金属纤维大刃倾角切削中切削变形的有限元模拟分析

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1、金属纤维大刃倾角切削变形的有限元模拟研究黄先德摘要：关键词：1、前言金属纤维是70年代后期出现于国外工业发达国家的高附加值产品，它具有高的弹性、耐磨性、导电性和好的烧结性，是一种用于制造复合材料，具有多种用途的新型工程材料[1]。目前金属纤维的制造生产方法主要有金属熔化高温喷射法、塑性变形法及切削法三种[2]明冬兰,万珍平,张发英,等.连续型金属长纤维切削加工的研究[Ｊ].工具技术,1998,32(7):23-25.。其中切削法（尤其是大刃倾角切削法）以设备简单、成本低廉而备受关注，该方法所制造的纤维变形小，强度高，表面粗糙[9]。9.万珍平.多齿切削高效制造微细金属纤维的机理.华南理工大学

2、博士学位论文.2003。加工过程中，金属纤维的强度及性能会因金属切削变形的大小不同而有显著的区别。金属纤维的切削过程一般均为大刃倾角切削，不满足二维平面应变条件。本文通过三维有限元程序DEFORM-3D，以的大刃倾角切削低碳钢为基础，模拟其切削过程，主要分析和讨论其切屑的变形情况，以供进一步研究及实际生产参考。1有限元分析模型1.1有限元几何模型的建立本模拟中建立的模型图形如图1所示。刀具宽度为4mm，工件尺寸4mm（高）×2mm（长）×0.5mm（宽），由于金属纤维加工，主要研究纤维(切屑)的变形问题，不需要考虑纤维加工后工件材料的表面质量，而且切削过程是大变形问题，主要考虑工件其中的塑性

3、变形，其中的弹性变形相对于塑性变形而言，可以不予考虑。假设刀具为理想刚性的，并且刀尖锋利，仅考虑其热传递。因此本文采用刚-塑性有限元法。工件下面的节点在图示X和Z方向自由度被约束，工件前面的节点在图示Y方向的自由度被约束。工件划分为32988个单元，刀具划分为5054个单元，由于在切削区域及附近是大变形和高应变率区域，网格畸变严重，在划分网格时需要有足够小的网格。本文采用以下两种措施：(1)采用网格密度窗口技术，设定密度窗口随刀具的运动而移动，保证了切削区域的计算精度和计算的顺利进行。这样就减小了计算规模和提高了计算效率。(2)在几何模型的棱边及几何形状复杂处的网格比其它处的网格要细密，在本

4、文这两种网格边长尺寸比取为2。近年来随着自适应网格重划分功能的增强和计算机计算能力的提高，切屑的形成不再预先指定一条分离线，而是随着网格的不断重划和更新，切屑自然成形，这样更真实的反映了切削的本质。目前一些商业有限元软件，如ABAQUS，DEFORM，MARC等都对网格重划分提供支持。网格重划分能改善网格的质量，提高计算的收敛速度。对于大变形问题采用网格重划分的策略是必需的。本文切削有限元模拟采用的是大型有限元分析程序DEFORM-3D，对于切屑分离就采用了自适应网格重划分技术，通过采用刚塑性有限元(更新的拉格朗日方法)来模拟切屑的变形。当网格畸变到一定程度就进行重划分，这样就可以实现切屑逐

5、步从工件中分离以形成切屑。模拟采用的切削条件见表1表1切削工艺参数切削深度0.2mm切削速度6.12m/min切削宽度0.5mm刃倾角45º55º60º70º刀具法向前角25º30º40º刀具法向后角8º工件材料25号钢图1斜角切削几何模型立体图（刃倾角λ=55°）本文模拟所采用的工件材料是25号钢。在塑性变形中,材料开始流动的流动应力(或称瞬态屈服应力)受到温度、等效塑性应变速率、等效塑性应变等影响。在实际的切削加工条件下,剪切区的应变速率一般在103/s～105/s甚至更高。其应变速率值远远高于普通的材料性能试验中应变速率(10-3/s～10-1/s)。研究人员为此投入了大量的时间和精力

6、来研究金属在高温、高速变形过程中的流动应力,得出了一些数据和数学模型。在本文中采用的流动应力模型为(1)式中：——流动应力，——等效塑性应变——等效塑性应变速率，——温度上式中的数据主要是根据实验采集,采用表格的形式输入。DEFORM-3D程序会根据计算的需要进行插值,自动求出某一温度、应变速率以及应变条件下的流动应力。这种方法能够描述材料真实的塑性流动行为。我们使用的材料是低碳钢25号钢，DEFORM-3D的材料库中有与之相对应的材料AISI1025，模拟中直接选用AISI1025的数据。泊松比为0.3，屈服准则采用VonMises屈服准则，采用等向强化准则，杨氏模量随温度而变化。模拟中刀

7、具(高速钢)采用的是刚体材料模型(只考虑温度变化,不考虑受力)。输入刀具的热物理性能,热传导系数为常值59(N*mm/s)/(mm/k)(20℃时)。2计算结果及分析本文主要通过三种不同法向前角的刀具对刃倾角分别为45º、55º、60º、70º下大刃倾角切削金属纤维过程进行了模拟，并且对其切削变形作了具体的分析。图2是整个切削过程的模拟图，由图中可以看出切屑的形成过程。为了直观地分析刃倾角的变化对切屑变形的影