基于CFD的高速切削层流模拟

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaMar252013Vol34No3703．710ISSN1000—6893CN11—1929／Vhttp：／／hkxbbuaa．educnhkxb@buaaeducn基于CFD的高速切削层流模拟张克国，刘战强*，万熠山东大学机械工程学院，山东济南250061摘要：高速切削塑性变形的本质是位错的不可逆运动与增殖，切削时固体的黏滞力与位错速度成正比，材料的黏性效应在材料的动态力学行为中起到越来越重要的作用，因此从流体的角度去理解比从固体的方面去认识更符合其特点。本文描述了高速切削的位错阻尼机理，建立了基于流体力学的

2、高速切削理论模型，利用计算机模拟技术得到了高速切削时的速度场、压力场和应变率场，为高速切削研究提供了新的思路。通过分析计算结果得出如下结论：在刀尖上方存在速度滞止点，此处速度为零，压力最大，其位置变化影响着刀具寿命和工件已加工表面的质量；从压力最大点开始，压力值沿前刀面逐渐减小直到某处为零，此点即切屑与前刀面分离点；剪切面(刀尖与自由表面拐角处连线)上应变率最大，然后由此向外依次减小。关键词：流体力学；高速切削；应变率；滞止点；刀具中图分类号：V252；TG506．1文献标识码：A文章编号：10006893(2013)03—0703—08高速切削技术因其高切除效率、低切削力和高加工精度一

3、直是研究的热点。建立能反映切削过程中各种特点现象的切削模型，阐明切削过程中各种现象的力学本质，提出控制这些现象的措施，进而建立根据切削过程力学参数的变化而预测切削结果的预测理论，从而为工程应用服务一直是研究人员追求的目标。一些学者提出了各种各样的切削理论模型，Merchant[11认为切屑形成的过程是在切削层材料通过剪切平面瞬间完成，从而提出了单一剪切面模型，实际上只有在高速切削时，第一变形区才比较近似于单一剪切平面。Lee和Shafferl21根据滑移线场理论，假设材料是理想的刚一完全塑性体，构造了前刀面前方切削层中的滑移线场，并把刚塑性区分界线视为剪切面。OxleyE3]贝0考虑了形

4、变硬化和应变速度的影响，提出了平行剪切区模型。还有随计算机技术发展起来的各种有限元分析模型，从不同的角度用不同的方法去研究高速切削，已获得了对高速切削的深刻认识。但因高速切削过程速度高、温度高和在线检测难等特点，对高速切削的理解还远远不够。高速切削是材料受力超过屈服极限时发生的流动，温度高、应变率高。高应变率下材料的塑性行为通常采用应力与应变、应变率和温度函数关系的本构方程来描述，考虑高温蠕变、应力松驰现象以及应变率、温度对屈服面的影响；描述材料动态力学性能的本构方程须考虑时间因素与变形历程。黏性是与时间有关的变形性质，一般同流动联系密切，有些情况下，黏性对材料力学性能的影响小到可以忽略

5、，高速切削时材料处于高速变形状态，黏性的影响必须予以考虑。实际材料的力学特性是复杂的，受载荷、作用收稿日期：2012—04．16；退修日期：2012．05．07；录用日期：2012—07—30；网络出版时间：2012—08—1608：58网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／cletail／111929V201208160858．003．htmI基金项目：“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项(2012ZX04003—041)；山东省自然科学杰出青年基金(JQ200918)；国家自然科学基金(50975162)；国家重点基础研究发展计划(2009CB724401)*通讯作者T

6、el．：0531—88393206E—mail：melius@sdueducrl}

7、填格武；ZhangKG．LiuZQ。WanY．LaminarflowanalogforhighspeedmachiningbasedonCFD．ActaAeronauticaetAstronauticaSini—ca。2013．34(3)：703．710i张克啻．胡战强．万熠．基于OFD的高速切觊层流模拟．航空学报．2013，34(3)：703—710．航空学报时间、温度等影响，对任何一种材料作出固定不变的规定和完全如实的描述是不可能也是没必要的。弹性、塑性、黏性是材料的3种理想性质，在一定的条件下反映材

8、料的一个方面的特性，高速切削时材料由于屈服而发生的塑性流动，需考虑高速变形下材料的黏性效应，从而使高应变率下的材料在某些方面有了流体的特征。Khludko—vaL40研究高速切削铝和铜的剪应力和剪应变的关系时，发现随切削速度提高，材料将进入新的和流体相似的状态。张晓天和贾光辉[51指出材料的冲击压强若远大于材料强度，金属会表现出类似于流体的特性。因此考虑高速切削过程的高应变率和高速变形下材料的黏滞效应，随切削速度的提高，有必要从流体