金属切削过程有限元数值模拟

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1、金属切削过程有限元数值模拟％FiniteElementSimulationofMetalCuttingProcess北京航空制造工程研究所数控制造技术航空科技重点实验室李初哗王焱孟月梅李初晔高级工程师，主要从事结构动力学分析和优化计算，先后参与多项国家重大科技攻关项目，获国家发明专利和实用新型专利2项。金属切削加工是用刀具从工件上切除多余材料，获得在几何形状、尺寸精度、表面粗糙度方面合乎要求的零件加工方法。以前由于机床速度的限制，研究者主要致力于如何提高加工效率，现在随着机床主轴转速的提高，切削加工的效率得到了极大提高，因此现在对切削加工的研

2、究重点主要集中在提高加工零件的尺寸精度和表面质量上，为求得加工产品高效、高质量生产，世界各国不惜巨资，投入大量人力物力，采用先进技·装备科研计划项目(5131801030)资助。28航空制造技术·2010年第22期本课题针对航空结构件加工中最关心的成型零件的变形状况、加工效率(金属去除率)、刀具磨损等方面。综合了近年来国内外在切削加工方面的进展，根据这些成果在现有CAE分析平台基础上开发的仿真程序，能够实现对复杂航空结构件的变形控制。术手段，不断深入研究和探索切削加工方法及理论。近30年来，航空、航天和计算机等高精密加工工业的发展，促进了对切

3、削加工规律的深入研究。对切削机理理论上的分析毕竟有其局限性，切削的形成是高度非线性的复杂问题，涉及材料非线性、几何非线性、边界非线性和状态非线性，其中的每一方面都是工程分析中的难点，因此从理论上准确解析切削问题是不现实的。随着计算机技术的飞速发展，利用数值模拟方法来研究加工过程成为可能，最早采用有限元法研究切削加工的是Zienkiewicz和Kakino。Zienkiewicz于1971年采用预先给定切削形状然后加载刀具的方法分析了加工中工件材料发生屈服的区域沿主剪切平面的扩张情况，但由于预先给定了切削形状因此模拟分析结果的准确性不高，但其工

4、作是开创性的；1976年Shirakash和Usui对上述模型进行了改进，考虑了刀削之间的摩擦和应力受温度和应变速率影响的特性，通过反复修正切削形状，直到在某种切削形状下产生的塑性流动规律与预设的取得一致，依此来获得切削形状，他们采用的这种迭代方法取得了部分成功，并在以后的研究中获得进一步发展[i-31；1987年，StrencowSki、Carrol和Mitchum等基于更新的拉格朗日弹塑性模型，将等效塑性应变准则作为切削分离准则，完成了第一个非稳态切削过程的模拟，通过有限元分析研究指出等效应变的临界值随切削深度的增加而增加，因此提出了修正

5、切削断裂分离准则的建议；1990年，StreneowSki和Moon模拟了切削形状，在忽略弹性变形的前提下，预测了工件、刀具和切削中的温度分布【4J。近年来，国际上对切削的有限元分析更加深入，美国俄亥俄州立大学成形制造工程研究中心T．Ahan教授率领的团队在切削工艺的有限元模拟方面取得了令人瞩目的成就，研究成果应用于生产盟蜒二盟‘实际取得了很大的经济效益陋-句。在。为常数。工效率(金属去除率)、刀具磨损等方判断材料内部应力是否达到屈服点斯屈服准则又称能量屈服准则。面，综合了近年来国内外在切削加工从而决定是否有塑性变形发生。复根据第四强度理论，

6、复杂应力状方面的进展，根据这些成果在现有杂应力状态下的材料屈服是各应力态下的等效应力为：CAE分析平台基础上开发的仿真程分量共同作用的结果，材料任何一点于：l昙fp，一啦)：+∽一cr3)：+形控制。来表达，因此屈服准则的一般函数表，、{达为：(cr3一O"1)2】}2，金属切鬯力Ⅱ王妻哆于模拟中jⅣ、一vIj、．'--：，1v用等效应力来描送米塞斯屈服准则的关键技术其中，c为仅与材料有关的常数。篡：。虿藉磊羞羔。莴；聂主另篡；藉在塑性变形中，材料开始发生塑设材料质点上的应力分布为：料的屈服极限时，材料质点发生塑性性流动的应力受到温度和变形速

7、度『∞001屈服。厅：√刃，以应力状态来定堂鬟望：。尝翌譬隳警孽曼：翌％=10。2oI，义的发生塑矗变形的临界值为材料型竺屈坚应垄堂堡要碧竺挛擘登力【oo仍J磊磊蕞麦茬』菡元虿藉藕袭至蔷最爵提高；另一方面，当变形速度大于一那么屈服准则应当包含上面应力中二二～：～⋯⋯⋯⋯⋯～⋯一。临界值时，材料的屈服应力随变形速的各个分量，才能反映出各个应力分伺：u一％。度的增大而提高，特别是在高速切削量对材料质点屈服所起的作用。考2流动准则时，材料的实际变形速度比通常的变虑到静水压力不影响材料的屈服，流动准则描述了材料发生屈服形速度快几个数量级。工件材料在因

8、此应力分量应以吼一cr2、吼一cr3、时，塑性应变的发展方向，塑性流动高温、大应变、大应变速率的情况下几一吼的对称形式出现，同时叽、一般是沿屈服面的法向，并与应力增