基于ANSYS的切削加工受力分析

1、1緒論金屬切削是機(jī)械制造行業(yè)中的一類重要的加工手段。美國和日本每年花費(fèi)在切削加工方面的費(fèi)用分別高達(dá) 1000 億美元 和10000 億日元。 中國目前擁有各類金屬切削機(jī)床超過 300 萬臺, 各類高速鋼刀具年產(chǎn)量達(dá) 3.9 億件, 每年用于制造刀具的硬質(zhì)合金超過 5000 噸?？梢娗邢骷庸と匀皇悄壳皣H上加工制造精密金屬零件的主要方法。19世紀(jì)中期, 人們開始對金屬切削過程的研究, 到現(xiàn)在已經(jīng)有一百多年歷史。由于金屬切削本身具有非常復(fù)雜的機(jī)理, 對其研究一直是國內(nèi)外研究的重點和難點。過去通常采用實驗法, 它具有跟蹤觀測困難、 觀測設(shè)備昂貴、實驗周期長、人力消耗大、綜合本錢高等不利因素。本文利用

2、材料變形的彈塑性理論, 建立工件材料的模型,借助大型商業(yè)有限元軟件ANSYS, 通過輸入材料性能參數(shù)、 建立有限元模型、施加約束及載荷、計算, 對正交金屬切削的受力情況進(jìn)行了分析。以前角10 、后角 8的 YT 類硬質(zhì)合金刀具切削 45 號鋼為實例進(jìn)行計算。切削厚度為 2 mm時形成帶狀切屑。提取不同階段應(yīng)力場分布云圖, 分析了切削區(qū)應(yīng)力的變化過程。 這種方法比傳統(tǒng)實驗法快捷、 有效, 為金屬切削過程的研究開辟了一條新的道路。2 設(shè)計要求根據(jù)有限元分析理論 ，根據(jù)ANSYS的求解步驟，建立切削加工的三維模型。對該模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分并施加約束邊界條件，最后進(jìn)行求解得出應(yīng)力分布云圖，并以此云圖分析得

3、出結(jié)論。3 金屬切削簡介3 金屬切削過程，從實質(zhì)講，就是產(chǎn)生切屑和形成已加工外表的過程。產(chǎn)生切屑和形成已加王外表是金屬切削時密切相關(guān)的兩個方面。 3.1 切削方式切削時，當(dāng)工件材料一定，所產(chǎn)生切屑的形態(tài)和形成已加工外表的特性，在很大程度上決定于切削方式。切削方式是由刀具切削刃和工件間的運(yùn)動所決定，可分為：直角切削、斜角切削和普通切削三種方式。 3.2 切屑的根本形態(tài)金屬切削時，由于工件材料、刀具幾何形狀和切削用量不同，會出現(xiàn)各種不同形態(tài)的切屑。但從變形觀點出發(fā)，可歸納為四種根本形態(tài)。1帶狀切屑 切屑呈連續(xù)狀、與前刀面接觸的底層光滑、反面呈毛葺狀。2擠裂狀切屑切屑反面呈鋸齒形、內(nèi)外表有時有裂紋。

4、3單元狀切屑切削塑性很大的材料，如鉛、退火鋁、純銅時，切屑容易在前刀面上形成粘結(jié)不易流出，產(chǎn)生很大變形，使材料到達(dá)斷裂極限，形成很大的變形單元，而成為此類切屑。4崩碎狀切屑 切削脆性材料，如鑄鐵、黃銅等時，形成片狀或粒狀切屑。切削時，在產(chǎn)生帶狀切屑的過程中，切削力變化較小，切削過程穩(wěn)定，已加工外表質(zhì)量好。但切屑成為很長的帶狀，影響機(jī)床正常工作和工人平安，因而要采取斷屑措施；在產(chǎn)生擠裂狀和單元狀切屑的過程中，切削力有較大的波動，尤其是單元狀切屑，在其形成過程中可能產(chǎn)生振動影響加工質(zhì)量；在切削鑄鐵時，由于所形成的崩碎狀切屑是經(jīng)石墨邊界處崩裂的，因而已加工外表的粗糙度值變大。3.3 積屑瘤 在用低、

5、中速連續(xù)切削一般鋼材或其他塑性材料時,切屑同刀具前面之間存在著摩擦,如果切屑上緊靠刀具前面的薄層在較高壓強(qiáng)和溫度的作用下，同切屑基體別離而粘結(jié)在刀具前面上,再經(jīng)層層重疊粘結(jié),在刀尖附近往往會堆積成一塊經(jīng)過劇烈變形的楔狀切屑材料，叫做積屑瘤。積屑瘤的硬度較基體材料高一倍以上，實際上可代替刀刃切削。積屑瘤的底部較穩(wěn)定，頂部同工件和切屑沒有明顯的分界線,容易破碎和脫落,一局部隨切屑帶走，一局部殘留在加工外表上，從而使工件變得粗糙。所以在精加工時一定要設(shè)法防止或抑制積屑瘤的形成。積屑瘤的產(chǎn)生、成長和脫落是一個周期性的動態(tài)過程據(jù)測定,它的脫落頻率為30170次秒，它使刀具的實際前角和切削深度也隨之發(fā)生變

6、化，引起切削力波動，影響加工穩(wěn)定性。在一般情況下，當(dāng)切削速度很低或很高時，因沒有產(chǎn)生積屑瘤的必要條件較大的切屑與刀具前面間的摩擦力和一定的溫度，不產(chǎn)生積屑瘤。3.4 切削力 切削時刀具的前面和后面上都承受法向力和摩擦力，這些力組成合力F，在外圓車削時,一般將這個切削合力F分解成三個互相垂直的分力：切向力Ft它在切削速度方向上垂直于刀具基面，常稱主切削力；徑向力Fr在平行于基面的平面內(nèi),與進(jìn)給方向垂直,又稱推力；軸向力Fa在平行于基面的平面內(nèi),與進(jìn)給方向平行,又稱進(jìn)給力。切削過程中實際切削力的大小，可以利用測力儀測出。測力儀的種類很多，較常用的是電阻絲式和壓電晶體式測力儀。測力儀經(jīng)過標(biāo)定以后就可

7、測出切削過程中各個分力的大小。 切削熱 切削金屬時，由于切屑剪切變形所作的功和刀具前面、后面摩擦所作的功都轉(zhuǎn)變?yōu)闊?，這種熱叫切削熱。使用切削液時，刀具、工件和切屑上的切削熱主要由切削液帶走；不用切削液時，切削熱主要由切屑、工件和刀具帶走或傳出，其中切屑帶走的熱量最大，傳向刀具的熱量雖小，但前面和后面上的溫度卻影響著切削過程和刀具的磨損情況，所以了解切削溫度的變化規(guī)律是十分必要的。3.6 切削溫度 切削過程中切削區(qū)各處的溫度是不同的，形成一個溫度場切屑和工件的溫度分布，這個溫度場影響切屑變形、積屑瘤的大小、加工外表質(zhì)量、加工精度和刀具的磨損等，還影響切削速度的提高。一般說來，切削區(qū)的金屬經(jīng)過剪切

8、變形以后成為切屑,隨之又進(jìn)一步與刀具前面發(fā)生劇烈摩擦,所以溫度場中溫度分布的最高點不是在正壓力最大的刃口處，而是在前面上距刃口一段距離的地方。切削區(qū)的溫度分布情況，須用人工熱電偶法或紅外測溫法等測出。用自然熱電偶法測出的溫度僅是切削區(qū)的平均溫度。3.7 刀具磨損具在切削時的磨損是切削熱和機(jī)械摩擦所產(chǎn)生的物理作用和化學(xué)作用的綜合結(jié)果。刀具磨損表現(xiàn)為在刀具后面上出現(xiàn)的磨損帶、缺口和崩刃等，前面上常出現(xiàn)的月牙洼狀的磨損，副后面上有時出現(xiàn)的氧化坑和溝紋狀磨損等。當(dāng)這些磨損擴(kuò)展到一定程度以后就引起刀具失效，不能繼續(xù)使用。刀具逐漸磨損的因素，通常有磨料磨損、粘著磨損、擴(kuò)散磨損、氧化磨損、熱裂磨損和塑性變形

9、等。在不同的切削條件下，尤其是在不同切削速度的條件下，刀具受上述一種或幾種磨損機(jī)理的作用。例如，在較低切削速度下，刀具一般都因磨料磨損或粘著磨損而破損；在較高速度下，容易產(chǎn)生擴(kuò)散磨損、氧化磨損和塑性變形。3.8 刀具壽命 刀具由開始切削到達(dá)刀具壽命判據(jù)以前所經(jīng)過的切削時間叫做刀具壽命(曾稱刀具耐用度)，刀具壽命判據(jù)一般采用刀具磨損量的某個預(yù)定值，也可以把某一現(xiàn)象的出現(xiàn)作為判據(jù)，如振動激化、加工外表粗糙度惡化，斷屑不良和崩刃等。到達(dá)刀具壽命后，應(yīng)將刀具重磨、轉(zhuǎn)位或廢棄。刀具在廢棄前的各次刀具壽命之和稱為刀具總壽命。生產(chǎn)中常根據(jù)加工條件按最低生產(chǎn)本錢或最高生產(chǎn)率的原那么，來確定刀具壽命和擬定工時定

10、額。 加工外表質(zhì)量 通常包括外表粗糙度加工硬化剩余應(yīng)力、外表裂紋和金相顯微組織變化等。切削加工中影響加工外表質(zhì)量的因素很多，例如刀具的刀尖圓弧半徑進(jìn)給量和積屑瘤等是影響外表粗糙度的主要因素;刀具的刃口鈍圓半徑和磨損及切削條件是影響加工硬化和剩余應(yīng)力的主要因素。因此，生產(chǎn)中常通過改變刀具的幾何形狀和選擇合理的切削條件來提高加工外表質(zhì)量。3.10切削振動 切削過程中，刀具與工件之間經(jīng)常會產(chǎn)生自由振動、強(qiáng)迫振動或自激振動(顫振)等類型的機(jī)械振動。自由振動是由機(jī)床零部件受到某些突然沖擊所引起，它會逐漸衰減。強(qiáng)迫振動是由機(jī)床內(nèi)部或外部持續(xù)的交變干擾力如不平衡的機(jī)床運(yùn)動件、斷續(xù)切削等所引起，它對切削產(chǎn)生的

11、影響取決于干擾力的大小及其頻率。自激振動是由于刀具與工件之間受到突然干擾力如切削中遇到硬點而引起初始振動，使刀具前角、后角和切削速度等發(fā)生變化，以及產(chǎn)生振型耦合等，并從穩(wěn)態(tài)作用的能源中獲得周期性作用的能源，促進(jìn)并維持振動。通常，根據(jù)切削條件可能產(chǎn)生各種原生型自激振動，從而在加工外表上留下的振紋，又會產(chǎn)生更為常見的再生型自激振動。上述各種振動通常都會影響加刀外表質(zhì)量，降低機(jī)床和刀具的壽命，降低生產(chǎn)率，并引起噪聲，極為有害，必須設(shè)法消除或減輕。3.11 切屑控制 指控制切屑的形狀和長短。通過控制切屑的卷曲半徑和排出方向，使切屑碰撞到工件或刀具上，而使切屑的卷曲半徑被迫加大，促使切屑中的應(yīng)力也逐漸增

12、加,直至折斷切屑的卷曲半徑可以通過改變切屑的厚度、在刀具前面上磨制卷屑槽或斷屑臺來控制，其排出方向那么主要靠選擇合理的主偏角和刃傾角來控制?，F(xiàn)代人們已能用兩位或三位數(shù)字編碼的方式來表示各種切屑的形狀，通常認(rèn)為短弧形切屑是合理的斷屑形狀。3.12 生產(chǎn)應(yīng)用在設(shè)計和使用機(jī)床和刀具時，需要應(yīng)用切削原理中有關(guān)切削力、切削溫度和刀具切削性能方面的數(shù)據(jù)。例如，在確定機(jī)床主軸的最大扭矩和剛性等根本參數(shù)時,要應(yīng)用切削力的數(shù)據(jù);在開展高切削性能的新材料時，需掌握刀具磨損和破損的規(guī)律;在切削加工中分析熱變形對加工精度的影響時,要研究切削溫度及其分布；在自動生產(chǎn)線和數(shù)字控制機(jī)床上，為了使機(jī)床能正常地穩(wěn)定工作，甚至實

13、現(xiàn)無人化操作,更要應(yīng)用有關(guān)切屑形成及其控制方面的研究成果,并在加工中實現(xiàn)刀具磨損的自動補(bǔ)償和刀具破損的自動報警。為此，各國研制了品種繁多的在線檢測刀具磨損和破損的傳感器，其中大多數(shù)是利用切削力或扭矩、切削溫度、刀具磨損作為傳感信號。此外，為了充分利用機(jī)床，提高加工經(jīng)濟(jì)性和開展計算機(jī)輔助制造(CAM),常需要應(yīng)用切削條件、刀具幾何形狀和刀具壽命等的優(yōu)化數(shù)據(jù)。因此，金屬切削原理這門學(xué)科在生產(chǎn)中的應(yīng)用日益廣泛，各國都通過切削試驗或現(xiàn)場采集積累了大量的切削數(shù)據(jù)，并用數(shù)學(xué)模型來表述刀具壽命、切削力、功率和加工外表粗糙度等同切削條件之間的關(guān)系，然后存入計算機(jī),建立金屬切削數(shù)據(jù)庫或編制成切削數(shù)據(jù)手冊,供用戶

14、查用。4 硬質(zhì)合金介紹5硬質(zhì)合金是粉末冶金制品，是將高硬度、高熔點的難融金屬碳化物粉末硬質(zhì)合金的組成與特點如下：硬質(zhì)合金中的碳化物等的硬度高、熔點高。碳化物所占的比例越大，硬度越高；碳化物的粒度越小，那么碳化物顆?？傮w積越大，而沾結(jié)層的厚度減小，即相當(dāng)于粘結(jié)層金屬相對減少，是其硬度提高，抗彎剛度降低：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，允許的切削速度為高速鋼的數(shù)倍，故目前已成為主要的刀具材料之一。但硬質(zhì)合金抗彎剛度較低，脆性大，承受沖擊能力較差，制造工藝性較差，刃口不如高速鋼鋒利。目前國內(nèi)外已研制出許多新型硬質(zhì)合金，提高了綜合性能。目前

15、常用于切削加工的硬質(zhì)合金都是以WC碳化鎢為根底，主要有三類：1鎢鈷類硬質(zhì)合金WC-Co，代號為YG。YG類硬質(zhì)合金的硬質(zhì)相材料是WC粘接劑為Co。2鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金WC-TiC-Co，代號YT。YT類硬質(zhì)合金的硬質(zhì)相材料是WC和TiC，粘結(jié)劑為Co。3鎢鈦鉭鈷類硬質(zhì)合金WC-TiC-TaC-Co，代號為YW。YW類硬質(zhì)合金也叫通用硬質(zhì)合金，是一種用途廣泛的硬質(zhì)合金，已局部代替YT和YG類硬質(zhì)合金。各類牌號中，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。5 有限元分析軟件ANSYS簡介及本課題研究的內(nèi)容和意義5.1 ANSYS簡介10ANSYS軟件是融結(jié)

16、構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場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ANSYS開發(fā)，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, IDEAS, AutoCAD等。 是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中的高級CAE工具之一。 ANSYS有限元軟件包是一個多用途的有限元法計算機(jī)設(shè)計程序，可以用來求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場及碰撞等問題。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)動器械等。ANSYS軟件提供的分析類型有結(jié)構(gòu)靜力分析、結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)非線

17、性分析、動力學(xué)分析、熱分析、電磁場分析、流體動力學(xué)分析、聲場分析、壓電分析等9類，軟件主要包括三個局部：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個強(qiáng)大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型。ANSYS的前處理模塊主要有兩局部內(nèi)容：實體建模和網(wǎng)格劃分；分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)分析可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析、流體動力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，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結(jié)構(gòu)內(nèi)部等

18、圖形方式顯示出來，也可將計算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。 應(yīng)用ANSYS提供的立體問題單元對力學(xué)問題進(jìn)行模擬分析是我們的課題中將采用的主要方法。 對于有限單元法的解法而言，從求解問題的性質(zhì)上可以歸結(jié)為三類，即獨(dú)立于時間的平衡問題或穩(wěn)態(tài)問題、特征值問題、依賴于時間的瞬態(tài)問題。這三類問題，從方程自身性質(zhì)考慮，還存在對應(yīng)的非線性情形，非線性可以是由材料性質(zhì)，變形狀態(tài)和邊界接觸條件引起的，分別成為材料、幾何、邊界非線性。求解非線性有限元問題的算法研究主要有以下幾種： 1采用Newton-Raphson方法或修正Newton-Raphson方法等將非線性方程轉(zhuǎn)化為一系列線性方程進(jìn)行迭代求解，并結(jié)合加

19、速方法提高迭代收斂的速度。 2采用預(yù)測-校正法或廣義中心法等對材料非線性本構(gòu)方程進(jìn)行積分，決定加載過程中材料的應(yīng)力應(yīng)變的演化過程。 3采用廣義弧長法等時間步長控制方法和臨界點搜索、識別方法，對非線性載荷-位移的全路徑進(jìn)行追蹤。 4采用拉格朗日Lagrange乘子法、罰函數(shù)法或直接引入法，將接觸面條件引入泛函，求解接觸和碰撞問題。 最后應(yīng)指出，由于有限元法解題的規(guī)模越來越大，為了縮短解題的周期，基于并行計算機(jī)和并行計算軟件系統(tǒng)的有限元并行算法，近年來得到很大開展。作為優(yōu)化產(chǎn)品研發(fā)流程的仿真技術(shù)及軟件的開發(fā)者和革新者，ANSYS公司2005年6月2日發(fā)布新版本。我們的對切削加工的受力問題的研究將在

20、平臺下開展。5.2 本課題研究的內(nèi)容和意義本課題的總體思路是通過大型有限元分析軟件ANSYS來模擬金屬切削過程并分析該過程中刀具的應(yīng)力，應(yīng)變場變化，進(jìn)而得出刀具受力的邊界條件，以此為根底對刀具的應(yīng)力場進(jìn)行有限元分析，并對刀具的幾何參數(shù)進(jìn)行虛擬化設(shè)計。在熟練掌握金屬切削原理，有限元法根本理論，彈塑性變性理論及所能熟練操作ANSYS軟件的前提下應(yīng)用ANSYS的前處理建立金屬切削的有限元模型對切削過程進(jìn)行分析應(yīng)用ANSYS后處理提取計算結(jié)果，對切削過程的應(yīng)力場變化進(jìn)行分析研究。在有限元分析技術(shù)日趨成熟的今天，本課題研究的意義在于將這項較為成熟的技術(shù)引入到切削加工的研究與開發(fā)上來，為切削加工研究提供一

21、種更為簡潔有效且可靠精確的方法。與傳統(tǒng)研究相比擬有限元分析技術(shù)更為經(jīng)濟(jì)，高效，完善，精確，而且研究的廣度和深度都有所開展。6 切削加工受力分析的ANSYS求解過程6.1 定義單元類型1本文在 ANSYS中工件選擇 45 號鋼, 查材料手冊得相關(guān)數(shù)據(jù): 彈性模量E=200GPa, 泊松比。刀具選用YT類硬質(zhì)合金, 查材料手冊得相關(guān)數(shù)據(jù): 刀具的彈性模量為600GPa, 泊松比為 。刀具采用前角 10, 后角8，切削厚度為 2mm進(jìn)行切削。工件選用solid185單元，刀具選用solid45單元。GUI:MainMenu Preprocessor Element Type Add/Edit/Del

22、ete彈出定義單元對話框選擇solid185單元，然后單擊Add選擇solid45。圖1 定義工件模型為1號solid185圖2 定義刀具模型為2號solid456.2 定義材料屬性數(shù)據(jù)11根據(jù)查表所得的工件和刀具的材料屬性數(shù)據(jù)來定義。對一號材料模型輸入彈性模量，泊松比分別為2.06e11和，對二號材料模型分別輸入彈性模量和泊松比為6e11和，再對二號模型輸入摩擦系數(shù).GUI:MainMenu Preprocessor Material Models彈出定義材料屬性對話框 圖3 定義工件的彈性模量和泊松比圖4 定義刀具的彈性模量和泊松比圖5 定義摩擦系數(shù)6.3 創(chuàng)立模型6.3.1 創(chuàng)立關(guān)鍵點將

23、所要畫的切削模型的平面圖關(guān)鍵點的坐標(biāo)求出，然后逐個輸入到ANSYS中GUI:MainMenu Preprocessor Modeling CreateKeypoints In Active cs圖6 定義第一個關(guān)鍵點圖7 已定義的所有的關(guān)鍵點6.3.2 通過關(guān)鍵點創(chuàng)立線段GUI:MainMenu Preprocessor Modeling Create Lines Straight Lines 彈出關(guān)鍵點拾取菜單，逐個拾取關(guān)鍵點連成線段。圖8 關(guān)鍵點拾取菜單圖9 拾取關(guān)鍵點生成成的直線6. 由直線生成面通過連成的直線生成平面GUI: MainMenu Preprocessor Modeling

24、 Create Areas Arbitrary By Lines圖10 拾取直線生成的平面6. 由平面拉伸成體 GUI: MainMenu Preprocessor Modeling Operate Extrude Areas Along Normal 彈出沿法向拉伸的對話框，輸入拉伸距離為8，選擇面生成立體模型.圖11 法向拉伸對話框圖12 拾取面生成的體6.4 劃分網(wǎng)格6. 將定義的單元類型和材料模型賦予工件 GUI:MainMenu Preprocessor Meshing Mesh Attributes Picked Volumes在彈出的對話框中將1號solid185單元賦予1號工件

25、材料模型，將2號solid45單元賦予2號車刀模型。圖13 將定義的材料模型1和單元類型1賦予工件圖14 將定義的材料模型2和單元類型2賦予刀具6 用智能劃分進(jìn)行網(wǎng)格尺寸控制GUI: MainMenu Preprocessor Meshing Size Cntrls SmartSize Basic 圖15 智能尺寸劃分6 網(wǎng)格劃分 GUI: MainMenu Preprocessor Meshing Mesh Volumes free圖16 網(wǎng)格劃分的結(jié)果6.5 創(chuàng)立摩擦接觸對在刀具切削工件的過程中，主要的摩擦發(fā)生在切屑底層與前刀面的摩擦和后刀面與已加工外表的摩擦。所以在模型中創(chuàng)立兩對接觸對。

26、6 生成組元 GUI:UtilityMenu Select Entities彈出的選擇對象對話框。選擇對象為所有的面，從所有面中拾取刀具的后刀面，再拾取其上所有節(jié)點生成組元SNA1。圖17 選擇對象為所有的面圖18 選擇后刀面圖19 選擇面上所有節(jié)點GUI: UtilityMenu Select Comp/Assembly Create Componet彈出的對話框中定義組元SNA1.圖20 生成組元 SNA1 按照上述方法依次定義已加工外表，前刀面，切削底層的組元分別為為SNA2,PULL1,PULL2。6 定義摩擦接觸對 GUI: MainMenu Preprocessor Modelin

27、g Create Contact Pairs 彈出的“接觸管理對話框，選擇新建接觸對圖21 生接接觸面對話框在上圖對話框中選擇SNA1，然后點NEXT，再選SNA2，然后點NEXT.彈出下面的屬性設(shè)置對話框圖22 屬性設(shè)置對話框單擊OK，再單擊Creat即可建立3號摩擦接觸對。按照上述方法，可再建立4號摩擦接觸對。6.6 求解準(zhǔn)備和施加約束邊界條件6.6.1設(shè)置分析類型設(shè)置分析類型為靜態(tài)分析 GUI: MainMenu Solution Analysis Type New Analysis Static圖23 選擇分析類型為暫態(tài)6.6.2 求解控制設(shè)置 GUI: MainMenu Soluti

28、on Analysis Type Sol Controls彈出下列圖所示對話框，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。圖24 參數(shù)設(shè)置對話框?qū)⒄麄€求解過程分為5個載荷步，設(shè)置為小位移約束，并且顯示所有載荷步的求解結(jié)果。6.6.3 施加約束邊界條件對刀具的頂面施加Y方向的位移約束，約束作用距離為零。對刀具的側(cè)面施加位移為-1的約束。對工件底部施加全約束，工件右側(cè)面施加X方向的約束，約束作用距離為零。GUI:Utility Select Entities圖25 拾取刀具頂面作為約束施加平面GUI: MainMenu Solution Define Loads Apply Structural Displacement O

29、n Areas圖26 約束Y方向位移圖27 選擇刀具左側(cè)面為位移約束面圖28 約束X方向位移圖29 選擇工件底面為約束面圖30 約束所有自由度圖31 選擇工件左側(cè)面為約束面圖32 約束X方向位移到此施加約束結(jié)束，下面進(jìn)入求解步驟。6.7 求解分析 GUI:MainMenu Solution Solve Current LS耐心等待十幾秒，當(dāng)出現(xiàn)“Solution is done時，那么求解完成。圖33 求解完成6.8 結(jié)果后處理 進(jìn)入ANSYS后處理器，按載荷步分別查看個的應(yīng)力分布情況。 GUI：MainMenu General Postproc Read Results By Load St

30、ep彈出選擇分析載荷步選擇對話框，分別選擇從第一步到第五步的應(yīng)力分布圖。圖34 讀取載荷步對話框圖35 讀取第一載荷步圖36 讀取第二載荷步圖37 讀取第三載荷步圖38 讀取第四載荷步圖39 讀取第五載荷步7 ANSYS求解結(jié)果分析由圖知，在靠近切削刃的應(yīng)力具有最大值，在前刀上，有效應(yīng)力從切削刃處開始急劇下降，后刀面上的有效應(yīng)力下降較為緩慢。在刀尖附近應(yīng)力最大，工件整個受力情況較為均勻。由于刀尖部位為最大應(yīng)力點，由此可知刀具破壞的主要形式為刀尖和刀刃破壞，因此選用高強(qiáng)度刀片材料對于增加刀具強(qiáng)度是十分必要的。由于切削過程中會產(chǎn)生高溫，且刀具與工件材料之間存在較大壓力，因此當(dāng)溫度和應(yīng)力到達(dá)一定水平

31、時，在應(yīng)力最大處就可能產(chǎn)生刀刃點蝕以及刀具材料塑性變形，使加工精度難以保證，為此必須調(diào)整切削參數(shù)以降低應(yīng)力，以保證刀具在穩(wěn)定的切削狀態(tài)下工作。此外，由于刀尖部位應(yīng)力最大，磨損嚴(yán)重，將直接影響加工質(zhì)量，因此需要及時檢查刀具狀況并進(jìn)行刀具補(bǔ)償。以上述分析為理論依據(jù)，即可在切削加工中正確選擇和使用刀具，合理調(diào)整切削參數(shù)。為了更清楚地說明應(yīng)力集中處的應(yīng)力分布狀況，還可利用ANSYS沿應(yīng)力最大處的縱切面外表節(jié)點作切片，以顯示截面應(yīng)力變化曲線。由于本文分析的車刀結(jié)構(gòu)較簡單，故從略。8 謝辭在本畢業(yè)設(shè)計承蒙王占奎和付素芳老師的認(rèn)真指導(dǎo)和熱心幫助，特別是在星期天、節(jié)假日指導(dǎo)老師放棄休息時間，耐心地輔導(dǎo)我們，才

32、使我在本次畢業(yè)設(shè)計得以按規(guī)定的時間順利的完成！我們指導(dǎo)老師豐富的實踐經(jīng)驗和淵博的知識以及嚴(yán)謹(jǐn)負(fù)責(zé)的、認(rèn)認(rèn)真真工作態(tài)度已經(jīng)深深的印在我的腦海里了，對我影響很大！通過指導(dǎo)老師的熱心認(rèn)真的指導(dǎo)，使我能夠?qū)C(jī)械設(shè)計根本知識能夠認(rèn)真學(xué)習(xí)并得到提高；對有關(guān)設(shè)計資料進(jìn)行有效的查閱；在運(yùn)用軟件時能夠融會貫穿?？傊谡麄€設(shè)計過程中指導(dǎo)老師給予我了充分耐心的指導(dǎo)，在此我向指導(dǎo)老師以及曾幫助過我的同學(xué)表示真誠的感謝！9 參考文獻(xiàn)1張朝暉. ANSYS 結(jié)構(gòu)分析及實例解析M. 機(jī)械工業(yè)出版社， 2鄧凡平. ANSYS 10.0 有限元分析自學(xué)手冊M. 人民郵電出版社， 3安承業(yè). 機(jī)械制造工藝根底M. 天津大學(xué)出版社

33、，4Saeed Moaveni. 有限元分析-ANSYS理論與應(yīng)用M. 電子工業(yè)出版社，5劉鴻文. 材料力學(xué)M. 高等教育出版社，6張方瑞. 應(yīng)用根底與實例教程M. 電子工業(yè)出版社，7陳精一. ANSYS工程分析實例教程M. 中國鐵道出版社，8刑靜忠. 有限元根底與ANSYS入門M. 機(jī)械工業(yè)出版社，9李黎明. ANSYS有限元分析實用教程M. 清華大學(xué)出版社，2005.110張朝暉.結(jié)構(gòu)分析工程應(yīng)用實例解析M. 機(jī)械工業(yè)出版社，11陳志剛，周里群. 基于ANSYS的金屬切削過程有限元仿真J. 鑿巖機(jī)械氣開工具，2007112張春來. 金屬斜角切削過程的ANSYS數(shù)值仿真J. 機(jī)床與液壓，13

34、仇亞萍，黃俐軍，馮立飛. 基于ANSYS的有限元網(wǎng)格劃分方法J. 機(jī)械管理與開發(fā)，14張春來，黃斌. ANSYS軟件中優(yōu)化技術(shù)在刀具切削中的應(yīng)用J. 安徽水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，15李國和，王敏杰，段春真. 基于ANSYS/LS-DYNA的金屬切削過程有限元模擬J. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc232211577 1緒論 PAGEREF _Toc232211577 h 1 HYPERLINK l _Toc232211578 2 設(shè)計要求 PAGEREF _Toc232211578 h 1 HYPERLINK l _Toc232211579

35、3 金屬切削簡介3 PAGEREF _Toc232211579 h 1 HYPERLINK l _Toc232211580 切削方式 PAGEREF _Toc232211580 h 1 HYPERLINK l _Toc232211581 切屑的根本形態(tài) PAGEREF _Toc232211581 h 1 HYPERLINK l _Toc232211582 3.3 積屑瘤 PAGEREF _Toc232211582 h 2 HYPERLINK l _Toc232211583 切削力 PAGEREF _Toc232211583 h 2 HYPERLINK l _Toc232211584 切削熱 P

36、AGEREF _Toc232211584 h 3 HYPERLINK l _Toc232211585 切削溫度 PAGEREF _Toc232211585 h 3 HYPERLINK l _Toc232211586 刀具磨損 PAGEREF _Toc232211586 h 3 HYPERLINK l _Toc232211587 3.8 刀具壽命 PAGEREF _Toc232211587 h 3 HYPERLINK l _Toc232211588 3.9 加工外表質(zhì)量 PAGEREF _Toc232211588 h 4 HYPERLINK l _Toc232211589 切削振動 PAGERE

37、F _Toc232211589 h 4 HYPERLINK l _Toc232211590 3.11 切屑控制 PAGEREF _Toc232211590 h 4 HYPERLINK l _Toc232211591 生產(chǎn)應(yīng)用 PAGEREF _Toc232211591 h 4 HYPERLINK l _Toc232211592 4 硬質(zhì)合金介紹5 PAGEREF _Toc232211592 h 5 HYPERLINK l _Toc232211593 5 有限元分析軟件ANSYS簡介及本課題研究的內(nèi)容和意義 PAGEREF _Toc232211593 h 5 HYPERLINK l _Toc23

38、2211594 5.1 ANSYS簡介10 PAGEREF _Toc232211594 h 5 HYPERLINK l _Toc232211595 本課題研究的內(nèi)容和意義 PAGEREF _Toc232211595 h 7 HYPERLINK l _Toc232211596 6 切削加工受力分析的ANSYS求解過程 PAGEREF _Toc232211596 h 7 HYPERLINK l _Toc232211597 定義單元類型1 PAGEREF _Toc232211597 h 7 HYPERLINK l _Toc232211598 定義材料屬性數(shù)據(jù)11 PAGEREF _Toc232211598 h 8 HYPERLINK l _Toc232211599 創(chuàng)立模型 PAGEREF _Toc232211599