)生和傳出等。（2） 基于材料的彈塑性理論，合理地選擇了模型金屬切削的刀具及工件材料，模擬實際切削過程建立了幾何模型及有限元分析模型。對二維正交金屬切削過程進行了模擬分析，其中主要單獨考慮了切削過程中，工件、切削以及刀

28、具的應(yīng)力場變化。（3） 建立了簡化后的切削模型，單獨考慮切削時刀具與工件之間的摩擦生熱，分析了切削過程中工件和刀具上溫度場的分布。（4） 對得到的有限元模擬結(jié)果進行總結(jié)分析，綜合結(jié)果對整個切削過程中的應(yīng)力場和溫度場進行分析及過程中各種變化量的比對，得出研究結(jié)論。第二章 金屬切削理論基礎(chǔ)2.1金屬切削變形理論2.1.1金屬切削過程概述大量的實驗和理論分析證明，金屬切削過程中，切削層金屬的變形過程即為切屑的形成過程。一般來說。金屬切削過程中的材料變形有3至4個階段，其變形順序是：彈性變形(擠壓階段)塑性變形(晶體原子滑移)擠裂變形(斷裂階段）切屑與工件分離4個階段，這是經(jīng)過眾多學(xué)者通過研究切削金屬

29、所得來的規(guī)律。當(dāng)然，不同的金屬材料以及不同的切削方式產(chǎn)生的變形過程會稍有差異。從金屬材料即將被刀具切離工件變?yōu)榍行嫉哪且凰查g，這4個變形階段便已經(jīng)完成了。通過對切削過程進行實驗，觀察和分析被切削下來的切屑實物，我們不難發(fā)現(xiàn)，金屬材料是被刀具在切削力等作用下擠壓而發(fā)生斷裂的，并經(jīng)過一系列復(fù)雜的材料變形之后，使之被切離工件而成為切屑。 圖21： 金屬切削過程中的滑移線和流線示意圖2.1.2金屬切削變形的三個變形區(qū)域金屬切削過程中，這些復(fù)雜的變形過程在工件上可用3個變形區(qū)域體現(xiàn)出來。這3個變形區(qū)域在實際切削加工中具有很重要的意義，因此，對其進行分析研究是必不可少的。根據(jù)可循的切削變形規(guī)律，在分析了切

30、削過程中的變形情況后，繪制出了如圖21所示的金屬切削過程中的滑移線和流線示意圖，流線即為被切削金屬的某一點在切削過程中流動的軌跡。在實際研究中，整個切削變形區(qū)大致可以被劃分為具體的三個變形區(qū)：(1) 第切削變形區(qū)域圖21中已經(jīng)標(biāo)出了切削變形中的3個變形區(qū)域：標(biāo)線所指示的區(qū)域是塑性剪切滑移區(qū)域，稱為第切削變形區(qū)域，是切削過程中的重點變形區(qū)域，所以也一般將其稱為主變形區(qū)域。主變形區(qū)域在切削過程中是消耗功率最多的，所以在這個區(qū)產(chǎn)生的切削熱也是最高的，由于高強度的力及熱的作用，這個變形區(qū)里刀具的主刀刃、刀具前角等磨損最嚴(yán)重。通過對切削實物主變形區(qū)的仔細觀察，發(fā)現(xiàn)它是從圖中的OA線開始塑性變形。在實際切

31、削時，被切削的金屬材料由于受到刀具擠壓的影響，使材料內(nèi)部晶間組織開始發(fā)生微量滑移，產(chǎn)生塑性變形，工件切切屑層表面溫度急劇升高，一直到OM終處，整個剪切滑移過程就基本完成了。(2) 第變形區(qū)域 這一區(qū)域是即將切離工件的切屑擠排處，第變形區(qū)域是前刀面與切削之間發(fā)生磨擦最為嚴(yán)重的一個區(qū)域，切屑在經(jīng)過了第一階段的變形后，會從刀具的前刀面上滑過，在這個相對滑動的過程中，由于金屬材料的切屑底層與前刀面發(fā)生摩擦和擠壓，產(chǎn)生了切削熱，切屑中與刀面接觸的底層金屬內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)，在受到刀具給予的切削力和切削熱引發(fā)的溫度變化的影響后產(chǎn)生纖維化變化，在這個過程中，晶粒被拉長變成纖維組織，形成的纖維組織的方向基本上與前刀

32、面平行，有時，它的存在會使切屑排屑方向發(fā)生改變，這就在無形中使切削阻力變大了，這個現(xiàn)象影響到了排屑的順暢性，同時也是使刀具磨損甚至受損的重要因素。(3) 第變形區(qū)域由圖21可看出，第變形區(qū)域是就是后刀面與已加工表面的接觸區(qū)域。在第變形區(qū)，刀刃由于切削過程中的各種因素而發(fā)生了變化后，會引起切削變形，并且會使零件的已加工表面產(chǎn)生一些對切削不利的物理現(xiàn)象，如加工硬化、工件變形等。這一區(qū)域帶來的變化一般比較小，但是仍然不可忽視，因為想要得到合格的工件以及達到表面粗糙度等技術(shù)要求，都要考慮到這個變形區(qū)的影響。2.2切削力的來源 切削力是金屬切削過程中極其重要的物理現(xiàn)象之一，它會對工件質(zhì)量、刀具壽命、機床

33、動力消耗等產(chǎn)生極大的影響，在機床、夾具、刀具的設(shè)計和校核中，切削力是需要著重考慮的要素之一。在金屬切削過程中，金屬切屑層之所以會產(chǎn)生變形，主要是因為刀具在切入時給予工件的力，這個力會使被加工材料發(fā)生變形，并使一部分材料與工件脫離成為切屑，它便是切削力。切削力在使切屑層的金屬發(fā)生變形的同時，也消耗了功，產(chǎn)生了切削熱，這就使得刀具在切削過程中會被磨損然后逐漸變鈍，從而影響到被加工表面的質(zhì)量和生產(chǎn)制造效率。對切削里進行研究，能讓我們對清切削機理有更清晰的認(rèn)知，對功率消耗的計算，和設(shè)計機床、夾具、刀具以及制定合適的切削用量，優(yōu)化刀具幾何參數(shù)等，都具有極其重要的意義。通過對切削機理的研究，我們得知切削力

34、主要來源于以下三個方面： （1）克服被加工材料對彈性變形的抗力； （2）克服被加工材料對塑性變形的抗力； （3）克服切屑對前刀面的摩擦力和刀具后刀面對過渡表面與已加工表面之間的摩擦力。2.3金屬切削過程中的應(yīng)力切削過程中，切屑受到的力來源于刀具，在變形過程中，切屑受到刀具擠壓的力，工件上的已加工表面以及切屑層都會產(chǎn)生塑性變形和彈性變形。與此同時，刀具的前刀面與切屑層之間，以及刀具的后刀面與已加工表面之間還會發(fā)生摩擦，因此在分析切削過程時，這兩者是都要考慮到的。下面以圖22為模型來討論切削過程中各力的情況以及產(chǎn)生機理。 圖22切削力的分解在實際切削過程中，刀具與工件之間的力，方向其實并不是總能如

35、假設(shè)那樣恒定不變，但是在理論研究和分析實驗結(jié)果時，為了便于分析計算，我們通常將切削合力進行分解，分解方向可分為三個：切削主運動方向、進給方向、切深方向，如圖22所示，分別為圖中的主切削力，進給力，背向力。即： （21）由現(xiàn)有的切削研究結(jié)論規(guī)律，我們已知了由切削合力分解來的三個分力中，主切削力是最大的，進給力次之，背向力是最小的。在實際應(yīng)用中，主切削力是設(shè)計和使用刀具的主要依據(jù)，此外，主切削力還被用來校核床以及夾具里主要零部件的強度、剛度和機床的電機功率等等。背向力在實際切削過程中并不消耗功率，但是它會對被加工零件的變形以及加工質(zhì)量產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。進給力主要作用于機床的進給系統(tǒng)，它一般被用來

36、校核機床進給系統(tǒng)里各個主要零部件的剛度和強度。切削過程中，除了要分析刀具上的力，還要分析作用在切屑上的力，下面以圖23為模型，分析切削過程中切屑上的力。 圖23切屑的受力分析切削過程的本質(zhì)是刀具與被切削材料發(fā)生相對位移，在這個過程中，切屑層會受到刀具給予的法向力和刀具前刀面與切屑層下底面的摩擦力，同時，切屑層在塑性變形時，會產(chǎn)生剪切力，如圖23中(a)圖所示，在這幾個力的作用下，使得切屑層與工件分離并發(fā)生彎曲，從而完成切屑與工件的分離。在圖23的（b)中，體現(xiàn)了剪切角與刀具前角的關(guān)系，同時，摩擦角也會對剪切角起到?jīng)Q定作用。根據(jù)材料力學(xué)平面應(yīng)力狀態(tài)理論: （22） 即： （23）由上式可知，切削

37、過程中，若前角增大，則剪切角也隨之增大，變形減小，這表明，在切削刃強度能得到保證的前提下，增大刀具前角可減少切削變形，對改善切削過程是有利的。與此同時，我們還能看出，摩擦角增大時，剪切角會變小，這說明，切削過程中，刀具與切屑之間的摩擦是會對切削性能產(chǎn)生影響的，因此，在對金屬切削的研究中，如何改善這一現(xiàn)象帶來的影響，一直是不可忽視的重點。2.4金屬切削溫度場理論2.4.1切削溫度場的概述在論文前面，討論了金屬切削時的應(yīng)力場，然而，切削過程中的另一個同樣非常的物理現(xiàn)象也是必須考慮的，那就是切削熱和切削溫度，切削過程中的切削溫度會直接對刀具及工件產(chǎn)生很大的影響，其中包括刀具的磨損和使用壽命，以及工件

38、的加工精度和工件已加工表面的質(zhì)量等。隨著金屬切削成為機械加工的主流方法之一，對切削溫度的研究更是顯得尤為重要。金屬切削過程中的溫度場是指被加工工件材料內(nèi)部的溫度分布情況和刀具表面的溫度分布情況以及切屑的溫度分分布情況。根據(jù)金屬切削過程中三個變形區(qū)的定義，可將其分成三個部分，即：剪切區(qū)溫度分布；切屑底層與前刀面的接觸區(qū)溫度分布；已加工表面與刀具后刀面的接觸區(qū)溫度分布。2.4.2切削熱的產(chǎn)生與傳出熱的產(chǎn)生是由做功引起的，在金屬切削中也是如此，前面提到了切削力來源于刀具，那么在研究切削溫度時，其來源依舊是來源于刀具對工件做功，根據(jù)實際切削情況，及已有的研究結(jié)論，切削過程中切削熱的產(chǎn)生和傳出由三部分組

39、成，如圖24所示。 圖24切削熱的產(chǎn)生與傳出這三部分由切屑層塑性變形，切屑底面與前刀面摩擦，后刀面與已加工表面摩擦組成，后兩者屬于同一類型，都是摩擦做功，因此在研究的時候?qū)⑵錃w為一類一起考慮，所以我們將整個做功過程分為兩部分：(1) 切削過程中，刀具使金屬材料（工件）發(fā)生彈性變形和塑性變形時所做的功，我們稱之為變形功。(2) 切削過程中，克服切屑與前刀面之間以及工件已加工表面與后刀面之間的摩擦所做的功，我們稱之為摩擦功。在實際切削中，切削材料是多樣化的，因此在研究切削熱時，也會有一些差異。被切削材料為塑性材料時，就如上面的圖例一樣，其切削熱主要來源于摩擦功和切削過程中材料的塑性變形。當(dāng)被切削材

40、料為脆性材料時，因為材料產(chǎn)生的塑性變形很小，幾乎可以忽略，所以其切削熱主要就只來源與摩擦功。切削過程中，單位時間里產(chǎn)生的切削熱可用如下公式表示： （24）式中,為切削時產(chǎn)生的熱量（），為主切削力（），為切削速度（）。在切削熱產(chǎn)生后，這些熱量會通過工件、切削和刀具以及周圍的介質(zhì)向溫度比較低的地方傳遞。在切削過程中，具體的溫度場分布情況，本文會在后面的章節(jié)建立有限元分析模型來具體分析，從而得到在切削過程中，溫度的分布情況。第三章 金屬切削過程的有限元建模與分析3.1金屬切削應(yīng)力場的有限元分析3.1.1建立幾何模型在ANSYS中，給用戶提供了很方便的操作界面，在文章前面已給出了ANSYS的有限元分析

41、流程，第一步便是建立幾何模型，在本文中將金屬切削過程簡化為二維模型進行分析，其幾何模型如圖31所示。 圖31 切削分析的平面模型圖31為切削分析的平面模型，該模型由加工的工件、切屑和刀具三部分組成。其幾何尺寸如下：，刀具前角，刀具后角。在ANSYS軟件中建立好幾何模型后，如下圖所示： 圖32 ANSYS中的平面幾何模型3.1.2材料屬性及材料的本構(gòu)關(guān)系在本實例中，我選用的刀具材料為YT15硬質(zhì)合金，工件的材料為45號鋼，需要用到的材料屬性如下表： 表31材料參數(shù)表參數(shù)材料刀具YT15硬質(zhì)合金工件 45鋼密度（）11.67.8彈性模量（）550210泊松比0.30.3室溫(）30比熱（）5024

42、66熱導(dǎo)率（）7256摩擦系數(shù)0.2熱膨脹系數(shù)6.5E-614.6E-6表面對流系數(shù)（）100300實例中的工件材料模型為45鋼，在切削過程中，材料發(fā)生塑性變形后的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系應(yīng)符合線性等向強化模型，其中屈服應(yīng)力為400，切線模量為15。根據(jù)金屬切削的實際情況，工件與切屑的斷裂應(yīng)為型開裂，即張開型裂紋：裂紋受垂直于裂紋面的拉應(yīng)力的作用，使裂紋面產(chǎn)生張開位移。如圖33 中的所示。 圖33 裂紋類型 因此，切屑與工件之間的粘結(jié)區(qū)模型只需要提供三個參數(shù):最大法向接觸應(yīng)力360，完成分離處的接觸間隙為0.003,人工阻尼為5E-4。在這個有限元模型的建立中，粘結(jié)區(qū)的創(chuàng)建是一個重點，由于在現(xiàn)有的ANS

43、YS中，暫不支持該種材料模型的GUI操作，通過查閱ANSYS14.5的幫助文件，我采用了輸入命令流的形式，采用的粘結(jié)區(qū)定義命令為：TB,CZM,3,2,CBDD。通過這種方法，可以將需要的三個參數(shù)成功定義，命令流為：TB,CZM,3,2,CBDD TBDATA,1,360E6,0.003,0,0,5E-4,3.1.3建立有限元模型與網(wǎng)格劃分建立有限元模型時，首先要選擇單元類型，單元的選擇在有限元分析中是很重要的一個步驟，在ANSYS中，單元類型是根據(jù)研究對象不同的力學(xué)性能來定義的，本論文建立的是二維正交金屬切削模型，故選用PLANE182平面單元，并將其設(shè)置為平面應(yīng)變。與之相對應(yīng)的，在定義切屑

44、與工件之間的粘結(jié)時，選用適用于平面單元分析的接觸單元CONTA171單元和目標(biāo)單元TARGE169單元。按照表31中的材料參數(shù)建立材料模型，在單獨分析金屬切削過程的應(yīng)力場時，只需用到表中刀具和工件材料的彈性模量、泊松比以及工件材料的屈服應(yīng)力和切線模量。定義好材料屬性參數(shù)后，便可以進行網(wǎng)格劃分了。網(wǎng)格劃分是有限元模型建立中至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)，網(wǎng)格的數(shù)量與質(zhì)量會對有限元分析的精度產(chǎn)生很大的影響，更甚者，網(wǎng)格劃分得不合理還有可能導(dǎo)致分析的失敗。理論上來說，網(wǎng)格劃分的越精細，得到的分析結(jié)果也會越精細，但是，這對存儲空間及計算機的性能都會有更高的要求，其計算量也是劇增，所以，最合理的劃分方式，應(yīng)該是在保

45、證必要的分析精度基礎(chǔ)上，網(wǎng)格疏一些，使得整體網(wǎng)格數(shù)量少一些，便于計算分析。在本文中，我結(jié)合建立的幾何模型，設(shè)置整體網(wǎng)格單元尺寸為0.0005，在保證分析精度的前提下，把網(wǎng)格數(shù)量降到了最少，便于后續(xù)的分析。 完成網(wǎng)格劃分后的圖形如圖34所示。 圖34 金屬切削有限元模型網(wǎng)格劃分圖3.1.4定義接觸對在分析金屬切削的應(yīng)力場時，需要創(chuàng)建3對接觸，分別是：（1） 工件與切削之間的接觸，這一對接觸在前面設(shè)置了兩者的接觸后，便會自動生成為一個接觸對。（2） 切屑層底面與刀具前面之間的接觸。（3） 工件已加工表面與刀具后刀面之間的接觸?；诒緦嵗秊槎S金屬切削模型，所以在定義接觸對時，設(shè)置目標(biāo)面均為（Lin

46、es) ,設(shè)置目標(biāo)單元類型為柔性體（Flexibe),接觸單元類型為面-面（Surface-to-Surface)接觸。在此單獨考慮應(yīng)力場，故摩擦因數(shù)定義為0。完成接觸對的定義后，可通過接觸定義面板查看所建立的接觸對并能對其進行修改，如圖35所示。 圖35 接觸設(shè)置面板圖3.1.5求解設(shè)置1. 設(shè)置分析類型ANSYS中，根據(jù)分析目的及材料性能的差異，提供了多種分析類型，如靜力分析、模態(tài)分析，諧響應(yīng)分析 、瞬態(tài)動力分析，譜分析等 ，在模擬金屬切削過程時，應(yīng)選用的分析類型為靜力學(xué)分析，因此在分析類型設(shè)置面板中選擇靜力學(xué)分析（Static）。2. 設(shè)置分析選項金屬切削中，金屬工件材料會發(fā)生較大塑性變

47、形，屬于幾何非線性，為了得到正確的分析結(jié)果，在這里必須要激活大變形選項，因此要在靜態(tài)分析選項設(shè)置面板中勾選大變形選項（Large deform effects)。3. 定義邊界條件金屬切削中，其運動本質(zhì)是通過刀具與工件的相對運動來實現(xiàn)切削加工的，對于本論文所做的金屬切削模型，只需將工件底面與左端面固定，使刀具沿著X軸的負方向做勻速直線運動即可。因此，在有限元模型中，我將工件的底端和左端面全約束，并約束刀具右端面在Y軸方向(即豎直方向）上的位移。如圖圖36所示 圖36 邊界條件約束圖4. 定義載荷在前文中已經(jīng)說明了使刀具沿著負X軸方向做勻速直線運動即可完成切削動作，因此載荷的定義很簡單，在約束了

48、刀具右端面的豎直方向位移的基礎(chǔ)上，給刀具施加沿負X軸的位移載荷，結(jié)合幾何模型的尺寸，我給刀具施加的位移值為工件長度0.04。在GUI操作中，應(yīng)選擇約束類型為刀具右端面的UX方向，輸入-0.04 。5. 定義載荷步（1） 控制輸出計算結(jié)果：在后續(xù)的結(jié)果分析中，需要用到多個時間步的分析結(jié)果，因此在這里控制計算結(jié)果為輸出每一步，即選擇Every substep。（2） 設(shè)置計算時間和子步：在本次分析中，我定義的計算時間為1，子步數(shù)量為600，因此每個時間子步長為，這已經(jīng)足夠保證了分析的精度，并且計算量不算太大，因為要求刀具的運動為勻速直線運動，因此選擇加載方式為斜坡加載（Ramped），并打開自動時

49、間步。（3） 激活預(yù)測器：對于非線性問題的求解，每一個時間步開始時的位移，通常等于當(dāng)前自由度求解，ANSYS中提供了預(yù)測器功能，它能使用以前的求解歷史來推斷自由度求解，以便能獲得更好的下一步求解，因此，在這里，激活預(yù)測器功能。到這里，求解設(shè)置便全部完成了，接下來就可以開始求解了，根據(jù)設(shè)置的不同以及考慮到計算機的性能問題，需要的時間也各有差異。本實例在計算中，用時約三個小時。3.2金屬切削溫度場有限元分析3.2.1建立幾何模型 在分析金屬切削的溫度場時，由于計算量的原因，在本論文中只分析了刀具和工件之間的摩擦熱，而未考慮切屑的影響。因此將金屬切削的幾何模型簡化為工件與刀具兩者的摩擦模型，在實際切削過程中，刀具的刀刃是會產(chǎn)生微小的變形，從而形成一個很