基于Deform 3D的30CrNiMo8干硬车削温度仿真模拟研究.pdf

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1、基于Deform3D的30CrNiMo8干硬车削温度仿真模拟研究口黄建龙口岳芸兰州理工大学机电工程学院兰州730050摘要：基于材料变形的弹塑性理论、热力耦合理论以及Usui磨损模型，采用有限元分析软件DEFORM一3D建立了Johnson＆Cook材料本构模型。构建了反映金属车削过程高温、大应变及高应变率状态的切削模型．模拟了不同切削速度和不同切削进给量条件下30CrNiMo8的加工过程，对车削加工区温度场、热流以及温度变化的仿真结果进行了分析，验证了有限元模型的合理性，为实现时工艺参数的优化选择奠定了理论基础。关

2、键词：Defotin3D仿真温度30CrNiMo8中图分类号：TH161；TGS06文献标识码：A文章编号：1000—4998f20l1)o9一oo56—05金属切削过程是一个非常复杂的工艺过程它涉Lagrange公式和增量变分原理导出热弹塑性大变形及到弹性力学、塑性力学、断裂力学、热力学、摩擦学等耦合方程[：多个学科，刀具形状、温度分布、刀具磨损等因素都会{[蠡]+[五，c]+[]～[]}{}对切削过程产生重要影响]。rr：l[B][Dep]{}d口一I[][R]d+{：(1)由于实际加工过程中的车削温度、应力、应

3、变等的式中：{}为节点位移；{}为刀具和T件接触法向加测量极其困难，单纯依靠实验很难对车削机理进行深入的研究，采用有限元法分析外圆车削加工过程不仅载率(即载荷与时间之比)；[K]、[、]、[鼠]、[K]分别为摩擦修正矩阵、载荷修正矩阵、几何刚度矩阵和弹塑有利于对车削机理的理解，而且也是机械加工工艺优性刚度矩阵；[D印]为弹塑性矩阵；[欠]为温度引起化的有利工具。与直接实验方法相比，该方法费用低、的初应变矩阵；[]为应变矩阵；{}为虚应变。耗时短，在考虑多因素时其优势尤为显著。同时，随着1．2Usui磨损模型计算机运算

4、和视觉技术的发展，也必将促进虚拟加工的进～步发展[2-3]。=lapve￡(2)工件材料、刀具材料、刀具角度和切削速度不同引式中：为磨损深度；p为接触压力；为滑移速度；T起的被加工工件的切削温度和热流分析是加工技术的为接触面温度；出为时间增量；n、6为实验校准因数，重要领域，是实现高精度、高自动化加32提高金属切是通过实验确定的．这里1．OxlO-7；b=855。除率的重要手段。被加工金属材料的工件表面温度是1．3弹塑性应力理论[]选择刀具角度、刀具材料、切削用量和加工材料的依Prandt]一Reuss塑性流动理论认

5、为。物体内⋯点的据。本文对30CrNiMo8采用不同的切削速度进行切削模拟，并对不同切削速度下刀具和工件的温度、热流进总应变增量由弹性应变增量拈i和塑性应变增量行对比分析，为实际生产中切削用量的优化选择提供d两部分组成j，即理论依据。d：d+d(3)1基本理论式中的第一项服从胡克定律；在引入Von—Mises屈服准则后，式中的第二项与应力偏量之间的关系为：1．1热力耦合理论金属切削过程中。工件的塑性变形、切屑与刀具d{；}=dT(4)表面的摩擦是两个主要的热源。为了耦合热载荷和机式中：d为等效应变增量；of为有效泛函

6、。械载荷的相互影响，利用Prandtl—aeuss流动法则和对于各向同性材料，硬化曲线的斜率为：VonMises屈服准则。同时将材料考虑为具有各向同：粤、(5)性的应变硬化性质，导出热弹性热力耦合本构方程；根d0据大变形～大应变理论中的小增量位移，应用更新的式中：d。为等效应力增量；d有效应力的微分收稿日期：2011年1月综合式(3)～(5)，可得到切削变形时的弹塑性增2011／9机械制造49卷第565期量的本构关系方程为：=6m+}害(6)式中：为泊松比；E为弹性模量；为Kroneeker记号；do"为应力偏量增量

7、；darm为平均应力增量。2有限元模型的建立2．1几何模型的建立模拟采用Deform一3Dvl0．0刀具库中的DNMA432．刀具材料为WC，刚性体(Ri西d)。刀夹选中刀夹库中的DDJNL，为方便进行工件的前处理设置以及提高求解速度。在本研究中．取工件的1／8作为研究对象，塑性体(P1astic)，如图l所示。2．2材料模型的建立材料模型能在一定程度上反映切削模型的真实性，仿真中使用的材料流变应力数值能够真实地反映高应变率、高温和大应变下的材料本构行为。本研究中工件材料为30CrNiMo8。数值模型采用Genera

8、lizedJohnson＆Cookmodel：不能太大，否则会降低求解精度，导致网格严重畸变甚(A+Bg卟+cln[⋯](时)(7)至不收敛。采用国标单位标准SI，仿真模式为热传递其中=；D=Doexp[k(T-Tb)~](HeatTransfer)和变形(De—form)；求解器(DeformationSolver)3；~：用Sparse法求