金属切削变形过程的有限元仿真初探.pdf

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1、．．．：i：．旦ies二e。：。et金属切削变形过程的有限元仿真初探InitialResearchofMetalCuttingDeformationProcessSimulationbyFEM南昌航空大学航空制造工程学院陈为国姚坤弟陈为国教授．主i从事机械Ⅻ造工艺．冲横和塑料模翼的设计、翻造，CAE分析．数控缩程与加I．蘸压与气庄传动等方面的教学目研究工作。金属切削加r是一种应用广泛的加工方法之一，是利用比工件硬的刀具在工件表面切除金属获得所需形状、尺、j和表面粗糙度要求的一个1=艺过程：切削加工的实质是l：件82航审制造技术·2010年第15埘切

2、削加工是一个复杂的切削变形过程，工作条件非常恶劣，传统的研究方法主要基于试验研究，物理过程跟踪观察困难．且试验成本非常高。如要想获得较多的试验数据，需采用较多的试验方法，做较多的试验．这样才能使得人们对各种材料的切削性能有较深刻的了解。然而．运用有限元分析、借助于计算机技术等可以用较低的成本揭示切削加工过程。且在较短的时间内能获得较为丰富的各种数据，这对实际生产有极大的帮助。材料在刀具的剪切挤压作用下．经过弹性变形、塑性变形最后撕裂，将工件待加工表面E多余的金属层与工件本体分离产生切屑并形成工件上已加工表面的过程。金属的切削变形过程非常复杂，影响因

3、素也较多．金属切削机理的研究一直是国内外学者研究的重点和难点．但限于技术方面的原因．过去的研究主要是基于各种试验而进行的．由于成本技术手段等原因．跟制了切削变形过程的研究普及与提高．但是新材料的出现确是层出不穷，如何及时深划地认识新材料的切削加工性能是迫切需要人们关注的。近年来，有限元技术在切削变形方面的研究已经开始走向应用。采用有限元技术具有试验成本较低，获得的数据完整多样等特点，而备受业内人士的关注。切削变形过程的传统分析方法讨论传统的研究金属切削变形的方法主要是基于各种试验方{击而进行．常见的方法⋯有：侧面变形观察法、高速摄影法、快速落刀法、

4、在线瞬态体视摄影法、扫描电镜显微观察法、光弹性和光塑性试验法等多种方法，另外．还有各种测量切削力和切削温度等的方法，由于金属切削的T作条件十分恶劣．物理过程的跟踪观测非常网难．而且观测设备昂贵、试验周荆长、人力物力消耗大，综合成车很高，使得其各种试验方法分析的结果往往不够全面．如侧面变形观察法是通过观察材料侧面人【绘制的细小方格变形来推测金属的变形高速摄影法虽然能够观察刀实际切削速度下的变形区的变形情况．但成本较高，快速落刀法落刀的速度对切削变形区信息的准确性有一定的影响，且其切削区的标本要做成金相标本进行观察。在线瞬态体视摄影法和扫描电镜显微观察

5、法均有试验设备非常昂贵的缺点。以上几种试验方法．往往不能测量变形区的应力、应变刀具表面的正压力，温度及其分布规律等。光弹性和光塑性试验法虽能描述切削K的应力应变等信息，却不能反映材料流动的规律。以上讨论的方法主要是集中于切削变形，即切削过程rfl的材料流动规律及其物理定量描述，事实上，切削变形过程还与切削力和切削温度等有及其密切的联系．将切削变形与切削力和切削热割裂开来分别研究是不可取的．应该作为一个整体进行研究。传统的切削力的研究结果基本上是通过试验的方法得到经验公式．然后供实际使用。对于某些实际情况，如果偏离试验条件，则有可能存在误差，甚至无法

6、计算。切削力的测量主要有电阻应变片式测力仪和压电式测力仪两种，这蝗铡量装置J般均较为贵重。切削温度的测量主要采用的是自然热电偶和人f热电偶法，前者只是测量切削区的平均温度旭不能准确地反映出温度的分布规律。而人工热电偶是用于测量切削区某一点的温度，但要获得整个切削区域的温度场却还是非常困难的。另外，如辐射温度计法和热敏颜料法等测量方法由于设备成本较高而限制了他的应用。，由上所述可知，传统的基于试验的研究方法有较多的难度，而有限元索法则在某种程度上可以克服以L一些缺点．因此逐渐引起研究者的盖洼，切削变形过程的有限元仿真分析有限元计算机辅助仿真技术对切削

7、加E过程的研究主要集中于2个方面，一是相关仿真软件的开发，萁次是基于专用软件进行的切削加II过程的物理仿真。前者一般由专业人士进行研究．现有的相关软件”有‘rh·“IWaveSystems公司的“AdvanlEdge”，ScientificFormingTeehno

8、ogies公百1的DEFORM软件，另外还有一些通用的软件，如ABAQUS⋯、ANSYS⋯等。后者注重于实际应用的研究．本文主要讨论后者的研究结果。下面通过一个实例进行介绍。图1所示是一个直角切削的模型，切削速度v=250mlmin，切削层厚圈1切削模型度a。--04I砌，1件宽度He

9、2mm，刀具前角‰=5。，d。=5。，切削刃钝圆半径，。=0Imm，刀具一丁=件问摩擦系数为06，热传导率为40，刀具表面