基于正交切削模型的刀具前角對切削力及切削溫度的影響--lemon

1、基于正交切削模型的刀具前角對切削力及切削溫度的影響摘要：在金屬切削過程中，刀具的形狀直接影響金屬切削質(zhì)量。本文基于大變形大應(yīng)變理論、增量理論以及更新拉格朗日算法，建立了二維彈塑性金屬斜刃切削有限元模型；自動對畸變網(wǎng)格進行重劃分；通過用不同的刀具前角對金屬刀具切削過程進行了數(shù)值模擬，分析總結(jié)結(jié)果，得出刀具切削過程中在不同切削前角時，切削力、刀具與工件的應(yīng)力應(yīng)變、溫度的分布情況；對選用刀具形狀，提高切削表面質(zhì)量提供了理論依據(jù)。本文的研究為后期研制新的刀具材料提供了理論依據(jù)，降低實驗成本。關(guān)鍵字：大變形大應(yīng)變理論;增量理論;有限元模型;刀具前角；數(shù)值模擬Abstract: The geometric

2、al shape of tool has a direct effect on the quality of workpiece in the process of metal cutting. A 2 dimensional elasto-plastic finite element model of metal oblique cutting is developed in this study based on large deformation- large strain theory, incremental theory and updating Lagrangian formul

3、ation; in order to determine the chip separation, the geometrical separation criterion (distance criterion) is adopted; an automatic remesh technique is used to remesh the distortion mesh; a couple of numerical simulations have been developed on the metal oblique cutting process with different tool

4、rake angles, some conclusions are obtained according to the simulation results : the variational rule of cutting force, and also the corresponding distribution of stress and strain. Theory foundations are provided to the selection of tool geometry and to improve the surface quality of workpiece. Key

5、 words: large deformation-strain theory; incremental theory; finite element model; rake angle;1 緒論11簡介隨著現(xiàn)代機械制造技術(shù)的發(fā)展，提高切削質(zhì)量，降低切削成本成為市場競爭的前提。切削過程是一個很復雜的工藝過程，不需要的金屬層被不斷去除以形成切屑，最終留下與設(shè)計精度及尺寸要求相符的產(chǎn)品。切削過程不但涉及到彈性力學、塑性力學、斷裂力學，還有熱力學、摩擦學等，而且切削質(zhì)量受到刀具形狀、切屑流動、溫度分布、熱流和刀具磨損等影響1。但是，利用傳統(tǒng)的解析方法，很難對切削機理進行定量的分析和研究。切削操作人員

6、和刀具制造商往往都是利用試錯法(trial-and-error Method)來獲取一些經(jīng)驗值，既費時費力，又增加了生產(chǎn)成本，嚴重阻礙了切削技術(shù)的發(fā)展2。 計算機技術(shù)的飛速發(fā)展使得利用數(shù)值模擬方法來研究切削加工過程以及各種參數(shù)之間的關(guān)系成為可能。近年來，有限元方法在切削工藝中的應(yīng)用表明，切削工藝和切屑形成的有限元模擬對了解切削機理，提高切削質(zhì)量是很有幫助的。這種數(shù)值模擬方法適合于分析彈塑性大變形問題，包括分析與溫度相關(guān)的材料性能參數(shù)和很大的應(yīng)變速率問題。它還可以預(yù)測切削力變化規(guī)律以及切削后的溫度分布，優(yōu)化切削參數(shù)，從而實現(xiàn)對切削過程的控制。本研究通過對不同刀具前角的金屬刀具切削進行數(shù)值模擬，分

7、析模擬結(jié)果，得出切削過程中切削力，刀具與工件的溫度、應(yīng)力應(yīng)變的分布情況。本文中工件材料為45號鋼，刀具材料為硬質(zhì)合金YT15，基于大變形大應(yīng)變理論、增量理論以及更新拉格朗日建立了二維彈塑性金屬切削熱力耦合有限元模型，為了避免刀具穿透工件而進入工件表層導致與實際切削不相符的情況出現(xiàn)，軟件采用幾何分離準則（距離準則）判斷材料的分離，并自動對畸變網(wǎng)格進行重劃分，從而提高了求解效率與求解精度。12 切削過程有限元模擬技術(shù)的發(fā)展狀況1 有限元方法最早被應(yīng)用在切削工藝的模擬是在70年代，與其它傳統(tǒng)方法相比，它大大提高了分析的精度，1973年美國Illinois大學的B.E.Klamecki最先系統(tǒng)地研究了

8、金屬切削加工中切屑(chip)形成的原理，1980年美國的North Carolina州立大學的M.R. Lajczok在其博士學位論文中應(yīng)用有限元方法研究切削加工中的主要問題，初步分析了切削工藝。1982年，Usui和Shirakashi為了建立穩(wěn)態(tài)的正交切削模型，第一次提出刀面角、切屑幾何形狀和流線等，預(yù)測了應(yīng)力應(yīng)變和溫度這些參數(shù)。1984年，Iwata等將材料假定為剛塑性材料，利用剛塑性有限元方法分析了在低切削速度、低應(yīng)變速率的穩(wěn)態(tài)正交切削圈。但是，他們都沒有考慮彈性變形，所以沒有計算出殘余應(yīng)力。Strebjiwsjum和Carroll將工件材料假定為彈塑性，在工件和切屑之間采用絕熱模型

9、，模擬了從切削開始到切屑穩(wěn)定成形的過程。他們采用等效塑性應(yīng)變作為切屑分離的準則，在模擬中，等效塑性應(yīng)變值的選擇影響了加工表面的應(yīng)力分布。1990年，Strenkowski和Moon模擬了切屑形狀，用Euler有限元模型研究正交切削，忽略了彈性變形，預(yù)測了工件、刀具以及切屑中的溫度分布。Komvopoulos和Erpenbeck用庫侖摩擦定律通過正交切削解析方法得到了刀具與切屑之間的法向力和摩擦力。用彈塑性有限元模型研究了鋼質(zhì)材料正交切削中刀具側(cè)面磨損、積屑瘤及工件中的殘余應(yīng)力等。 Furukawa和Moronuki用實驗方法研究了鋁合金超精密切削中工件表面的光潔度對加工質(zhì)量的影響。分析表明，當

10、切削深度在10m左右時，最小切削力的范圍在10N左右, Naoyo Ikawa用精密切削機床在實驗中測量了紅銅材料切屑形成和切削深度之間的相互影響，實驗中采用的切削深度在10m左右。Toshimichi Moriwaki等用剛塑性有限元模型來模擬了上面的實驗。他們模擬了切削深度在毫米到納米范圍內(nèi)紅銅材料正交切削過程中的溫度場。 近幾年來，國際上對金屬切削工藝的有限元模擬更加深入。日本的Sasahara和Obikawa等人利用彈塑性有限元方法，忽略了溫度和應(yīng)變速率的效果，模擬了低速連續(xù)切削時被加工表面的殘余應(yīng)力和應(yīng)變，美國Ohio州立大學凈成形制造(Net Shape Manufacturing

11、)工程研究中心的T. Altan教授，在國際上金屬塑性加工界享有很高學術(shù)聲譽，在金屬塑性成形數(shù)值模擬方面做出了許多令人矚目的成就，近年來他與意大利Brescia大學機械工程系的E. Ceretti合作，對切削工藝進行了大量的有限元模擬研究。13 硬質(zhì)合金簡介3硬質(zhì)合金是粉末冶金制品，是將高硬度、高熔點的金屆碳化物(又稱難熔金屬碳化物)粉末，用(b、DIo及Ni等金屬作粘結(jié)劑壓制、燒結(jié)而成的粉末冶金制品。硬質(zhì)合金的組成與特點如下： 硬質(zhì)合金中的碳化物(WC,TiC，TaC等)的硬度高、熔點高。碳化物所占的比例越大，硬度越高；碳化物的粒度越小，則碳化物顆粒的總團積越大，而粘結(jié)層的厚度減小，即相當于

12、粘結(jié)層金屬相對減少，使其硬度提高，抗彎強度降低：因此，硬質(zhì)合金的硬度、耐磨性和耐熱性都高于高速鋼。由于硬質(zhì)合金具有高的熱硬性(可達1000左右)，允許切削速度為高速鋼的數(shù)倍，故門前已成為主要刀具材料之一。但硬質(zhì)合金抗彎強度較低，脆性大,承受沖擊能力較差，制造工藝性較差，刃口不如高速鈉鋒利.目前國內(nèi)外已研制出許多新型硬質(zhì)合金，提高了綜合件能。 目前常用于切削加工的硬質(zhì)合金都是以WC(碳化鎢)為基體，主要有如下三類 1鎢鈷類硬質(zhì)合金(WC-Co)，代號為YG。TG類硬質(zhì)合合的硬質(zhì)相材料是WC，粘結(jié)別足Co。2鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金(WCTiCCo)，代號為YT。YT類硬質(zhì)合金的硬質(zhì)相材料是WC利TiC，

13、粘結(jié)劑為Co。3鎢鈦鉭(鈮)鈷類硬質(zhì)合金WCTicTaC(NbC)Co，代號為YW。YW類硬質(zhì)合金也叫通用硬質(zhì)合金，是種用途廣泛的硬質(zhì)合金，已部分代替YT和YG類硬質(zhì)合金。 各類牌號中，含鈷量越多，韌性越好，適用于粗加工；含碳化物量越多，熱硬性越高韌性越差，適用于精加工。2 DEFORM2d軟件的簡介21 DEFORM簡介4DEFORM 模擬軟件是SFTC( Scientific Forming Technologies Corporation)公司的產(chǎn)品。DEFORM是一套基于有限元的工藝模擬系統(tǒng)，用于分析金屬成形及相關(guān)工業(yè)的各種成形工藝和熱處理工藝。通過在計算機上模擬整個加工過程，幫助工程

14、師和設(shè)計人員：1）設(shè)計工具和產(chǎn)品工藝流程，減少昂貴的現(xiàn)場試驗成本；2）提高工模具設(shè)計效率，降低生產(chǎn)和材料成本，縮短新產(chǎn)品的研究開發(fā)周期。DEFORM是一個高度模塊化，集成化的有限元模擬系統(tǒng)，它主要包括前處理器，模擬器，后處理器三大模塊。前處理器處理模具和坯料的材料信息及幾何信息的輸入，成形條件的輸入，建立邊界條件，它還包括有限元網(wǎng)格自動生成器；模擬器是集彈性，彈塑性，剛（粘）塑性，熱傳導于一體的有限元求解器；后處理器是將模擬結(jié)果可視化，支持OPGL圖形模式，生成復雜的動畫和重放功能，允許用戶實時圖示材料流動和場變量的變化，并輸出用戶所需的模擬數(shù)據(jù)。 1）成形分析：（1）冷、溫、熱鍛的成形和熱傳

15、導偶合分析，提供材料流動，模具充填，成形載荷，模具應(yīng)力，纖維流向，缺陷形成和韌性破裂等信息；（2）豐富的材料數(shù)據(jù)庫，包括各種鋼、鋁合金、鈦合金等，用戶還可自行輸入材料數(shù)據(jù)；（3）剛性，彈性和熱粘塑性材料模型，特別適用于大變形成形分析，彈塑性材料模型適用于分析殘余應(yīng)力和回彈問題，燒結(jié)體材料模型適用于分析粉末冶金成形；完整的成形設(shè)備模型可以分析液壓成形，錘上成形，螺旋壓力成形和機械壓力成形；溫度、應(yīng)力、應(yīng)變、損傷及其他場變量等值線的繪制使后處理簡單明了。 2）熱處理：1）模擬正火、退火、淬火、回火、滲碳等工藝過程；2）預(yù)測硬度、晶粒組織成分、扭曲和含碳量；3）可以輸入頂端淬火數(shù)據(jù)來預(yù)測最終產(chǎn)品的硬

16、度分布；4）可以分析各種材料晶相，每種晶相都有自己的彈性、塑性、熱和硬度屬性。混合材料的特性取決于熱處理模擬中每步各種金屬的百分比。 DEFORM用來分析變形、傳熱、熱處理、相變和擴散之間復雜的相互作用，各種現(xiàn)象之間相互耦合。擁有相應(yīng)的模塊之后，這些耦合將包括：由于塑性變形引起的升溫、加熱軟化、相變控制溫度、相變內(nèi)能、相變塑性、相變應(yīng)變、應(yīng)力對相變的影響以及含碳量對各種材料屬性產(chǎn)生的影響等。22 DEFORM 網(wǎng)格劃分及重劃分簡介 DEFORM 2D可以提供在普通工作站和PC機上，對對稱軸和平面零件的應(yīng)力變形模擬。DEFORM 2D允許用戶通過選擇平面應(yīng)力單元或軸對稱單元生成一個2D模型。他們

17、是擁有4個接點的四邊形?？赡M的材料為彈性材料、塑性材料、剛性材料、彈塑性材料或者多孔材料。通過選擇等溫或非等溫過程可以模擬溫度的影響。軟件提供的數(shù)據(jù)庫提供了多種材料屬性(如普通鋼、鋁合金、欽合金或超級合金)。該軟件主要包括三個主要部分:預(yù)處理、模擬和后置處理。23 DEFORM進行模擬的步驟5通常，DEFORM分析一個制造工程實際問題的步驟如下:定義工程實際問題;收集所需的數(shù)據(jù);生成FEM網(wǎng)格;生成一個DEFORM數(shù)據(jù)庫;進行模擬;處理模擬結(jié)果。其具體步驟為:創(chuàng)建新文件用來存儲數(shù)據(jù)。在Problem ID中鍵入一個新名字，然后就進人了一個預(yù)處理菜單，模擬和后置處理。預(yù)處理菜單包括以下內(nèi)容:(

18、I)材料屬性的選擇彈性、塑性材料和傳熱系數(shù)，如揚氏模量、熱膨脹系數(shù)、應(yīng)力、傳熱系數(shù)、熱能等。(2)對象的確定包括幾何特征、單元網(wǎng)格、運動、溫度、邊界定義、溫度邊界(在工件和刀具接觸區(qū)域定義一個細化的單元區(qū)域)的確定。假設(shè)刀具運動，工件保持不動，環(huán)境溫度20，需要定義刀具和工件的溫度與變形的邊界條件。(3)對象邊界定義刀具和工件的接觸條件、摩擦等。(4)模擬控制確定參數(shù)、算法和步驟。(5)數(shù)據(jù)庫核對并生成數(shù)據(jù)庫。(6)進行模擬。3 切削理論圖1 切削變形區(qū)分布圖31切削變形區(qū)如圖1示，切削中的金屬根據(jù)其塑性變形特性可分為以下三個變形區(qū)：第變形區(qū)：這一區(qū)間內(nèi)金屬的變形特點是只發(fā)生沿滑移線的剪切變形

19、以及隨之產(chǎn)生的加工硬化。進入該區(qū)之前的金屬只發(fā)生彈性變形而沒有塑性變形，因此這一區(qū)間又叫做剪切區(qū)。在一般切削速度范圍內(nèi)，第一變形區(qū)的寬度僅約0.020.2mm6，所以也可以用一個剪切面來予以表示。第變形區(qū)：切屑在前刀面上進一步受到前刀面擠壓和摩擦，靠近前刀面處的金屬纖維化。第變形區(qū)：已加工表面受到刀尖圓角和后刀面的擠壓和摩擦，造成金屬纖維化和加工硬化。這三個變形區(qū)匯集在切削刃附近，應(yīng)力比較集中而且復雜，金屬的被切削層就在此處分離，一部分變成切屑，一部分留在已加工表面上。切削刃對于切屑的切除和已加工表面的形成有很大關(guān)系。俗語說：“好刀看刃”，說明切削刃的重要性5。32 工件材料模型第一變形區(qū)中的

20、彈性變形可以忽略不計，工件材料模型簡化為不可壓縮的彈粘塑性材料。這一方法已經(jīng)由Shih等6使用并驗證。考慮到材料的非線性問題，工件材料的流動應(yīng)力應(yīng)該由Von Mise屈服準則來描述，即：“材料處于塑性狀態(tài)時，等效應(yīng)力始終是一不變的定值。”用公式表示8為： 3-1 即： 3-2其中為等效應(yīng)力，為材料屈服應(yīng)力，為第i主應(yīng)力（i1，2，3）假設(shè)剪切區(qū)中的塑性變形能完全轉(zhuǎn)化為熱能，則塑性變形的熱能產(chǎn)生率可以通過Norton-Hoff法則表示為剪切流動應(yīng)力k，應(yīng)變率，變形效率以及應(yīng)變率敏感指數(shù)m的函數(shù)，如下式9： 3-333 前刀面上的摩擦6 切削鋼一類金屬時，法應(yīng)力（名義單位面積上的法向力）在前刀面上

21、的分布如圖2所示5。由于法應(yīng)力的分布不均勻，近切削刃處甚大，而遠切削刃處甚小，因而在刀削接觸長度OB上存在兩種類型的接觸。在OA一段（前區(qū)）上形成緊密型接觸，在AB一段（后區(qū)）上形成峰點型接觸?；趲靵瞿Σ翜蕜t，刀屑接觸表面摩擦可以由3-4式和3-5式表示6：,當時（滑動區(qū)） 3-4，當時（粘著區(qū)） 3-5為材料剪切流動應(yīng)力圖2 刀屑接觸表面摩擦模型34 切削熱二維切削模擬時，熱傳導方程為1： 3-6式中T=T(x,y)為溫度分布；為熱傳導系數(shù)；為比熱；Q為單位體積內(nèi)的熱生成率，可以通過等效應(yīng)力和等效應(yīng)變速率來計算1： 3-7 式中，J為熱功當量。35 刀具磨損351 刀具磨損的原因為了減小和

22、控制刀具的磨損，為了研制新的刀具材料，必須研究刀具磨損的原因和本質(zhì)。切削過程中的刀具磨損具有下列特點：（1） 刀具與切屑、工件間的接觸表面經(jīng)常是新鮮表面。（2） 接觸壓力非常大，有時超過被切削材料的屈服強度。（3） 接觸表面的溫度很高，對于硬質(zhì)合金刀具可達8001000，對于高速鋼刀具300600。上述條件下工作，刀具磨損經(jīng)常是機械的、熱的、化學的三種作用的結(jié)果，可以產(chǎn)生磨料磨損、冷焊磨損和氧化磨損等。圖3 典型的刀具磨損曲線352 刀具磨損的過程6后刀面磨損量VB隨切削時間t的增大而增大。圖3為典型的刀具磨損曲線，其磨損過程分為三個階段：1 初期磨損階段這一階段磨損曲線的斜率較大。由于刃磨損

23、后的新刀具，其后刀面與加工表面間的實際接觸面積很小，壓強很大，故磨損很快。此外，新刃磨后的刀面上的微觀不平度也加速了磨損。初期磨損量的大小與刀具刃磨損質(zhì)量也有很大關(guān)系，通常在VB=0.050.1mm之間。經(jīng)過研磨的刀具，其初期磨損量小，而且要耐用的多。2 正常磨損階段經(jīng)過初期磨損，后刀面上被磨出一條狹窄的棱面，壓強減小，故磨損量的增加也緩慢下來，并且比較穩(wěn)定。這就是正常磨損階段，也是刀具工作的有效階段。這一階段中磨損曲線基本上是一條上行的直線，其斜率代表刀具正常工作時的磨損強度。磨損強度是比較刀具切削性能的重要指標之一。3 劇烈磨損階段刀具經(jīng)過正常磨損階段后，切削刃顯著變鈍，切削力增大，切削溫

24、度升高。這時刀具磨損情況發(fā)生了質(zhì)的變化而進入劇烈磨損階段。這一階段的磨損曲線斜率很大，即磨損強度很大。此時刀具如繼續(xù)工作，則不但不能保證加工質(zhì)量，而且刀具材料消耗過多，經(jīng)濟上是不合算的。故應(yīng)當使刀具避免發(fā)生劇烈磨損。4 切削加工的有限元模擬VC切削速度 L1進給量（切削深度）圖4 車削過程示意圖車削過程如圖4所示。盡管車削加工是3D的，但是2D模擬的精度就足夠了。在Z向上的力與其他力相比很小，可以忽略不計。為了更有效地對切削過程進行有限元分析，對其做以下假設(shè)：(1)、切削過程進入穩(wěn)定階段后只生成連續(xù)切屑；(2)、刀具為剛體：不發(fā)生變形但可以進行溫度分析；(3)、工件材料為彈粘塑性41 工件模型

25、工件模型的幾何參數(shù)為：長10mm，厚度5mm，切削厚度為0.14mm，切削層厚度遠小于工件寬度（10mm），因此可認為工件為平面應(yīng)變狀態(tài)。工件網(wǎng)格使用穩(wěn)定性較好的平面四邊形單元以減少切削過程中網(wǎng)格出現(xiàn)較大的變形。如圖5，可以看到工件上的網(wǎng)格在右上角密度很大，這是因為切削只在工件的上部發(fā)生，工件下部不是本研究的主要對象，同時在工件上畫了3個網(wǎng)格細化窗口，并且這三個網(wǎng)格窗口是隨著刀尖的運動而運動的。這樣劃分網(wǎng)格可以節(jié)約計算時間，提高模擬效率；同時考慮到切削過程中有較大的網(wǎng)格變形出現(xiàn)，并規(guī)定當網(wǎng)格畸變量達到網(wǎng)格寬度的1/2時，進行一次重劃分，做這一設(shè)定一方面解決了局部變形的精確求解，另一方面節(jié)省了求

26、解時間以及內(nèi)存消耗。圖5 切削加工的幾何模型工件右邊單元固定x方向位移，下方固定y方向位移，單元完全固定，刀具只在水平方向產(chǎn)生運動。工件材料為45鋼，性能如表設(shè)置。表1 工件材料性能6b（MPa）s（MPa）泊松比楊氏模量(GPa）硬度HBS密度（g/mm3）6003550.32122997.85×10-342 刀具模型刀具為硬質(zhì)合金鋼YT15，在本研究中將刀具假定為剛體，不對其進行變形分析，只進行熱傳導分析，因此不用輸入材料力學性能參數(shù)，刀具熱導率為121.4Wm1-1，熱容為460J·kg-1 ·-1；刀具網(wǎng)格為四邊形網(wǎng)格，因為刀尖是主要受力區(qū)，因此在刀尖處設(shè)

27、置了細化框；由于刀具不發(fā)生塑性變形，因此不需對其進行網(wǎng)格重劃分；刀具后角為6°，刀尖圓角半徑為0.2mm；刀具前角分別為-15º、-10º、-5º、0º、5º、10º、15º；刀具做勻速運動，切削速度為1500mm·s-1。刀具的其他性能參數(shù)見表2。因為刀具的材料在Deform材料數(shù)據(jù)庫中沒有，故需通過添加新材料的方式將其性能加入有限元軟件中。做了的7次模擬。表2 刀具材料性能6密度（g/mm3）抗彎強度（GPa）熱容量 (J/(Kg·K)熱導率 (N/(s·K)彈性模量（GPa）泊松

28、比硬度HRA11. 3×10-31.1346033.55150.229143 其他切削參數(shù)本次課題中，所采用的其他切削參數(shù)如下表3，4所示。表3 切削條件切削速度(mm/s)1500切削深度(mm)0.141進刀量(mm/r)0.1刀具主偏角(º)45刀具后角(º)6表4 模擬設(shè)置摩擦系數(shù)（庫倫摩擦模型）0.4對流換熱系數(shù)（N/(sec·mm· ºC)）0.02 熱傳導系數(shù)（W/(m·K)）45 環(huán)境溫度（ºC）20 單次模擬刀具切削距離(mm)10注：簡化刀具工件接觸摩擦，并選用庫侖摩擦模型4；摩擦系數(shù)由王薦同學

29、的課題給出44 本次模擬的具體設(shè)置過程圖6 預(yù)處理菜單設(shè)置(1)進人預(yù)處理菜單。打開模擬控制，選擇幾何形狀為平面(plain strain);熱傳遞(Heat transfer)選擇Y；變形(Deformation)選擇Y；然后進人模擬步驟控制：Step controls/stopping controls；選擇模擬的間隔數(shù)目(Select a number of simulation steps ):通常在剛開始時選擇5；確定主要模型(set up a primary die)，如圖6所示。圖7 確定刀具屬性(2)單擊對象(object )，導入刀具模型，設(shè)置刀具的相關(guān)參數(shù)。1)導入刀具模型

30、，確定類型:刀具為tool/rigid，如圖7所示.。圖8 對刀具劃分網(wǎng)格2)對刀具劃分網(wǎng)格。如圖8劃分網(wǎng)格，并設(shè)定刀具的速度為1500mm/sec，確定變形和溫度的正確界條件。3）刀具速度設(shè)置3)進入材料屬性菜單(material properties )。單擊“+”符號，添加“groups”。根據(jù)表2在工件的材料表內(nèi)填寫材料的彈性(elastic )、塑性(plastic)和傳熱(thermal)數(shù)據(jù)(data )。選擇刀具的材料特性數(shù)據(jù)，如圖9。并為刀具選擇此材料。圖9 添加刀具材料4)設(shè)置刀具的熱傳導面，如圖10。(3)同上將工件導入，劃分有限元網(wǎng)格，選擇材料，設(shè)定相應(yīng)屬性。工件的有限

31、元網(wǎng)格設(shè)置是一個有技巧的地方。如圖5所示，工件上畫三個細化窗口（原因見4.1節(jié)）。使用絕對密度劃分，最內(nèi)的窗口的網(wǎng)格設(shè)置為0.00005in ，外面兩個設(shè)置為0.0001in。（該處單位是軟件不能改變，全局使用的國際單位制。）(4)因工件與刀具是在CAXA中定好位再輸出的，不需在Deform中再次定位。進入Inter object interface界面單擊inter object，確定摩擦關(guān)系值如圖11所示。點使工件與刀具建立關(guān)聯(lián)。(5)建立數(shù)據(jù)庫、保存退出、運行。圖11 確定內(nèi)部相互關(guān)系 建立相互關(guān)聯(lián)圖10 設(shè)置刀具的熱傳導面5 切削模擬結(jié)果分析圖12 模擬過程中切屑變形圖刀具類型是決定切

32、削變形的一個重要參數(shù)，特別是前角，作為刀具幾何構(gòu)成的一個元素，在很大程度上影響著刀屑的接觸。通常在給定其它切削條件下前角都有一個最優(yōu)值。如果前角在這個優(yōu)化值的基礎(chǔ)上繼續(xù)加大，使得切削刃與刀尖的強度降低，刀尖的導熱面積和容熱體積減??；過分增大前角，有可能導致切削刃處出彎曲應(yīng)力造成崩刀6。另一方面，較小的前角使得刀屑接觸區(qū)較長，前刀面與切屑的摩擦大，產(chǎn)生的切削熱多，消耗的切削功率大，同時也容易加大刀具磨損。圖12為模擬過程中切屑變形圖。本文中，選取了7個前角值：-15°，-10°，-5°，0°，5°，10°，15°進行對比研究。

33、51 主切削力變化的分析如上文所述，金屬二維切削模擬問題可以看作是平面應(yīng)變狀態(tài)，主切削力就是和刀具運動方向相同的力。為了獲得切削力，可以認為切削力是前刀面與切屑以及后刀面與已加工表面之間的應(yīng)力的合力在刀具運動方向的分量10。切削金屬的變形程度可以用切屑厚度與切削層厚度之比表示，或者用切削層長度與切屑長度之比表示，如5-1、5-2式6： 5-1 5-2由于工件上切削層變成切屑后寬度變化很小，根據(jù)體積不變原理，顯然5：圖13不同前角切削進入穩(wěn)定狀態(tài)后的切削力圖14 10°切削力隨切削距離變化111116入穩(wěn)定狀態(tài)后的切削力值圖 5-3圖13為不同前角切削進入穩(wěn)定狀態(tài)后的切削力值。理論值是

34、通過當-15°時，切削力最大為457.2163N。隨著的增加，一方面使前刀面擠壓切削層時的塑性變形減小，即式5-3中的減??；另一方面減小切削流經(jīng)前刀面的摩擦阻力，因此切削力減小。由主切削力公式11：5-4知切削力隨的變化而變化，由表5知，F(xiàn)Z有隨前角增加而增大的趨勢，由圖13可見模擬的結(jié)果比較符合理論值。表5 前角修正系數(shù)表12參數(shù)刀具材料修正系數(shù)名稱數(shù)值名稱切削力FZFYFX前角-15硬質(zhì)合金1.252.02.0-101.21.81.801.11.41.4101.01.01.0200.90.70.7本文單獨提取10°時切削力隨增量步變化曲線圖，如圖14所示。切削力從零線性

35、增加至穩(wěn)態(tài)時的397.7966N左右，此后切削力保持在這一值上下小范圍內(nèi)波動（最大相對誤差為：3.6%）。在切削起始階段，消耗的切削功主要用于克服工件的彈性變形，同時，刀屑接觸面積逐漸增加，因此切削力呈上升趨勢；當切削達穩(wěn)定狀態(tài)后，切削力便保持一個較為穩(wěn)定的值。這于切削理論相符，符合切削規(guī)律，可見模擬是成功的。52 切削溫度的分析切削溫度在模擬中考慮了刀具在前刀面和后刀面與工件摩擦引起的工件、切屑和刀具溫度變化工件內(nèi)部由于塑性變形引起的溫度變化以及工件內(nèi)部的熱力偶合。圖15為工件、切屑和刀具內(nèi)部的溫度分布:。從圖15中可以看到最高溫度集中在刀鋒附近的局部變形區(qū)域內(nèi)和刀鋒處，因為這里是塑性變形和

36、摩擦比較集中的地方。在第500步工件的最高溫度達到736。從圖15中還可以看出工件的已加下表面也有很高的溫度，這會使工件產(chǎn)生殘余變形和殘余應(yīng)力。圖15 第500步時的切屑與刀具的溫度分布圖16為刀具工件第500步時最高溫度隨前角變化曲線。工件表面最高溫度隨值增大而減小，這是由于值增大，切削變形，產(chǎn)生切削熱少，因此工件表面溫度降低；對于刀具而言，由于增大前角導致刀具與切屑的接觸面積減小，即刀具上通過切屑帶走的熱量大大減少，刀具表面散熱條件變差，因此前刀面溫度反而有所圖16 為刀具工件第500步時最高溫度隨前角變化曲線圖17第500步附近的平均剪切角的數(shù)值上升。53 剪切角分析剪切角中是剪切滑移而

37、與切削速度間的夾角，剪切角的大小直接反映了切削變形的大小，是研究金屬切削過程中一個很重要的參數(shù)。由麥錢特公式65-1算得的剪切角 5-5式中為剪切角，為摩擦角（，為刀具與工件間的庫侖摩擦系數(shù)），為刀具前角。根據(jù)剪切角的定義，借助該軟件測量出的剪切角，則為通過有限元法計算出的剪切角的大小。在所模擬的7組中，提取了第500步附近的平均剪切角的數(shù)值，如圖17所示?？梢钥闯瞿M的結(jié)果符合了理論的趨勢隨前角的增大而增加。剪切角若減小，切削便變厚、變短，變形系數(shù)便增大。從圖中也可以看出，應(yīng)當選用10°的前角比較合理。-5度點是一個問題點，筆者估計認為是在第500步時，網(wǎng)格畸變造成的。54 關(guān)于設(shè)

38、置工件自接觸的分析 (a) (b) 圖18 切削模擬中出現(xiàn)的不合理現(xiàn)象筆者在做模擬時發(fā)現(xiàn)了一個現(xiàn)象，切屑卷曲起來后會出現(xiàn)如圖18(a)的現(xiàn)象。這在實際的切削過程是不可能出現(xiàn)的。切屑插入工件就意味著一種接觸如圖18(b)，但圖中切屑在預(yù)設(shè)置中并不能單獨的表示出來，因此不能將此類接觸表示出來。因為切屑與工件還連在一起，故在設(shè)置中增加了工件與工件的自接觸設(shè)置，如圖11中(1) workpiece - workpiece的摩擦設(shè)置，并簡化它為庫侖摩擦，設(shè)摩擦系數(shù)為0.4。增加了設(shè)置后，所做的長距離切削模擬就沒有發(fā)生類似圖18(a)的現(xiàn)象，而產(chǎn)生了如圖12的正常卷屑，更接近真實切削中的切屑形成。但筆者認

39、為，切屑接觸工件的時候，其摩擦未必是庫侖摩擦，并且所選取的摩擦系數(shù)沒有資料可查，故可能增加了模擬的不準確性，研究方向結(jié)論本文運用有限元分析軟件對平面應(yīng)變狀態(tài)下的金屬切削模型進行了分析研究。預(yù)測切削力，切削溫度以及應(yīng)力應(yīng)變受刀具前角改變的影響，認為可以得出以下結(jié)論：(1)隨著刀具前角從-15°逐漸增加10°，主切削力逐漸減小，且在 -15 º0°區(qū)間內(nèi)，前角改變對主切削力的影響比在0°10°區(qū)間內(nèi)的影響大；在10º15º主切削力逐漸增大。(2)隨著刀具前角增加，工件表面溫度下降，刀具表面溫度稍有增加，且刀具工件接觸溫度的最大值并未出現(xiàn)在刀尖處而是在刀屑接觸的前刀面附近。(3)由于該有限元模型中對于切削的條件，如：工件、刀具的材料，切削速度、深度等因素都是可以改變的。故該模型可