基于ANSYS的切削加工受力分析

1、 i #河南科技學院2009屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計）論文題目基于ANSYS的切削加工受力分析學生姓名：李敏芝所在院系：機電學院所學專業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化導師姓名：付素芳王占奎完成時間：2009年5月 摘要金屬切削是機械制造行業(yè)中的一類重要的加工手段。 早在一百多年前人們就 已經(jīng)開始了對金屬切削過程的研究。 由于金屬切削本身具有非常復(fù)雜的機理， 用 傳統(tǒng)的研究方法研究非常困難。 本文應(yīng)用有限元分析方法， 利用材料變形的彈塑 性理論及金屬切削基本原理，建立工件材料的模型 , 借助大型商業(yè)有限元分析軟 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

2、屬切削的受力情況進行了模擬。 最后得出應(yīng)力云圖， 進行切削加工中的 工件和刀具的受力情況分析。關(guān)鍵詞： 有限元分析， ANSYS , 金屬切削AbstractMetal-cutting machinery manufacturing industry in a class of important means of processing. As early as more than 100 years ago, people have begun the process of metal cutting research. As a result of metal-cutting itself

3、 is very complex mechanism, using the traditional method of study very difficult. In this paper, finite element method, using materials of the elastic-plastic deformation theory and the basic principles of metal cutting, the establishment of the workpiece material model, with large commercial finite

4、 element analysis software ANSYS, the importation of material properties through the establishment of the finite element model, to impose constraints and load calculated for the orthogonal metal cutting forces are simulated. Came to the conclusion that the stress image, the cutting of the workpiece

5、and tool in the analysis of the forces.Key words: finite element analysis, ANSYS, metal-cutting1 緒論金屬切削是機械制造行業(yè)中的一類重要的加工手段。 美國和日本每年花費在 切削加工方面的費用分別高達 1000 億美元 和 10000 億日元。 中國目前擁有 各類金屬切削機床超過 300 萬臺, 各類高速鋼刀具年產(chǎn)量達 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辦法。 19 世紀中期 , 人們開始對金屬切削過程的研究 ,

6、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、綜合成本高等不利因素。本文利用材 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

7、。 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。對該模型進行網(wǎng)格劃分并施加約束邊界條件， 最后進行求解得出應(yīng)力分布云 圖，并以此云圖分析得出結(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表面的過程。產(chǎn)生 切屑和形成已加王表面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，當工件材料一定，所產(chǎn)生切屑的形態(tài)和形成已加工表面的特性， 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動所決 定，可分為：直角切削、斜角切削和普通切削

8、三種方式。3.2 切屑的基本形態(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)，可歸納為四種基本形態(tài)。1帶狀切屑 切屑呈連續(xù)狀、與前刀面接觸的底層光滑、背面呈毛葺狀。 2擠裂狀切屑 切屑背面呈鋸齒形、內(nèi)表面有時有裂紋。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， 使材料達到斷裂極限， 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 工表面質(zhì)量好。

9、但切屑成為很長的帶狀， 影響機床正常工作和工人安全， 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， 因而已加工表面的粗糙度值變 大。3.3 積屑瘤在用低、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和溫度的作用下，同切屑 基體分離而粘結(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

10、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 , 一部分隨切屑帶走， 一部分殘留在加工表面上， 從 而使工件變得粗糙。 所以在精加工時一定要設(shè)法避免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30 170 次秒），它使刀具的實際前角和切削深度也隨之發(fā)生變化，引起切削力波 動，影響加工穩(wěn)定性。在一般情況下，當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

11、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),與進給方向垂直,又稱推力；軸向力 F在平行于基面的平面 內(nèi) , 與進給方向平行 , 又稱進給力。 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)過標定以后就可測出切削過程中各個分力的大小。3.5 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

12、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、加工表面質(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)過剪切變形以 后成為切屑 , 隨之又進一步與刀具前面發(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。

13、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械摩擦所產(chǎn)生的物理作用和化學作用的綜 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。 當這些磨 損擴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、擴散磨損、氧化磨損、熱裂磨損和塑性變形等。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 損機理的作用。 例如， 在較低切削

14、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達到刀具壽命判據(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、加工表面粗糙度惡化， 斷屑不良和崩刃等。 達到刀具壽命后， 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)成本或最高生產(chǎn)率的原則， 來確定刀具壽 命和擬定工時定額。3.9 加工表面質(zhì)量通常包括表面粗糙度加工硬化殘余應(yīng)力、表面裂紋和金相顯

15、微組織變化等。 切削加工中影響加工表面質(zhì)量的因素很多， 例如刀具的刀尖圓弧半徑進給量和積 屑瘤等是影響表面粗糙度的主要因素 ; 刀具的刃口鈍圓半徑和磨損及切削條件是 影響加工硬化和殘余應(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表面質(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、 強迫振動或自激振動 （ 顫 振）等類型的機械振動。自由振動是由機床零部件受到某些突然沖擊所引起，它 會逐漸衰減。 強迫振動是由機床內(nèi)部或外部持續(xù)的交變干擾力 （如不平衡的機床 運動件、斷續(xù)切削等） 所引起， 它對切削產(chǎn)生的影響取決于干擾力的大小及其頻 率

16、。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， 從而在加工表面上留下的振紋， 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表面質(zhì)量， 降低機 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

17、也逐漸增 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， 其排出方向則主要靠選擇合理的主偏角和刃傾角來控制。 現(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，在確定機床主軸的最大扭矩和剛性等基本參數(shù) 時,要應(yīng)用切削力的數(shù)據(jù) ; 在發(fā)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

18、數(shù)字控制機床上， 為了使機床能正常地穩(wěn)定工作， 甚至實現(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，為了充分利用機床， 提高加工經(jīng)濟性和發(fā)展計算機 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)學模型來表述刀具壽命、切削力、 功率和

19、加工表面粗糙度等同切削條件之間的關(guān)系，然后存入計算機 , 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（ WC ,TiC.TaC 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，則碳化物顆?？?體積越大，而沾結(jié)層的厚度減小， 即相當于粘結(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 1000 左右，允許的切削速度為高速鋼的數(shù)倍，故 目前已

20、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。目前常用于切削加工的硬質(zhì)合金都是以WC （碳化鎢）為基礎(chǔ)，主要有三類：1）鎢鉆類硬質(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）鎢鈦鉭鉆類硬質(zhì)合金 WC-TiC-TaC-Co ，代號為 YW。 YW

21、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，已部分代替 YT 和 YG 類硬 質(zhì)合金。各類牌號中， 含鉆量越多， 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)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 ANSY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)

22、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、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 軟件提供的分析類型有結(jié)構(gòu)靜力分析、結(jié)構(gòu)動力學分 析、結(jié)構(gòu)非線性分析、動力學分析、熱分析、電磁場分析、流體動力學分析、聲 場分析、壓電分析等 9 類，軟件主要包括三個部分：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

23、處理模塊主要有兩部分內(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 (可進行線性分析、 非線性分析和高度 非線性分析)、流體動力學分析、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問題進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

24、三類，即獨立 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：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行迭代求解，并結(jié)合加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

25、索、識別方法，對非線 性載荷 - 位移的全路徑進行追蹤。(4)采用拉格朗日(Lagrang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， 近年來得到很大發(fā)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 ANSYS 10.0 新版本。我們的對切削加工的受力問題的研究將在 ANSYS 10.0 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

26、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，進而得出刀具受力的邊界條件，以此 為基礎(chǔ)對刀具的應(yīng)力場進行有限元分析，并對刀具的幾何參數(shù)進行虛擬化設(shè)計。 在熟練掌握金屬切削原理，有限元法基本理論，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種更為 簡潔有效且可靠精確的方法。與傳統(tǒng)研究相比較有限元分析技術(shù)更為經(jīng)濟，高效，

27、 完善，精確，而且研究的廣度和深度都有所發(fā)展。6切削加工受力分析的ANS YS求解過程1】6.1定義單元類型本文在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泊松比卩=0.28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0.3。刀具采用前角10后角8切削 厚度為2mm進行切削。工件選用solid185單元，刀具選用solid45單元。GUI:MainMenu -* Preprocessor Element Type -Add/Edit/Delete彈出定義單元對話框選擇solid185單元，然后單擊Add選擇solid

28、45/VhlSYSMA京 ZO ZD09/X *冒 nf Flnw-nt IT儲15 5 3 5 ZFIAAfTi 嚴右She*Fid Mi圖1定義工件模型為 1號solid1851ANSYS 1ANSYS iANSYS NODESDeFined Element Typers: Tpe 1 SOLID LffiA Library of Element TypesLbrary of ElamEt TypesMAY 20 200915:38:20BemErit type refer emce num hertancelA曲圖2定義刀具模型為 2號solid456.2定義材料屬性數(shù)據(jù)根據(jù)查表所得的工

29、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0.28,對二號材料模型分別輸入彈性模量和泊 松比為6e11和0.3,再對二號模型輸入摩擦系數(shù) 0.2.GUI:MainMenu k Preprocessor Material Models 彈出定義材料屬性對話框NODESANSYSMAY 20 200915:30:20Mafcetial Models Defined倉 hMsrlal Model Murnber 1j Limar【說訃甲就 Pirbpertie不 fur Material Number IPOatetiafl Models Avafeble

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34、ssorModelingCreateKeypointsInActive csANSYS ANSYS ANSYS NODESMAY 23 200903:17:26FJCreate Icypoints in Actlvc CaordiiiatE Sjstn【K】 CrteU Kyp4intw inCrdinii* Syrtw扎 Location m active CSNF? Kidint iLiiiibtr圖6定義第一個關(guān)鍵點11AhlSYSPOINTSMAY ZO 2009TYPE HUM315:471457851143IL_-2圖7已定義的所有的關(guān)鍵點632通過關(guān)鍵點創(chuàng)建線段GUI:MainM

35、enu 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。POINTSTYPE NUMMAY 23 200903:18:26LINESLINE NUM廣 LFnpic;3kC Ezr PolVSTonr c ijidsiC LnpCatiin-E.j g 2Ho. iCx.trale Stc uxcht 用揖LLa e. Ts.a廣 Kin. Haje. Lnc圖8關(guān)鍵點拾取菜單ANSYSMAY 20 20091J5:49:237 Lllfi/b-7圖9拾取關(guān)鍵點生成成的直線633由直線生成面通過連成的

36、直線生成平面GUI: MainMenu Preprocessor_Modeling Create reas rbitraryBy Lines1ANSYS #1ANSYS 9LSLliSjAlAREA NEJMAREASMAY 20 Z009丄 J.5：5D：35圖10拾取直線生成的平面634由平面拉伸成體GUI: MainMenu _k Preprocessor Modeling _Operatek Extrude k Areas k 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ANSYSAREASTYPE NUMMAY 23 2009Qli24：33Q

37、 Extrude Area alan Nanai血SI 1 ktndft Area 也啣 lontlrnsrof 鬭出osi皿肛BCKtyp tint ijwrsrntOkKm to le extruded圖11法向拉伸對話框1AMSYS 圖12拾取面生成的體VOLtJMESTYPE NLCM6.4劃分網(wǎng)格 641將定義的單元類型和材料模型賦予工件GUI:MainMenu Preprocessor Meshin Mesh Attributes *Picked Volumes在彈出的對話框中將1號solid185單元賦予1號工件材料模型，將2號solid45 單元賦予2號車刀模型。ANSYS圖1

38、3將定義的材料模型 1和單元類型1賦予工件MAY 211 Z0I19ELEMENTSMAY 2D 2I0D915 : 53:24Drfadt Attribute for FpshhgTYPE Element type nwEbE2 50LID45jJlMAT MaWliil numbtr.-1F|REA1 Peel constant set numbErNwwdsfined二ESVS Element coofdrufte -s-ysrI5ECMJMJ Sortrnnsbcr1亠4Non* dofintd圖14 將定義的材料模型 2和單元類型2賦予刀具642用智能劃分進行網(wǎng)格尺寸控制GUI: M

39、ainMenu Preprocessor Meshing 一k Size Cntris martSize BasicVOLUMESTYPE NUMANSYSMR 20 2D09 15:51:49圖15智能尺寸劃分643網(wǎng)格劃分GUI: Mai nMenu reprocessor_ Mesh ing esh olumes free圖16網(wǎng)格劃分的結(jié)果6.5創(chuàng)建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 刀面與已加工表面的摩擦。所以在模型中創(chuàng)建兩對接觸對。6.5.1生成組元GUI:UtilityMe nu elect n tities彈出的選擇對象對話框。選擇對象

40、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。1|八 Select Entitle*ANSYSMAY 20 2 0 0916:0 0 z 39圖17選擇對象為所有的面 # MA.Y 仝 口 2 00 9IS：00 5 3 3”斤 SaixLg-l v廣 Ba h:廣 Pc： J-ygisnL Lc：apCount1W* H1-7譏.41走:iff繭香 X.匕*L rriMij. rrjh.HJ Ina圖18選擇后刀面1ELEMENTSZ31I ntr rii-inirVei I u rn m I nt in ri-iair趙 1日口 Sell-eelElliF

41、/inriiiFnl 甘K-iryp-iailiial qI I n K k m 11SbIbAHInrverlStrlir NuncBitle F3 亡 1口|OKAppIV |HEREpElQii |Canc;al |Htilip |圖19選擇面上所有節(jié)點MAY Z0 ZD0916 FOO：3?GUI: UtilityMe nu Select Comp/Assembl Create Comp onet彈出的對話框中定義組元SNA1.圖20 生成組元 SNA1圖24參數(shù)設(shè)置對話框 按照上述方法依次定義已加工表面，前刀面，切削底層的組元分別為為SNA2,PULL1,PULL2。6.5.2定義摩

42、擦接觸對GUI: Mai nMenu _Preprocessor _Modeling_ Create _k Con tact Pairs彈出的“接觸管理”對話框，選擇新建接觸對祠 Prarrmai 曰 r*pb-DCS-GCl|-E Element Type 國 Real LvnalflntB E MUiA Friidl Prilfa EJ Sections 曰 Modebng 曰 CreirteJ四田mEJKypciM Ltatec ArewElementsB “fiM Pair E PipmayMuidipK E匚Ircutt Q Racctr-Mk 匚 lj iMnsdiucers CW

43、pnI!滬 Msawt / Madll Copy RelkdtCtwck IE上口m Deleft e Lytlic !e匚駅 CM?Qcfil plJnt sthnE3 UpxiaJtiE CEDITi 固 Meshing E CBirn Icaftij Cllrlki E HumberJnq 匚IcrtG 田 Archive MmMELEMET-JTSA 丄Etact shw eWI：斗 of 4andl9urFCB -甘mj 曲firrt Mint th# 蜒洋 lijrFK*,席 Nodsi Component巴山PUL12 PNAL d廣 Pilot Ncde OnlyAdvisnc

44、ed Option)匚nd2J創(chuàng)|Plat相i：業(yè) 卜汕tA LDTrfWfTh* cotKt Mr It n&w r*dy to b* crM*d uhg the Fulcwna FEttna?;Nwmd Penaltv Sttffnsss啟 factorgnstartFritzl reqnnOrly StFuctu-affl OOF has bwn dEkectedCreate symmetTK par岸gndud* hikjl psiWlWiFrisian;Mat end EDCcwFFimnt dF FriLtiondFBesH Frktim Intial Adjustment | M

45、sc |j Thar嗣日刃:朮ID Opt kind settrpif .CortAd; stffnws update恒ithi 咖atlon (PAW 1D*5昶)創(chuàng)匚ohtxt dganthm| Augpnedted Lnoetticd1”匚enfcaeft Detsddon|cn Gauss; pdrtsrlBdi旳or cf contact suf-KPIstandardTyp* M WfilJtr&rilAutij aernbty dfi?cUbn擰 F/tot 廣 constant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

46、面的屬性設(shè)置對話框ELEMENTSA Cofktxt PETtT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求解準備和施加約束邊界條件 661設(shè)置分析類型設(shè)置分析類型為靜態(tài)分析ELEMENTSGUI: MainMenu Solution Analysis Type New Analysis * StaticMAY 20 200915:5:22圖23選擇分析類型為暫態(tài)6.6.2求解控制設(shè)置GUI: MainMenu Solution Analysis Type _ Sol Controls彈出下圖所示對話框，進行參數(shù)設(shè)置。1EL

47、EMEMTB/X Kutu-ktaini Cantrcla/XIX1SYSMAY Z D!?IS ： S 4 zsTimeSarn 百審hrtarUiTHhw | AfivMnca1 iMi盡 Number off* BLib.t.pd 廠 Tn* rirf-arn*ntof KibakspaTime jm o* io4ds#D昂 AKI KkjtkH-b 廣qi uwvy-lfif Uie- seie:r-i hlMoi DOF ewkjiiuri Nadal ria*clion LaddL Eimwrii： W肩iowr tlMTwrA N!cdl L-o*d |El4E HGdai 甘柯

48、Writwvrr Nth ubatp將整個求解過程分為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663施加約束邊界條件對刀具的頂面施加丫方向的位移約束，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卜：Ij 卜：M 卜：:圖25拾取刀具頂面作為約束施加平面GUI: Mai nMenu Soluti on Define Loads Apply Structural Displaceme nt On Areas1ELEMENTSANSYSMA

49、Y 20 200916117 : 17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ELEMENTSAJXISYSMAY 2D 20D9 IS；17：17圖28約束X方向位移圖29選擇工件底面為約束面圖32約束X方向位移 圖32約束X方向位移 #1ANSYSMAY 20 2 0 0 9 15=57:Ifi圖30約束所有自由度圖31 選擇工件左側(cè)面為約束面HAY 25 2009X3 = CP=之寄 到此施加約束結(jié)束，下面進入求解步驟。6.7求解分析GUI:Mai nMenu olution Solve urrent LS耐心等待十幾秒，當出現(xiàn)“ Solution is done”時，則求

50、解完成弘VE_p&l RSuM_Dfi I 心lIETI POWftMRH |ANSYS Miki Wjl-il田田冒OcflllMZLnhEt Khvp Mp4 H ET ri-tawijiiQi niffiinl- (PM R r-ujilt Trjgclclnflrildl f lip fTI AOAMfi ConnH-N-ilriiin | S tl4QFMt4cfH urAirldheeiri Dpt PrcrfsOptMun ItaiTVC- SbE.aV.B- i-e HiEFn hililurFirntmlh_dCOLUTI OH OPT 1 CNePitonaaRri ui

51、hrme i uiNflt.1 tv ._a eiDBQHEEE CIF FHEEPPR 賓OVUZAHALYS1 8 TTPE K =. EFftT IC HEWT OH-Jtn PUS OH OPTION-PROCFWIH CHO6SHCLQBALL.V A&eiEMBLiED iMllT RIXStfMH&TRKCL.OA1D CT HF NUMBER,.耳亠 q 亠七.*X I MCE AT EHI OF THE LOAD 6TEF _1 - 0OB0HilMiBKfi GF S：UBRIBES.- HHii i nun miiniiilxi uR ii：THRtll MATE A!M

52、nLYSl S 1 F HOT CCON4JERGEJHCIE CONTROLS -亠一.*-“*-USEDEFAUILTEPRINT GUTFLfT COHTROLiS ._.NG FRIHTOUT圖33求解完成6.8結(jié)果后處理進入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 Step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HAT HIM八 Read Results by Load St?p NumberEntre modelL5TEPLoad step

53、numbernumberSBSTFPFACTScale factorCa ncelSET SU8SET APPEND Read results for卜IhII1I圖34讀取載荷步對話框MAY 25 2CD$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Y(jié)DMXSMNsmk(AVGJ=.041136-359E+11=.181E+10-359E4-LL-.275E+11-192E+11-.108E+11-.299E+1O-.317+11-.233E+11150E+LL-.658E+10a161E+10TIME=fc0S3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

54、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，因此選用高強度刀片材料對于增加刀具強度是十分必要的。 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， 因此當溫度和應(yīng)力達到一定 水平時，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，磨損嚴重，將直接影響加工質(zhì)量，因

55、此需 要及時檢查刀具狀況并進行刀具補償。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)力最大處的縱切面表面節(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真指導和熱心幫助， 特別是在星 期天、節(jié)假日指導老師放棄休息時間， 耐心地輔導我們， 才使我在本次畢業(yè)設(shè)計 得以按規(guī)定的時間順利的完成！ 我們指導老師豐富的實踐經(jīng)驗和淵博的知識以及 嚴謹負責的、認認真真工作態(tài)度已經(jīng)深深的印在我的腦海里了，對我影響很大！ 通過指導老師

56、的熱心認真的指導， 使我能夠?qū)C械設(shè)計基本知識能夠認真學習并 得到提高； 對有關(guān)設(shè)計資料進行有效的查閱； 在運用軟件時能夠融會貫通。 總之 在整個設(shè)計過程中指導老師給予我了充分耐心的指導， 在此我向指導老師以及曾 幫助過我的同學表示真誠的感謝！ ！9 參考文獻1張朝暉 . ANSYS 8.0 結(jié)構(gòu)分析及實例解析 M . 機械工業(yè)出版社， 2005.3鄧凡平 . ANSYS 10.0 有限元分析自學手冊 M . 人民郵電出版社， 2007.1安承業(yè) . 機械制造工藝基礎(chǔ) M . 天津大學出版社， 1999.1Saeed Moaven.i 有限元分析 -ANSYS 理論與應(yīng)用 M. 電子工業(yè)出版社，2008.1劉鴻文 . 材料力學 M. 高等教育出版社， 2004.1張方瑞 . ANSYS 8.0 應(yīng)用基礎(chǔ)與實例教程 M. 電子工業(yè)出版社， 2006.9陳精一 . ANSYS 工程分析實例教程 M. 中國鐵道出版社， 2006.5刑靜忠 . 有限元基礎(chǔ)與 ANSYS 入門 M. 機械工業(yè)出版社， 2004.11李黎明 . ANSYS 有限元分析實用教程 M. 清華大學出版社， 2005.1張朝暉. ANSYS 11.0 結(jié)構(gòu)分析工程應(yīng)用實例解析 M. 機械工業(yè)出版社，2008.311 陳志剛，周里群. 基于 ANSYS 的金屬