畢業(yè)論文-基于DEFORM-3D的切削溫度仿真

1、-. z.論文題目：基于DEFORM-3D的刀具切削溫度仿真學(xué)生*： 所在院系：所學(xué)專業(yè)：導(dǎo)師*： 目 錄 摘 要 1 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc325143155第一章緒論 PAGEREF _Toc325143155 h 5 第二章 仿真軟件介紹6第三章Deform3D軟件簡(jiǎn)介9HYPERLINK l _Toc3251431573.1軟件模塊構(gòu)造分析9HYPERLINK l _Toc3251431583.2 前處理器及其設(shè)置9HYPERLINK l _Toc3251431593.3 模擬器9HYPERLINK l _Toc3251431603.4 后處理

2、器11第四章HYPERLINK l _Toc325143161有限元模型的建立13HYPERLINK l _Toc3251431624.1 切削加工模型13HYPERLINK l _Toc3251431654.2 切削模型建立14第五章HYPERLINK l _Toc325143166DEFORM-3D對(duì)切削溫度的仿真17HYPERLINK l _Toc3251431675.1刀具和工件的溫度場(chǎng)分析17HYPERLINK l _Toc3251431685.2 切削速度對(duì)切削溫度的影響17HYPERLINK l _Toc3251431695.3切削過(guò)程中總體溫度分布19HYPERLINK l _

3、Toc3251431705.4 切削厚度對(duì)切削溫度的影響20HYPERLINK l _Toc325143171第六章結(jié)論22HYPERLINK l _Toc325143172第七章參考文獻(xiàn)23摘 要 在金屬切削加工中，切削溫度對(duì)切削加工過(guò)程有著非常重要的意義。為了更好的研究金屬材料的切削加工過(guò)程中切削溫度的分布，本文以Deform3D軟件為平臺(tái)，利用有限元方法對(duì)45號(hào)鋼的切削過(guò)程中的溫度進(jìn)展了建模與仿真，分別分析了切削過(guò)程中刀具和工件的切削溫度場(chǎng)分布，以及切削速度變化時(shí)對(duì)切削溫度的影響。仿真結(jié)果說(shuō)明：刀-屑接觸區(qū)及工件上的最高溫度隨切削速度的增加而升高，但工件上溫度升高的趨勢(shì)較平緩；無(wú)論切削條

4、件怎么變化，切削溫度的最高點(diǎn)總不在刀刃處，而是位于前后刀面上距離刀刃不遠(yuǎn)的地方；剪切面上各點(diǎn)的溫度幾乎一樣。仿真結(jié)果說(shuō)明，Deform3D軟件所得的仿真結(jié)果和理論依據(jù)的吻合度較高，說(shuō)明仿真具有較高的可信度，為生產(chǎn)實(shí)踐中切削速度的優(yōu)化選擇，刀具及工件材料的選擇提供理論依據(jù)關(guān)鍵詞：Deform3D，有限元仿真，切削溫度AbstractIn the process of metal cutting, the cutting temperature of the cutting process has very important significance. In order to better st

5、udy the metal material cutting process of cutting temperature distribution, Based on the Deform -3D software as the platform, using the finite element method for45 steel cutting temperature by modeling and simulation, Analysis of the cutting process, the cutting tool and the workpiece cutting temper

6、ature field distribution, as well as the cutting speed change on cutting temperature effect.The simulation results show that: the tool-chip contact area and the workpiece on the ma*imum speed with cutting speed increases, but the workpiece temperature increased more gentle; No matter how the change

7、of cutting temperature cutting conditions, highest point total in the blade, but are located before and after the knife surface distance edge not far place; Shear plane of each point on the temperature is almost the same. The simulation results show that, the Deform - 3D software the simulation resu

8、lts and the theoretical basis of the anastomosis of a higher degree, a description of the simulation has high reliability, Production practice of cutting speed optimization, tool and workpiece material selection and provide a theoretical basisKey word：Deform3D，F(xiàn)inite element simulation, Cutting temp

9、erature第一章 緒論 金屬切削是機(jī)械制造中使用最廣泛的加工方法，金屬切削加工時(shí)在機(jī)床上利用個(gè)切削工具從工件上切除多余材料，從而獲得具有一定形狀精度、尺寸精度、位置精度和外表質(zhì)量的機(jī)械零件，是機(jī)械加工的根本方法。目前國(guó)內(nèi)外已投入了大量精力用于切削機(jī)理的研究。隨著數(shù)值模擬技術(shù)的開(kāi)展，有限元方法已成為金屬切削過(guò)程仿真的有效工具，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬整個(gè)切削過(guò)程，得到接近于真實(shí)工作狀況的結(jié)果。就切削加工過(guò)程進(jìn)展仿真研究，對(duì)計(jì)算功率消耗，對(duì)機(jī)床、刀具、夾具的設(shè)計(jì)，對(duì)制定合理的切削用量、優(yōu)化刀具幾何參數(shù)等，都有非常重要的意義。因此，切削加工中，能否準(zhǔn)確預(yù)知各種切削條件和不同工件材料組合的切削力特征，對(duì)切削

10、加工的外表誤差控制起決定性作用，從而進(jìn)一步影響預(yù)報(bào)已加工外表的各種物理性能。實(shí)現(xiàn)切削力的預(yù)報(bào)不僅可以完善切削理論，而且能指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐到達(dá)選擇最優(yōu)切削條件，提高加工效率、降低生產(chǎn)本錢。金屬車削制造工藝的傳統(tǒng)研究方法是實(shí)驗(yàn)法，這種基于實(shí)驗(yàn)的制造方法往往要經(jīng)歷反復(fù)修正的過(guò)程，從而造成了大量的人力、物力及時(shí)間浪費(fèi)。伴隨傳統(tǒng)的車削加工技術(shù)和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)全方位的密切結(jié)合，傳統(tǒng)的經(jīng)歷設(shè)計(jì)方法已逐漸被數(shù)值模擬方法所代替。數(shù)值模擬方法不需要建造物理模型，并可以在提供工件和刀具在成形過(guò)程中的各個(gè)物理量的詳細(xì)參數(shù)。目前有限元軟件如 DEFORM 等等已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到金屬車削成形加工過(guò)程的數(shù)值模擬之中。切削溫度是影

11、響加工外表質(zhì)量的重要參數(shù)。切削溫度會(huì)直接影響刀具的磨損和耐用度。因此，切削溫度的變化規(guī)律，對(duì)于改良金屬加工工藝、提高金屬加工外表質(zhì)量具有重要意義。切削溫度的研究受到很多條件的限制，要在實(shí)際加工條件下準(zhǔn)確研究影響切削溫度的各種因素具有很大難度。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的開(kāi)展，金屬切削有限元模擬技術(shù)也獲得了飛速開(kāi)展。金屬切削加工的有限元模擬全面考慮了工件材料、刀具材料及幾何參數(shù)、切削加工參數(shù)、換熱系數(shù)等多種因素，通過(guò)對(duì)切削加工過(guò)程的物理仿真，可得到工件溫度場(chǎng)的分布狀況本文利用有限元模型對(duì)在指定速度下刀具和工件的溫度以及不同切削速度下車削加工過(guò)程中的切削溫度進(jìn)展物理仿真，模擬了各種切削溫度的分布規(guī)律，為分

12、析研究切削溫度的影響提供了有力的證據(jù)。 第二章 仿真軟件介紹機(jī)械動(dòng)力學(xué)有adams，ansys，abaqus。ADAMS，即機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，該軟件是美國(guó)MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)開(kāi)發(fā)的虛擬樣機(jī)分析軟件。ADAMS已經(jīng)被全世界各行各業(yè)的數(shù)百家主要制造商采用。根據(jù)1999年機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真分析軟件國(guó)際市場(chǎng)份額的統(tǒng)計(jì)資料，ADAMS軟件銷售總額近八千萬(wàn)美元、占據(jù)了51%的份額，現(xiàn)已經(jīng)并入美國(guó)MSC公司。ADAMS軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫(kù)、約束庫(kù)、力庫(kù)，

13、創(chuàng)立完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論中的拉格朗日方程方法，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)展靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。ADAMS軟件的仿真可用于預(yù)測(cè)機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動(dòng)*圍、碰撞檢測(cè)、峰值載荷以及計(jì)算有限元的輸入載荷等。ADAMS一方面是虛擬樣機(jī)分析的應(yīng)用軟件，用戶可以運(yùn)用該軟件非常方便地對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)展靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。另一方面，又是虛擬樣機(jī)分析開(kāi)發(fā)工具，其開(kāi)放性的程序構(gòu)造和多種接口，可以成為特殊行業(yè)用戶進(jìn)展特殊類型虛擬樣機(jī)分析的二次開(kāi)發(fā)工具平臺(tái)。ADAMS軟件有兩種操作系統(tǒng)的版本：UNI*版和Window

14、s NT/2000版。ANSYS軟件是融構(gòu)造、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國(guó)ANSYS開(kāi)發(fā)，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如creo, nastram, IDEAS, AOTU CAD等， 是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中高級(jí)CAE工具之一。CAE的技術(shù)種類有很多，其中包括有限元法(FEM,即Finite Element Method),邊界元法(BEM,即Boundary Element Method)，有限差分法(FDM,即Finite Difference Element Method)等。每一種方法各有其應(yīng)用的領(lǐng)域

15、，而其中有限元法應(yīng)用的領(lǐng)域越來(lái)越廣，現(xiàn)已應(yīng)用于構(gòu)造力學(xué)、構(gòu)造動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、流體力學(xué)、電路學(xué)、電磁學(xué)等。ANSYS有限元軟件包是一個(gè)多用途的有限元法計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序，可以用來(lái)求解構(gòu)造、流體、電力、電磁場(chǎng)及碰撞等問(wèn)題。因此它可應(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(jī)械、微機(jī)電系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)器械等。軟件主要包括三個(gè)局部：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型；分析計(jì)算模塊包括構(gòu)造分析可進(jìn)展線性分析、非線性分析和高度非線性分析、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦

16、合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示可看到構(gòu)造內(nèi)部等圖形方式顯示出來(lái)，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。軟件提供了100種以上的單元類型，用來(lái)模擬工程中的各種構(gòu)造和材料。該軟件有多種不同版本，可以運(yùn)行在從個(gè)人機(jī)到大型機(jī)的多種計(jì)算機(jī)設(shè)備上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。ABAQUS是一套功能強(qiáng)大的工程模擬的有限元軟件，其解決問(wèn)題的*圍從相對(duì)簡(jiǎn)單的線性分析到許多復(fù)雜的非線性問(wèn)題。達(dá)索并購(gòu)ABAQUS后，將SIMULIA作為其分析

17、產(chǎn)品的新品牌。它是一個(gè)協(xié)同、開(kāi)放、集成的多物理場(chǎng)仿真平臺(tái)。ABAQUS是一套功能強(qiáng)大的工程模擬的有限元軟件，其解決問(wèn)題的*圍從相對(duì)簡(jiǎn)單的線性分析到許多復(fù)雜的非線性問(wèn)題。 ABAQUS 包括一個(gè)豐富的、可模擬任意幾何形狀的單元庫(kù)。并擁有各種類型的材料模型庫(kù)，可以模擬典型工程材料的性能，其中包括金屬、橡膠、高分子材料、復(fù)合材料、鋼筋混凝土、可壓縮超彈性泡沫材料以及土壤和巖石等地質(zhì)材料，作為通用的模擬工具， ABAQUS 除了能解決大量構(gòu)造應(yīng)力 / 位移問(wèn)題，還可以模擬其他工程領(lǐng)域的許多問(wèn)題，例如熱傳導(dǎo)、質(zhì)量擴(kuò)散、熱電耦合分析、聲學(xué)分析、巖土力學(xué)分析流體滲透 / 應(yīng)力耦合分析及壓電介質(zhì)分析。真實(shí)世界

18、的仿真是非線性的，SIMULIA將成為模擬真實(shí)世界仿真分析工具，它支持最前沿的仿真技術(shù)和最廣泛的仿真領(lǐng)域.SIMULIA為真實(shí)世界的模擬提供了開(kāi)放的，多物理場(chǎng)分析平臺(tái)。 SIMULIA將同CATIA ,DELMIA一起，幫助用戶在PLM中，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)，仿真和生產(chǎn)的協(xié)同工作。它將分析仿真在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期的地位提升到新的高度。ABAQUS 為用戶提供了廣泛的功能，且使用起來(lái)又非常簡(jiǎn)單。大量的復(fù)雜問(wèn)題可以通過(guò)選項(xiàng)塊的不同組合很容易的模擬出來(lái)。例如，對(duì)于復(fù)雜多構(gòu)件問(wèn)題的模擬是通過(guò)把定義每一構(gòu)件的幾何尺寸的選項(xiàng)塊與相應(yīng)的材料性質(zhì)選項(xiàng)塊結(jié)合起來(lái)。在大局部模擬中，甚至高度非線性問(wèn)題，用戶只需提供一些工程數(shù)據(jù)，像

19、構(gòu)造的幾何形狀、材料性質(zhì)、邊界條件及載荷工況。在一個(gè)非線性分析中， ABAQUS 能自動(dòng)選擇相應(yīng)載荷增量和收斂限度。他不僅能夠選擇適宜參數(shù)，而且能連續(xù)調(diào)節(jié)參數(shù)以保證在分析過(guò)程中有效地得到準(zhǔn)確解。用戶通過(guò)準(zhǔn)確的定義參數(shù)就能很好的控制數(shù)值計(jì)算結(jié)果。ABAQU有兩個(gè)主求解器模塊 ABAQUS/Standard 和 ABAQUS/E*plicit。ABAQUS 還包含一個(gè)全面支持求解器的圖形用戶界面，即人機(jī)交互前后處理模塊 ABAQUS/CAE 。 ABAQUS 對(duì)*些特殊問(wèn)題還提供了專用模塊來(lái)加以解決。ABAQUS 被廣泛地認(rèn)為是功能最強(qiáng)的有限元軟件，可以分析復(fù)雜的固體力學(xué)構(gòu)造力學(xué)系統(tǒng)，特別是能夠駕

20、馭非常龐大復(fù)雜的問(wèn)題和模擬高度非線性問(wèn)題。 ABAQUS 不但可以做單一零件的力學(xué)和多物理場(chǎng)的分析，同時(shí)還可以做系統(tǒng)級(jí)的分析和研究。 ABAQUS 的系統(tǒng)級(jí)分析的特點(diǎn)相對(duì)于其他的分析軟件來(lái)說(shuō)是獨(dú)一無(wú)二的。由于 ABAQUS 優(yōu)秀的分析能力和模擬復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性使得 ABAQUS 被各國(guó)的工業(yè)和研究中所廣泛的采用。 ABAQUS 產(chǎn)品在大量的高科技產(chǎn)品研究中都發(fā)揮著巨大的作用。 電子：proteus，Proteus軟件是英國(guó)Lab Center Electronics公司出版的EDA工具軟件該軟件中國(guó)總代理為*風(fēng)標(biāo)電子技術(shù)*。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。它是

21、目前比擬好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。雖然目前國(guó)內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機(jī)愛(ài)好者、從事單片機(jī)教學(xué)的教師、致力于單片機(jī)開(kāi)發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Corte*和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模

22、型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MATLAB等多種編譯器。 流體力學(xué)：fluent，F(xiàn)luent是目前國(guó)際上比擬流行的商用CFD軟件包，在美國(guó)的市場(chǎng)占有率為60%，但凡和流體、熱傳遞和化學(xué)反響等有關(guān)的工業(yè)均可使用。它具有豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值方法和強(qiáng)大的前后處理功能，在航空航天、汽車設(shè)計(jì)、石油天然氣和渦輪機(jī)設(shè)計(jì)等方面都有著廣泛的應(yīng)用。CFD商業(yè)軟件FLUENT，是通用CFD軟件包，用來(lái)模擬從不可壓縮到高度可壓縮*圍內(nèi)的復(fù)雜流動(dòng)。由于采用了多種求解方法和多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù)，因而FLUENT能到達(dá)最正確的收斂速度和求解精度。靈活的非構(gòu)造化網(wǎng)格和基于解的自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)及成熟的物理模型

23、，使FLUENT在轉(zhuǎn)換與湍流、傳熱與相變、化學(xué)反響與燃燒、多相流、旋轉(zhuǎn)機(jī)械、動(dòng)/變形網(wǎng)格、噪聲、材料加工、燃料電池等方面有廣泛應(yīng)用。目前與FLUENT配合最好的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格軟件是ICEM，而不是早已過(guò)時(shí)的GAMBIT。 虛擬儀器：labview， LabVIEW是一種程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，由美國(guó)國(guó)家儀器NI公司研制開(kāi)發(fā)，類似于C和BASIC開(kāi)發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的顯著區(qū)別是：其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言都是采用基于文本的語(yǔ)言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語(yǔ)言G編寫(xiě)程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。 LabVIEW軟件是NI設(shè)計(jì)平臺(tái)的核心，也是開(kāi)發(fā)測(cè)量或控制系統(tǒng)的理想選擇。 LabVIEW

24、開(kāi)發(fā)環(huán)境集成了工程師和科學(xué)家快速構(gòu)建各種應(yīng)用所需的所有工具，旨在幫助工程師和科學(xué)家解決問(wèn)題、提高生產(chǎn)力和不斷創(chuàng)新。與 C 和BASIC 一樣，LabVIEW也是通用的編程系統(tǒng)，有一個(gè)完成任何編程任務(wù)的龐大函數(shù)庫(kù)。LabVIEW的函數(shù)庫(kù)包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，等等。LabVIEW也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設(shè)置斷點(diǎn)、以動(dòng)畫(huà)方式顯示數(shù)據(jù)及其子程序子VI的結(jié)果、單步執(zhí)行等等，便于程序的調(diào)試。LabVIEWLaboratory Virtual Instrument Engineering Workbench是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)立應(yīng)用程序的圖形化編程語(yǔ)言。傳統(tǒng)文

25、本編程語(yǔ)言根據(jù)語(yǔ)句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而 LabVIEW 則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI及函數(shù)的執(zhí)行順序。VI指虛擬儀器，是 LabVIEW 的程序模塊。LabVIEW提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器如示波器、萬(wàn)用表類似的控件，可用來(lái)方便地創(chuàng)立用戶界面。用戶界面在 LabVIEW 中被稱為前面板。使用圖標(biāo)和連線，可以通過(guò)編程對(duì)前面板上的對(duì)象進(jìn)展控制。這就是圖形化源代碼，又稱G代碼。LabVIEW 的圖形化源代碼在*種程度上類似于流程圖，因此又被稱作程序框圖代碼。 第三章 Deform-3D軟件介紹3.1 Deform3D軟件簡(jiǎn)介Deform系列軟件是由位于美國(guó)

26、Ohio Clumbus 的科學(xué)成形技術(shù)公司開(kāi)發(fā)的。該系列軟件主要應(yīng)用于金屬塑性加工、熱處理等工藝數(shù)值的模擬。它的前身是美國(guó)空軍Battelle 實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的ALPID軟件。在1991年成立的SFTC公司將其商業(yè)化，目前，Deform軟件已成為國(guó)際上流行的金屬加工數(shù)值模擬的軟件之一了。其中Deform-3D是一套基于工藝模擬系統(tǒng)的有限元軟件，專門(mén)設(shè)計(jì)用于分析各種金屬成型過(guò)程中的三維流動(dòng)，提供極有價(jià)值的工藝分析數(shù)據(jù)，和有關(guān)成型過(guò)程中的材料和溫度流動(dòng)。典型的Deform-3D應(yīng)用包括鍛造、擠壓、墩頭、軋制，自由鍛、彎曲和其他成型加工手段。Deform理論根底是經(jīng)過(guò)修訂的拉格朗日定理，屬于剛塑性有限

27、元法，其中材料模型包括剛性材料模型、塑性材料模型、多孔材料模型和彈塑性模型。Deform軟件根據(jù)不同的材料性能可以選擇不同的計(jì)算方法。同時(shí)該軟件提供了豐富的材料庫(kù)，幾乎包含了所有常用材料的彈性變形數(shù)據(jù)、塑性變形數(shù)據(jù)、熱能數(shù)據(jù)、熱交換數(shù)據(jù)、晶粒長(zhǎng)大數(shù)據(jù)、材料硬化數(shù)據(jù)和破壞數(shù)據(jù)。3.2 軟件模塊構(gòu)造分析Deform3D是一個(gè)在集成環(huán)境內(nèi)綜合對(duì)建模、成形、熱傳導(dǎo)和成形設(shè)備特性進(jìn)展模擬的有限元分析軟件，它主要包括三個(gè)局部：預(yù)處理、仿真、后處理。Deform3D是模擬3D材料運(yùn)動(dòng)的理想工具，它不僅模擬效果好，而且易于使用。系統(tǒng)中集成了在任何必要時(shí)能夠自行觸發(fā)的自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)量化生成器，以便生成優(yōu)化的網(wǎng)格系統(tǒng)，

28、在要求精細(xì)較高區(qū)域，可以劃分較細(xì)密的網(wǎng)格，從而降低計(jì)算時(shí)間，并顯著提高計(jì)算效率。在最近的國(guó)際*圍復(fù)雜零件成形模擬招標(biāo)演算中，Deform3D的計(jì)算精度和結(jié)果的可靠性，被公認(rèn)為國(guó)際成形過(guò)程模擬量的軟件之一。Deform軟件是一個(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。3.3前處理器及其設(shè)置前處理器包括三個(gè)子模塊 a 數(shù)據(jù)的輸入模塊，便于數(shù)據(jù)的交互式輸入。b 網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)劃分與自動(dòng)在劃分模塊 c 數(shù)據(jù)傳遞模塊，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)重劃分后，能夠在新舊網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)應(yīng)力、應(yīng)變、速度場(chǎng)、邊界條件等數(shù)據(jù)的傳遞，從而保證計(jì)算的連續(xù)性。 圖1 前處理器功能操作圖3為前處理器的功能操作

29、示意圖，以下為前處理器的設(shè)定，過(guò)程如下：創(chuàng)立一個(gè)新的模擬工程應(yīng)按以下步驟：(1) 先創(chuàng)立在D盤(pán)創(chuàng)立machining文件夾，在主窗口左上端，點(diǎn)擊按鈕，選擇machining文件夾，點(diǎn)擊確定，進(jìn)入該目錄下如圖4所示 圖2 DEFORM-3D主窗口界面接著在主窗口界面右側(cè)點(diǎn)擊前處理Pre Processor中Machining【Cutting】選項(xiàng)，進(jìn)入如圖5所示的對(duì)話框，輸入問(wèn)題名稱為MACHINING，點(diǎn)擊Ne*t進(jìn)入前處理界面。 圖3 進(jìn)入前處理器界面3.3 模擬器真正的有限元分析過(guò)程是在模擬處理器中完成的，Deform運(yùn)行時(shí)，首先通過(guò)有限元離散化將平衡方程、本構(gòu)關(guān)系和邊界條件轉(zhuǎn)化為非線性方

30、程組，然后通過(guò)直接迭代法和NewtonRaphson法進(jìn)展求解，求解的結(jié)果以二進(jìn)制的形式進(jìn)展保存，用戶可以在后處理中獲取所需要的結(jié)果。真正的有限元分析過(guò)程是在模擬處理器中完成的。3.4 后處理器 后處理器用于顯示結(jié)算結(jié)果，結(jié)果可以是圖形形式，也可以是數(shù)字、文字混編形式，獲取的結(jié)果可為每一步的有限元網(wǎng)格；等效應(yīng)力、等效應(yīng)變；速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)及壓力行程曲線等。后處理器主要是對(duì)有限元計(jì)算產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)進(jìn)展解釋，用于顯示計(jì)算結(jié)果的模塊。 圖4 后處理器功能操作 第四章 有限元模型的建立4.1 切削加工模型金屬車削過(guò)程實(shí)際上是工件材料在刀具的剪切擠壓作用下，首先發(fā)生彈性變形，進(jìn)而發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生應(yīng)變硬化

31、，最后撕裂，沿前刀面流出形成切屑的過(guò)程。由于刀具材料的強(qiáng)度和硬度要比工件材料大很多，因此在計(jì)算中假設(shè)刀具為彈性材料，按彈性材料計(jì)算，而工件材料按彈塑性材料進(jìn)展計(jì)算，對(duì)其采用大應(yīng)變的彈塑性單元進(jìn)展彈塑性分析，這與實(shí)際切削情況根本吻合。本文以車削來(lái)說(shuō)明情況一般的切削情形，車削原理如圖1所示，工件旋轉(zhuǎn)，刀具軸向和徑向進(jìn)給，到達(dá)層層切削工件的目的。圖5 切削示意圖圖5所示為軟件模擬中的切削模型。該模型分別用進(jìn)給量、背吃刀量、切削速度三個(gè)主要參數(shù)來(lái)描述切削加工過(guò)程。通過(guò)改變參數(shù)值大小，分析模擬的變化程度和模擬效果，從而分析這些參數(shù)值對(duì)加工過(guò)程的影響。本文選擇具有典型實(shí)用價(jià)值的切削外圓進(jìn)展仿真，首先選擇刀

32、具具有軸向轉(zhuǎn)動(dòng)和軸向進(jìn)給兩個(gè)運(yùn)動(dòng)，而工件固定不動(dòng)。設(shè)置單位制為國(guó)際單位制SI，仿真的模式為熱傳遞和變形。金屬切削可以分為兩種情形，即正交切削或稱直角切削和非正交切削斜角切削。對(duì)于正交切削情形，切削刃和切削速度方向垂直，刃傾角為零，如圖2所示。正交切削是最簡(jiǎn)單的一種情形，為便于研究，我們經(jīng)常將實(shí)際金屬切削過(guò)程簡(jiǎn)化為正交切削。圖6 正交切削示意圖4.2 切削模型建立1切削模型網(wǎng)格劃分在用有限元法對(duì)金屬切削大變形問(wèn)題進(jìn)展分析時(shí)，由于材料的過(guò)度變形，會(huì)導(dǎo)致單元網(wǎng)格的嚴(yán)重畸變。網(wǎng)格畸變嚴(yán)重，后續(xù)分析就會(huì)建立在質(zhì)量低劣的網(wǎng)格上，影響結(jié)果精度，甚至?xí)?dǎo)致計(jì)算不收斂而分析中止，所以網(wǎng)格畸變嚴(yán)重時(shí)，必須對(duì)材料的

33、網(wǎng)格進(jìn)展劃分。在金屬成型有限元分析軟件中，常用到的單元主要有8節(jié)點(diǎn)六面體單元和四面體常應(yīng)變單元，后者具有簡(jiǎn)單，邊界適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，因此本文選取四面體常應(yīng)變單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。通常在一些場(chǎng)變量變化梯度較大的區(qū)域，劃分較為致密的網(wǎng)格，反之則應(yīng)劃分為較為稀疏的網(wǎng)格。本文選用絕對(duì)劃分方式【Use absolute mesh size】，劃分出網(wǎng)格的最小單元尺寸選擇默認(rèn)值，Size Ratio=22設(shè)定工作條件。進(jìn)入前處理界面在右下角，選擇國(guó)際單位制System International。由于模擬的是車削外圓，應(yīng)選擇Turning。切削參數(shù)的設(shè)定根據(jù)自己的需要改變參數(shù)值的大小，不過(guò)后刀面選擇刀具參數(shù)時(shí)要參考

34、這些參數(shù)值，否則很可能會(huì)出現(xiàn)接觸錯(cuò)誤。設(shè)定工作環(huán)境溫度20、工件接觸屬性摩擦系數(shù)0.6和熱導(dǎo)率45。3刀具的設(shè)定刀具材料：wc類硬質(zhì)合金；進(jìn)給量F：0.3mm/rev；切削厚度：0.2mm；刀具前角：-5；刀具后角：5；切削刃鈍圓半徑：0.008mm，切削速度變化*圍：200m/min1000m/min。刀具的設(shè)定是從刀具庫(kù)中選擇刀具類型，選擇第二類刀具DNMA432- WC-English并定義刀具網(wǎng)格劃分：選擇刀具的Size Ratio為3，選定35000個(gè)網(wǎng)格。進(jìn)入Deform3D的Machining【cutting】模塊，導(dǎo)入預(yù)先構(gòu)造的刀具模型，如圖7所示。圖7 劃分網(wǎng)格后的刀具幾何模

35、型4工件的設(shè)定工件材料選?。哼x取材料庫(kù)中【steel】AISI-1045machining材料作為工件的材料并進(jìn)展工件的網(wǎng)格劃分：選用絕對(duì)劃分方式【Use absolute mesh size】，劃分出網(wǎng)格的最小單元尺寸選擇默認(rèn)值，Size Ratio=2，工件劃分出的網(wǎng)格如圖8所示。圖8 劃分網(wǎng)格后的工件幾何模型(5) 模擬條件設(shè)定 對(duì)運(yùn)算結(jié)果數(shù)據(jù)存儲(chǔ)步數(shù)、終止、磨損條件的設(shè)定，具體參數(shù)是：存儲(chǔ)增量為每25步存一次，總共運(yùn)算3000步，切削終止角度10，即切削工件的全部后停頓工件總共彎曲10。另外Tool wear calculaton with Usui model對(duì)刀具磨損進(jìn)展設(shè)定，以便

36、后處理時(shí)可以查看刀具磨損量，根據(jù)經(jīng)歷值取a、b分別為0.0000001和855.0。(6) 檢查設(shè)定結(jié)果 單擊【Check data】檢查設(shè)定是否正確，假設(shè)正確則左下角的信息欄會(huì)出現(xiàn) 字樣 說(shuō)明成功，否則失敗，單擊 來(lái)生成文件。7退出前處理 點(diǎn)擊工具欄中的退出按鈕，點(diǎn)擊【Yes】退出同時(shí)在主窗口的文件夾下生成MACHINING. DB文件，完成切削加工的前處理。 第五章 DEFORM-3D對(duì)切削溫度的仿真5.1刀具和工件的溫度場(chǎng)分析在金屬切削過(guò)程中，切削時(shí)所做的功除了1%至2%用于形成新外表以及以晶格扭曲等形式形成潛藏能以外，其余的都轉(zhuǎn)化為熱。如果切削熱沒(méi)有及時(shí)的從切屑和工件傳導(dǎo)出去，切削區(qū)溫

37、度就會(huì)較高，使刀具磨損加快。所以研究切削熱和切削溫度的產(chǎn)生和變化規(guī)律，是研究金屬切削過(guò)程的重要方面，分析切削過(guò)程中的溫度場(chǎng)分布具有重要的意義。切削進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后，取第250步處的切削狀態(tài)為研究對(duì)象，圖9是切削速度為400m/min條件下工件和刀具的溫度場(chǎng)的分布。從中可以看出，最高切削溫度在刀-屑接觸面附近，為779度，這說(shuō)明刀-屑接觸面是摩擦最嚴(yán)重的地方。圖中剪切區(qū)的等溫線根本與剪切面平行，也就是說(shuō)剪切面上的各點(diǎn)的溫度幾乎一樣。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn) 剪切區(qū)的等溫線密度比擬大，說(shuō)明溫度變化梯度較大。刀具溫度場(chǎng) b工件溫度場(chǎng) 圖9 第250步時(shí)的溫度場(chǎng)5.2 切削速度對(duì)切削溫度的影響由于前刀面和切屑間及后

38、刀面與已加工外表間的摩擦作用，再加上切削層金屬不斷發(fā)生塑形變形，產(chǎn)生的熱量不斷傳導(dǎo)在刀具上。由圖9可知，刀具上的溫度程輻射狀，離前刀面和刀-屑接觸區(qū)越遠(yuǎn)溫度越低，刀具的最高溫度在前刀面上距離刀刃不遠(yuǎn)的地方，如圖最高溫度為225 低于工件上的最高溫度。Step100 Step175Step231 Step299圖10 切削過(guò)程中刀具溫度場(chǎng)圖11為穩(wěn)定切削第231步時(shí)刀具最高溫度隨切削速度的變化曲線。從中可以看出，隨著切削速度的增大，最高切削溫度也隨之增加，但增加的幅度變緩。這是因?yàn)楫?dāng)切削速度提高后，產(chǎn)生切屑的速度增加，傳入切屑而被切屑帶走的熱量份額加多，而傳入刀具的熱量份額減小，故刀具溫升不大。 圖11 刀具最高溫度隨切削速度的變化曲線5.3切削過(guò)程中總體溫度分布Step49Step100 Step150 Step200 Step264 圖12 加工過(guò)程刀具和工件溫度分布圖切削厚度為0.15mm，切削速度為400m/min，分別取Step49、Step100、Step150、Step200和Step264