基于ansys140．的数控机床切削加工仿真及关键技术研究

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1、２０１４年第５期商丘职业技术学院学报Vol．１３，No．５第１３卷（总第７４期）JOURNALOFSHANGQIUVOCATIONALANDTECHNICALCOLLEGEOct．，２０１４文章编号：１６７１－８１２７（２０１４）０５－００７２－０５基于ANSYS１４．０的数控机床切削加工仿真及关键技术研究王素粉，秦冲（三门峡职业技术学院，河南三门峡４７２０００）摘要：建立了CK６１４０数控机床金属切削有限元数学模型，并利用有限元分析软件ANSYS１４．０对其切削过程进行仿真，并且利用粘接区模型（CZM

2、）成功地解决了切削分离问题，对切削过程中的切削应力、切削温度、切削力进行了预测分析，通过自动测试系统进行实验验证预测数值与实际切削过程中数值的一致性，得出一些规律，为下一步数控机床的切削工艺优化及机床的智能化改造提供了一定的理论基础．关键词：有限元；仿真；传感器；智能化中图分类号：TG４０１　　　　　　　　　　　　文献标识码：A随着非线性有限元技术的发展和广泛应用，特别是在数值仿真成功地应用于工程领域之后，一些数值分析已经在切削过程中得到了广泛应用，能够更准确的预测应力、切削温度等一些技术参数，数值分析

3、的核心问题主要是切削形成过程的问题而近几年．，随着自动化程度的发展，智能化数控机床也成为了一种发展趋势，即利用传感器技术对数控机床的加工工艺参数进行自动调整，而在这一技术应用过程中对数控车床切削过程中的一些关键技术参数的分析与实验验证是该技术应用的理论基础，本文利用强大的有限元分析软件ANSYS对数控机床的切削过程进行模拟，不但解决了粘接区的切削分离问题，而且得到了数控机床加工过程中的切削应力变形云图，并预测了切削过程中的切削热、切削力、切削应力的、摩擦力的一些变化曲线，并通过实验验证了实际生产与分析结

4、果的一致性，为进一步数控机床的加工工艺参数的选择与调整打下一定的理论基础，为数控机床的智能化研究提供了一定的研究依据．１　刀具切削加工有限元模型建立１．１　几何模型的建立模型如图１所示，该模型由加工工件、切屑和刀具三部分组成，几何尺寸如下：L１＝４０mm，L２＝２mm，H１＝１０mm，H２＝２mm，H３＝９mm，刀具前角α＝２０°，刀具后角β＝５°．工件材料的弹性模量为７０GPa，泊松比是０．３，其中屈服应力为４００MPa、切线模量为１５MPa．刀具选用PLANE１８２单元类型，弹性模量为［１］９，［２

5、］３２－３５－０．５２１０GPa，泊松比是０．３，其应力－应变关系式为：Y０＝２６５＋１８０．０ε．图１　刀具切削加工模型１．２　摩擦力数学模型的建立摩擦力数模型如图２所示，根据索瑞夫摩擦理论可以得到，刀具在进行工件切削时候，刀具和切屑的接触面部分可以分为两个部分，如图３所示，也就是粘接区和滑动区，当τf＞τmax则位于粘接区，此区域的摩擦系数是不变的，也即是τ＝τchip，此时的μi＝kchip／σn，而当τf£τmax时，处于滑动区部分，摩擦力是按照库伦摩擦规律进行的，在计算的过程中，为了能够简化计

6、算过程，根据有限元的特点，引入罚函数，本文把摩擦因数看成是前刀面的正压力函数其表达式为．：收稿日期：２０１４－０４－２４作者简介：王素粉（１９８１—），女，河南周口人，三门峡职业技术学院讲师，主要从事CAD／CAM／CAE研究。·２７·第５期王素粉，秦冲：基于ANSYS１４．０的数控机床切削加工仿真及关键技术研究kchip／σn（x）；σn辰σ０σ（x）＝（１）μ；σn（x）＜σ０当σ０＝kchip／μ时，为摩擦粘接区与滑动区的分界点，也即为库伦摩擦与剪切摩擦的分界点通过多次的．仿真，直至仿真的结果与实

7、测值一致．图２　金属切削数学模型１．２　有限元网格划分本切削模拟过程中选用单元PLANE１８２来定义刀具单元类型，使用接触单元CONTA１７１和TAGGE１６９定义切屑和金属件之间的粘接，使用接触向导定义刀具与工件及切屑之间的接触，并假设各个接触面的摩擦因数为０．待平面模型建立之后进行网格划分，其中，把工件部分划分成７００个单元，刀具划分成１６个单元，约束部分为整个工件的底面部分，对于刀具的约束主要是Y向自由度，并且对刀具施加沿着刀具向左向的载荷刀具切削的有元模型网格划分结果如图．３所示。图３　刀具切削

8、模型网格划分３　刀具切削加工模拟仿真与分析通过文中１部分模型建立后，定义加载求解，在求解之前控制输出计算结果、设置计算时间和子步，子步为６００，载荷加载方式为斜坡加载，并设置自动时间步，激活预测器进行计算处理，计算结束后，提取第１０步、３０步、６０步、１００步、２００步、２３５步的子步等效应力云图，并对其温度、切削力进行预测分析．３．１　切削应力仿真与分析从图４中的（a）、（b）、（c）、（d）、（e）、（f）６个图中可以看出粘接区模型可以