金屬切削過(guò)程韌性斷裂的有限元仿真現(xiàn)狀

1、2015年第26期科技創(chuàng)新科技創(chuàng)新與應(yīng)用金屬切削過(guò)程韌性斷裂的有限元仿真現(xiàn)狀*王德志董睿朱云明（江蘇大學(xué)京江學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013）引言金屬切削加工在21世紀(jì)依然是機(jī)械制造業(yè)的主要加工方法。它在保證高效率和低成本的基礎(chǔ)上，通過(guò)刀具和工件的相互作用，去除工件表面的多余材料，來(lái)獲得所需工件形狀、加工精度和表面質(zhì)量要求。而在在金屬切削加工工藝中，不可避免地出現(xiàn)材料斷裂現(xiàn)象，所以必須合理地利用材料產(chǎn)生的斷裂，才能實(shí)現(xiàn)切削工藝過(guò)程1?，F(xiàn)代工業(yè)研究方法主要包括三種：理論分析、試驗(yàn)研究和有限元仿真，這三種方法可以綜合利用。有限元技術(shù)以其周期短、結(jié)果準(zhǔn)確、成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，獲得了廣大工程技術(shù)和研究人員的青

2、睞?；谟邢拊抡婕夹g(shù)強(qiáng)大的數(shù)值分析能力，它已成為定量研究金屬切削加工過(guò)程的有效手段，該技術(shù)對(duì)減少制造成本，縮短產(chǎn)品制造周期和提高產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。1應(yīng)用背景19世紀(jì)中期，人們開(kāi)始對(duì)金屬切削過(guò)程的研究，到現(xiàn)在已經(jīng)有一百多年歷史。由于金屬切削本身具有非常復(fù)雜的機(jī)理，對(duì)其研究一直是國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。過(guò)去通常采用實(shí)驗(yàn)法，它具有跟蹤觀(guān)測(cè)困難、觀(guān)測(cè)設(shè)備昂貴、實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)、人力消耗大、綜合成本高等不利因素。傳統(tǒng)的切削過(guò)程研究中，試驗(yàn)法是最主要的研究方法，即根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出經(jīng)驗(yàn)公式，從而預(yù)報(bào)切削力。日益增長(zhǎng)的時(shí)間設(shè)備材料和人力成本的消耗促使人們尋找更通用、更有效的研究方法。而有限元法在分析彈塑性大變

3、形問(wèn)題，包括分析需要考慮與溫度相關(guān)的材料性能參數(shù)和具有很大的應(yīng)變速率的問(wèn)題方面有著杰出的表現(xiàn)。在金屬斷裂行為的預(yù)測(cè)方面，有限元技術(shù)可以對(duì)其進(jìn)行模擬仿真，仿真過(guò)程能否順利進(jìn)行，對(duì)斷裂行為的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確與否，取決于很多因素，其中斷裂準(zhǔn)則的準(zhǔn)確獲得以及有限元仿真過(guò)程斷裂行為網(wǎng)格的調(diào)整和重新劃分技術(shù)，成為工藝順利進(jìn)行和結(jié)果準(zhǔn)確的關(guān)鍵。應(yīng)用表明，合理利用有限元模擬仿真技術(shù)對(duì)金屬斷裂行為進(jìn)行分析，可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)金屬成形缺陷，優(yōu)化工藝路線(xiàn)和工藝參數(shù)2。2韌性斷裂理論研究現(xiàn)狀雖然斷裂問(wèn)題是金屬加工過(guò)程中常見(jiàn)的現(xiàn)象，但是在早期金屬塑性加工模擬過(guò)程中，卻很少涉及到斷裂問(wèn)題的模擬。由于金屬的斷裂與材料的性質(zhì)（組成元素、微

4、觀(guān)組織、夾雜、表面條件及均勻性）、變形歷史和工藝參數(shù)（溫度、變形速度、摩擦與潤(rùn)滑）等因素有關(guān)，所以針對(duì)具體的切削斷裂過(guò)程，模擬時(shí)如何選擇合理的韌性斷裂準(zhǔn)則與斷裂閥值從而預(yù)測(cè)起裂的時(shí)間和位置并不容易3。金屬在加工過(guò)程中發(fā)生的斷裂大多是延性斷裂，很少發(fā)生脆性斷裂。一般認(rèn)為，金屬中的延性斷裂是由空洞（void ）的聚結(jié)和增長(zhǎng)引起的。這些空洞是材料中由于位錯(cuò)堆積、第二相粒子或其他缺陷產(chǎn)生的，在金屬塑性變形的作用下，空洞能夠長(zhǎng)大、直至一定數(shù)量的空洞聚結(jié)起來(lái)形成裂紋。在1950年Freudenthal 4首先以綜合能量觀(guān)點(diǎn)提出以等效應(yīng)力與等效塑性應(yīng)變的積分函數(shù)定義破壞的發(fā)生時(shí)機(jī)，認(rèn)為當(dāng)單位體積之應(yīng)變能量（

5、即塑性變形功）達(dá)到閥值時(shí)，材料就產(chǎn)生宏觀(guān)裂紋。該模型沒(méi)有考慮靜水應(yīng)力及拉伸主應(yīng)力的影響。Cockcroft&Latham5在1968年提出了一個(gè)模型，他們則認(rèn)為斷裂主要與拉伸主應(yīng)力有關(guān)，即對(duì)于給定的材料，在一定的溫度和應(yīng)變速率下，當(dāng)最大拉應(yīng)力-應(yīng)變能達(dá)到材料的臨界破壞值時(shí)材料產(chǎn)生斷裂。從所分析的尺度和方法上來(lái)講，他屬于宏觀(guān)斷裂力學(xué)的范疇。這種方法的缺陷是簡(jiǎn)單的力學(xué)試驗(yàn)條件和金屬成形過(guò)程相差甚遠(yuǎn)。對(duì)空洞細(xì)觀(guān)模型的力學(xué)分析始于McClintock 6的開(kāi)創(chuàng)性工作，McClintock 將空穴看成是變形體的內(nèi)部缺陷，忽略空穴之間的交互作用，研究了軸對(duì)稱(chēng)下圓和橢圓形空穴的簡(jiǎn)單長(zhǎng)大和聚合。Aya

6、da 7則認(rèn)為靜水應(yīng)力和等效應(yīng)變是影響空穴擴(kuò)張的主要因素。在1969年Rice&Tracey8討論了含孤立球形空穴材料在三向應(yīng)力作用下的韌性斷裂過(guò)程，并將該斷裂過(guò)程的力學(xué)行為和幾何特征在斷裂準(zhǔn)則中加以描述，因而該準(zhǔn)則不但可以預(yù)測(cè)裂紋的萌生，還可以預(yù)測(cè)裂紋的擴(kuò)展方向，但它也忽略空穴間的交互作用。Brozzo 9在Cockcroft&Latham準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上考慮了靜水應(yīng)力對(duì)斷裂的影響，對(duì)Cockcroft&Latham準(zhǔn)則進(jìn)行了調(diào)整。Oyane10在1972年提出了描述可壓縮材料的韌性斷裂判斷準(zhǔn)則，根據(jù)這個(gè)模型的假設(shè)，空洞是在承受大變形的夾雜或受第二相粒子影響而產(chǎn)生，并互相

7、連接形成微觀(guān)裂紋。張克實(shí)等根據(jù)孔洞多級(jí)形核的細(xì)觀(guān)實(shí)驗(yàn)觀(guān)察，認(rèn)為細(xì)觀(guān)斷裂與最末一級(jí)孔洞形核是等價(jià)的。因此，可以用最末一級(jí)孔洞形核條件作為細(xì)觀(guān)斷裂準(zhǔn)則。而孔洞形核又是由應(yīng)力應(yīng)變兩者共同控制的，張克實(shí)認(rèn)為當(dāng)組合功密度W （單位體積的材料變形與膨）脹功達(dá)到某個(gè)臨界值時(shí)材料微元達(dá)到破壞。通過(guò)比較不同的斷裂準(zhǔn)則可以發(fā)現(xiàn)，很多斷裂準(zhǔn)則都可以歸結(jié)為經(jīng)過(guò)修正的應(yīng)力沿著某一應(yīng)變路徑積分的形式。這也與材料損傷是由應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)兩者共同決定的現(xiàn)象相吻合。這也與材料損傷是由應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)兩者共同決定的現(xiàn)象相吻合。在低應(yīng)力三軸度下，損傷主要表現(xiàn)為大變形引起的塑性滑移。在高應(yīng)力三軸度時(shí)，材料沿剪切帶的滑移與孔洞演化同時(shí)存在

8、，互相促進(jìn)，兩種分離方式都有可能發(fā)生，這主要取決于應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)與材料特性。當(dāng)前，仍然有很多學(xué)者針對(duì)特定的塑性加工工藝，利用不同斷裂準(zhǔn)則的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比，分析和總結(jié)不同斷裂準(zhǔn)則的優(yōu)缺點(diǎn)，試圖找到一個(gè)適用性更廣的斷裂準(zhǔn)則來(lái)說(shuō)明細(xì)觀(guān)損傷對(duì)于韌性斷裂的影響11。Venugopal 12等對(duì)10種體積成形問(wèn)題工程分析中常用的斷裂準(zhǔn)則進(jìn)行了比較，對(duì)它們的準(zhǔn)確性和敏感性（即對(duì)不同變形方式計(jì)算誤差的離散度）進(jìn)行了評(píng)價(jià)，他們的結(jié)果表明，其中沒(méi)有一種準(zhǔn)則是足夠準(zhǔn)確和普遍適用的。Ko mori 13等采用幾種不同的斷裂準(zhǔn)則分析了金屬拉拔工藝中軸向裂紋的擴(kuò)展情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，考慮了孔洞損傷機(jī)制的Gur son

9、 和Oyane 斷裂準(zhǔn)則相比于其他斷裂準(zhǔn)則模擬的軸向裂紋擴(kuò)展情況與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得更好。Fahret tin 14等利用基于應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)機(jī)制的韌性斷裂準(zhǔn)則來(lái)預(yù)測(cè)材料成形極限圖。與通過(guò)板料成形工藝實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)描繪出的材料成形極限圖作對(duì)比發(fā)現(xiàn)，預(yù)測(cè)的材料成形極限圖在左半部分吻合較摘要：工件材料的斷裂準(zhǔn)則是金屬切削加工有限元仿真的關(guān)鍵技術(shù)。分析了國(guó)內(nèi)外金屬切削加工有限元仿真的研究現(xiàn)狀，并進(jìn)一步對(duì)不同工件材料的斷裂仿真技術(shù)的特點(diǎn)、適用條件進(jìn)行了比較分析，指出了現(xiàn)階段工件材料斷裂準(zhǔn)則仿真技術(shù)尚存在的問(wèn)題，探討了切削過(guò)程有限元仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，為切削過(guò)程有限元建模發(fā)展提供一定的參考。關(guān)鍵詞：金屬切削：韌性斷裂

10、；有限元模型*國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51305050）13-2015年第26期科技創(chuàng)新科技創(chuàng)新與應(yīng)用好，但是在右半部分的偏差較大。Ribaha Hambli 15利用獲得的斷裂準(zhǔn)則對(duì)不同間隙沖裁工藝零件的塌角深度、光亮帶、剪裂帶和毛刺深度進(jìn)行有限元分析和試驗(yàn)研究進(jìn)行對(duì)比，情況非常符合。金屬切削中，切屑與刀具前刀面摩擦擠壓，從工件上分離的整個(gè)過(guò)程伴隨著大的變形和應(yīng)力變化，其中切屑的斷裂以及鋸齒狀切屑等現(xiàn)象的產(chǎn)生，與延展性斷裂以及裂紋擴(kuò)展有密切關(guān)系，而高速切削過(guò)程中考慮到高切削速度以及高應(yīng)變率特征，產(chǎn)生的切屑一般都是以崩裂狀切屑為主，切削仿真的程中斷裂模型及參數(shù)必然對(duì)于模擬的結(jié)果產(chǎn)生很大的影響

11、。Cockroft-Latham 斷裂模型適用于高應(yīng)力三軸度成形過(guò)程，而Ayada 斷裂模型更適用于較低應(yīng)力三軸度成形過(guò)程。從現(xiàn)有的研究成果來(lái)看，切削加工有限元建模有兩種方法：Eu ler 方法和Lagrange 方法。Euler 方法的模擬是在切削達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后進(jìn)行的，因此這種方法不需要切屑分離準(zhǔn)則，但是要預(yù)先知道切屑的形狀。Lagrange 方法的模擬可以從切削的初始狀態(tài)一直到穩(wěn)定狀態(tài)，能夠預(yù)測(cè)切屑的形狀和工件的殘余應(yīng)力等參數(shù)。但是這種方法需要用到切屑分離準(zhǔn)則。到目前為止，在金屬切削加工有限元模擬中，大部分是采用Lagrange 方法。3尚存在問(wèn)題金屬切削加工有限元模擬是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程

12、。這是因?yàn)閷?shí)際生產(chǎn)中，影響加工精度、表面質(zhì)量的因素很多，諸如刀具的幾何參數(shù)、裝夾條件、切削參數(shù)、切削路徑以及斷裂準(zhǔn)則的選用等。這些因素使模擬過(guò)程中相關(guān)技術(shù)的處理具有了較高的難度。3.1切削力的預(yù)測(cè)切削力的預(yù)測(cè)值和試驗(yàn)值具有合理的一致性和共同的發(fā)展趨勢(shì)，但是受計(jì)算條件的影響，在切屑分離時(shí)切削力曲線(xiàn)會(huì)產(chǎn)生一定的跳動(dòng)。模擬過(guò)程與實(shí)際的切削過(guò)程一樣，也分為初始和穩(wěn)態(tài)的過(guò)程。當(dāng)?shù)毒叱跏记腥霑r(shí)，材料的塑性變形不斷增大，刀屑接觸長(zhǎng)度進(jìn)一步增加，摩擦力逐步增大，切削力不斷增大。當(dāng)切屑開(kāi)始成形以后，刀屑之間的接觸長(zhǎng)度基本不再變化，切屑不斷平穩(wěn)地產(chǎn)生和流動(dòng)，切削力也就趨于穩(wěn)定整個(gè)切削過(guò)程中切削力的變化。由于仿真過(guò)

13、程畢竟受到計(jì)算機(jī)硬件和軟件計(jì)算規(guī)模的限制，單元數(shù)目不可能無(wú)限多，在切削刃周?chē)那行己湍阁w發(fā)生分離時(shí)，原本相互作用的單元發(fā)生分離，切削力就會(huì)突然降低，尤其在單元數(shù)目比較少的后刀面波動(dòng)更為明顯。3.2仿真參數(shù)的初始化與設(shè)置刀具在切削過(guò)程中只進(jìn)行彈性分析，不涉及塑性問(wèn)題，故刀具材料不必輸入應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)，只需要輸入彈性模量、泊松比等參數(shù)。而工件材料由于在切削過(guò)程中既有彈性變形，又有塑性變形，最后被撕裂而形成切屑，所以必須建立一個(gè)正確的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系才能完成以上過(guò)程。對(duì)于工件材料，當(dāng)其應(yīng)力達(dá)到屈服點(diǎn)時(shí)，材料發(fā)生塑性變形，隨后開(kāi)始進(jìn)入強(qiáng)化階段，應(yīng)變逐漸增大，應(yīng)力也逐漸增大。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到極限應(yīng)力時(shí)，材料出現(xiàn)了不

14、穩(wěn)定性，開(kāi)始熱軟化，切削變形區(qū)域形成。故工件材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)的輸入對(duì)切削仿真實(shí)現(xiàn)是關(guān)鍵的16。3.3刀-屑分離準(zhǔn)則的具體選用物理和幾何準(zhǔn)則都有各自的優(yōu)點(diǎn)和不足，幾何準(zhǔn)則是基于刀尖與刀尖前單元節(jié)點(diǎn)的距離來(lái)判斷節(jié)點(diǎn)分離與否，這樣很難反映切屑分離過(guò)程中力學(xué)與物理現(xiàn)象。使用幾何標(biāo)準(zhǔn)就很難找到一種通用的臨界值，值的選取帶有一定的隨意性，很難適應(yīng)切削加工中不同的材料以及不同的加工工藝。這就需要一定的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其值的正確性16。3.4斷裂理論的選用目前解決材料斷裂問(wèn)題的一些常用理論，不論是傳統(tǒng)的材料斷裂強(qiáng)度條件，還是后發(fā)展的斷裂力學(xué)準(zhǔn)則，尚存在一些需要完善之處。存在的問(wèn)題有，如斷裂判據(jù)的建立缺乏物理機(jī)制為

15、依據(jù)，常使用一種理論、一個(gè)判據(jù)表達(dá)式解決不同類(lèi)型的斷裂問(wèn)題，對(duì)復(fù)雜應(yīng)力場(chǎng)中斷裂控制參數(shù)及斷裂危險(xiǎn)點(diǎn)的確定尚無(wú)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，一些復(fù)合型斷裂試驗(yàn)結(jié)果也不能用現(xiàn)有理論給出合理的解釋。在金屬斷裂行為的預(yù)測(cè)方面，有限元技術(shù)可以對(duì)其進(jìn)行模擬仿真，仿真過(guò)程能否順利進(jìn)行，對(duì)韌性斷裂行為的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確與否，取決于很多因素，其中斷裂準(zhǔn)則的準(zhǔn)確獲得以及有限元仿真過(guò)程斷裂行為網(wǎng)格的調(diào)整和重新劃分技術(shù)，成為工藝順利進(jìn)行和結(jié)果準(zhǔn)確的關(guān)鍵。4結(jié)束語(yǔ)綜合考慮機(jī)床、刀具和工件材料等制造環(huán)境因素對(duì)超精密切削過(guò)程影響的研究卻不多見(jiàn)，并且國(guó)內(nèi)關(guān)于金屬切削過(guò)程的有限元仿真方面的研究更是鮮有文獻(xiàn)報(bào)道。這表明，到目前為止，我國(guó)對(duì)金屬切削過(guò)程三維

16、有限元仿真方面的研究尚處于探索階段，對(duì)仿真中出現(xiàn)的許多問(wèn)題并沒(méi)有明確的認(rèn)識(shí)。因此，采用商用有限元軟件對(duì)金屬切削過(guò)程進(jìn)行有限元仿真及實(shí)驗(yàn)研究，可以對(duì)金屬切削機(jī)理有更深入的了解與認(rèn)識(shí)，這對(duì)提高我國(guó)精密、超精密產(chǎn)品的制造水平意義重大。開(kāi)發(fā)專(zhuān)用于切削加工仿真方面的商業(yè)化有限元分析軟件。目前，多數(shù)采用通用有限元分析軟件來(lái)模擬金屬切削加工過(guò)程，對(duì)于一些技術(shù)問(wèn)題難以處理，如切屑分離問(wèn)題、網(wǎng)格自動(dòng)重新劃分等17。隨著切削加工向精密、高速、綠色方向的發(fā)展，應(yīng)建立更廣泛的應(yīng)用于微細(xì)加工、高速加工、干式切削、非均質(zhì)材料切削加工的有限元模型。參考文獻(xiàn)1方剛，雷麗萍，曾攀. 金屬塑性成形過(guò)程延性斷裂的準(zhǔn)則及其數(shù)值模擬J

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