基于有限元的金屬切屑過(guò)程仿真研究第26卷第3期2008年05月佳木斯大學(xué)(自然科學(xué)版)JournalofJiamusiUniversity(NaturalSciemEdition)V01.26No.3May2008文章編號(hào):10081,ur2(20o8)o3030103基于有限元的金屬切屑過(guò)程仿真研究周俊,邢蕾(佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院.黑龍江佳木斯154007)摘要:闡述了金屬切削有限元仿真的優(yōu)勢(shì)和理論方法.基于大變形有限元理論,建立了金屬切削的有限元模型,利用通用的商業(yè)有限元軟件實(shí)現(xiàn)了切屑形成過(guò)程的仿真.通過(guò)仿真結(jié)果,可以比較直觀看到應(yīng)力,溫度等在切屑形成過(guò)程中的分布和變化.關(guān)鍵詞:金屬切削;有限元分析;仿真中圖分類號(hào):TH161文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AO引言切削加工是工件材料在刀具的剪切擠壓作用下.首先發(fā)生彈性變形,進(jìn)而發(fā)生塑性變形,產(chǎn)生應(yīng)變硬化,最后撕裂,沿前刀面流出,形成切屑,是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程.金屬切削機(jī)理的研究一直是國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)和難點(diǎn).以往通常采用實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行研究,但金屬切削的工作條件十分惡劣,物理過(guò)程的跟蹤觀測(cè)非常困難,而且觀測(cè)設(shè)備昂貴,實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng),人力物力消耗大,綜合成本很高.切削加工模擬在計(jì)算機(jī)中再現(xiàn)工件和刀具相對(duì)運(yùn)動(dòng)的全過(guò)程,動(dòng)態(tài)顯示熱流,相變,溫度和應(yīng)力等分布,使其突破試驗(yàn)等研究方式的缺陷,成為研究切削機(jī)理的有效方法.隨著高性能的計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和數(shù)字技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于切削加工仿真領(lǐng)域,例如,有限元方法,有限差分方法,人工智能方法等,在這些方法當(dāng)中,有限元方法已經(jīng)發(fā)展成切削過(guò)程仿真的強(qiáng)大工具.切削過(guò)程中的各種變量,例如,切削力,切削溫度,應(yīng)變,應(yīng)變率,應(yīng)力等,都可以在仿真工程中表達(dá)出來(lái),其中包括那些通過(guò)實(shí)驗(yàn)很難測(cè)量到的參數(shù).1有限元法的優(yōu)勢(shì)對(duì)全世界55個(gè)重要的切削加工仿真研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)查,發(fā)現(xiàn)43%研究經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?32%研究分析模型,18%研究數(shù)字模型,而在數(shù)字模型的研究中,有限元仿真技術(shù)的運(yùn)用占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì).與實(shí)驗(yàn)法和分析法相比較,有限元法應(yīng)用與切屑形成的仿真有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì):1.在應(yīng)力,應(yīng)變率和溫度方程中材料的性質(zhì)作為個(gè)參數(shù),可以得到體現(xiàn);2.切屑和刀具之間的相互作用可以被模擬成粘結(jié)和滑動(dòng);3.可以描繪和運(yùn)用切屑的自由表面等非線性的幾何邊界;4.除了獲得象切削力,進(jìn)給力和切屑形狀等全局變量,還能獲得局部應(yīng)力,溫度分布等變量.2有限元仿真技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r這個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)有了巨大的發(fā)展,其中包括:拉格朗日法被用于切削過(guò)程的仿真,包括描述切屑形成的初始時(shí)刻;模擬節(jié)狀切屑的形成來(lái)仿真高速切削,硬態(tài)切削和大負(fù)前角刀具的切削,三維仿真用來(lái)分析斜角切削.同時(shí),在有限元模擬當(dāng)中,各種刀具材料,各種工件材料都可以應(yīng)用.其中,刀具包括:涂層刀具,非涂層刀具,CBN刀具,金屬陶瓷刀具,陶瓷刀具和金剛石刀具;工件材料包括:碳素鋼,復(fù)合材料,高合金剛,鑄鐵和延性鐵.刀具形狀對(duì)仿真過(guò)程的影響也被列為研究對(duì)象,主要研究了前角的變化和刀具形狀對(duì)仿真過(guò)程的影響.研究?jī)?nèi)容主要有:尖角,負(fù)倒楞,圓角,切屑斷裂和刀具磨損.從加工形式來(lái)看,有限元仿真研究涉及車削,銑削,鉆削,微細(xì)切削和單粒的磨削.Klamecki,ok,andTayetalE4在70年代早期已經(jīng)把有限元方法應(yīng)用與切削加工的模擬.隨著處理器存儲(chǔ)能力和計(jì)算速度的提高,幾何收稿日期:20080422作者簡(jiǎn)介:周俊(1974一),女,黑龍江富錦人,佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院講師,在讀博士.302佳木斯大學(xué)(自然科學(xué)版)2008年建模和計(jì)算的問(wèn)題在一定程度上得到了解決,使得大型商業(yè)有限元代碼應(yīng)用與切屑形成的仿真,包括:NI,ABAQUS/StaI,MARCTM,DE.FORM2,FORGE2D1M,ALGORTM,FLUENrI.刪,ABAQUS/ExplicitTM和LSDYNATM.圖1研究趨勢(shì)3金屬切削有限元仿真首先要建立金屬切削的實(shí)體模型,然后按照實(shí)體模型的大小對(duì)其劃分一定數(shù)量的有限元網(wǎng)格,再通過(guò)施加各種邊界條件而把實(shí)體模型轉(zhuǎn)變成有限元模型.建立實(shí)體模型的質(zhì)量與網(wǎng)格劃分,邊界條件設(shè)置有關(guān),網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)置直接影響計(jì)算過(guò)程能否連續(xù)進(jìn)行下去以及能否得到預(yù)期的結(jié)果,這也是能否實(shí)現(xiàn)切削仿真的關(guān)鍵所在.在建立仿真模型時(shí),刃口部分建模的質(zhì)量,直接影響工件材料在刃口附單元的變形大小.因此,刀具切削刃鈍圓半徑是應(yīng)該著重考慮的因素,要求該處表面與前,后刀面過(guò)渡要光滑,單元?jiǎng)澐质杳芫鶆?有限元仿真分析的精度很大程度上依賴于材料本構(gòu)模型的精度.材料本構(gòu)關(guān)系反映材料物質(zhì)本性的變化,是金屬切削有限元模擬成敗的關(guān)鍵因素.在材料微觀組織結(jié)構(gòu)給定的情況下,本構(gòu)關(guān)系可以表示為流動(dòng)應(yīng)力同溫度,應(yīng)變,應(yīng)變率之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式J.切屑的分離也是金屬切削模擬中切屑形成的個(gè)重要問(wèn)題.一般來(lái)說(shuō)切屑分離包括兩個(gè)方面:分離準(zhǔn)則和分離模型,其中分離準(zhǔn)則又是一個(gè)主要難題.當(dāng)前所使用的分離準(zhǔn)則有兩種,一種是幾何準(zhǔn)則;一種是物理準(zhǔn)則.幾何準(zhǔn)則是先定義一些幾何參數(shù)距離,在切屑形成過(guò)程中,一旦在切削刃附近工件的某些幾何參數(shù)距離的值超過(guò)給定距離的最小值時(shí),切屑分離就發(fā)生了.而物理準(zhǔn)則則依靠某些物理量.例如應(yīng)力,應(yīng)變等,在切屑形成過(guò)程中,一旦這些物理量超過(guò)極限值,切屑分離就發(fā)生了.通常在金屬切削過(guò)程中,刀具和被切削材料相比硬度較大,而被剪切工件硬度較小,因此,刀具往往被視為剛性體,只進(jìn)行彈性分析.而工件被視為塑性體,要進(jìn)行彈塑性分析.而且工件的變形也由彈性變形開(kāi)始,然后根據(jù)其受力大小決定是否進(jìn)人塑性變形.因此,在建立數(shù)學(xué)模型時(shí),應(yīng)區(qū)分彈性變形階段和塑性變形階段,并根據(jù)選定的屈服準(zhǔn)則判斷何時(shí)進(jìn)人塑性階段.仿真時(shí)工件材料選擇不銹鋼,刀具材料選擇硬質(zhì)合金.對(duì)刀具和工件施加的邊界條件如下:工件的下表面各節(jié)點(diǎn)沿,y,z軸方向的自由度設(shè)為0,右側(cè)端面各節(jié)點(diǎn)沿y方向的自由度設(shè)為0.刀具以一定的速度沿y軸方向運(yùn)動(dòng),其他方向的自由度都予以固定.由于計(jì)算過(guò)程中,考慮了溫度的影響,因而定義工件和刀具的初始溫度均為20,還要將刀具和工件的外表面與外界介質(zhì)問(wèn)的熱傳導(dǎo)考慮進(jìn)去.i(c)t=O.175ms(d)t=0.200ms圖3切屑形成過(guò)程中溫度場(chǎng)分布第3期周,俊,等:基于有限元的金屬切屑過(guò)程仿真研究3034仿真結(jié)果仿真結(jié)束后,通過(guò)某些可視化的工具,我們可以看到一些參數(shù)的變化及分布.利用有限元法可以有效地模擬出高速切削過(guò)程中溫度場(chǎng)的分布情況.在實(shí)際切削加工過(guò)程中,切削是在三維變形區(qū)域內(nèi)進(jìn)行的,目前三維有限元的切削模擬技術(shù)還沒(méi)有完全成熟,處于探索階段,最近幾年國(guó)外文獻(xiàn)才有報(bào)道,因此,對(duì)切削加工進(jìn)行三維有限元仿真是很有必要的,也是今后發(fā)展的重點(diǎn).參考文獻(xiàn):1iDg)(ieE臼m0nOfTwodimensmToolWearBOnFmiteElementhletbodD.博士論文.2,B.E.,bcipiIChip咖0ninMetalcIl岫口gaThIeeDiFiniteElementAl岫D.Ph.D.cfisseaalion,U曲岫mlnois,1973.30lm,K.,IIdm,Y.,11llIlaIStressProducedbyMet-alcu吐J.Ann.衄【IP(1)(1971)l3一l4.4,A.O.,Smmson,M.G.,David,G.V.,u她theFiniteElementMethodtoDetemline珥暇血|leDi出ibI|吐inhalMliniDgM.Proc.Imt.Mech.Eng.188(1974)627638.5黃焱華.切削力學(xué)M.jE京:機(jī)械工業(yè)出版社,1988.1一l13.ThesimulatingInvestigationofMetalCuttingProcessBasedonFEMZHOUJun,XINGLei(School0fM.cl蛐bl?啦,Jismnd咖憎鯽,Jismnd154007,玨燦q扣唱,)Al】sl托ct:Timadvantage,theoryandmethodofFEMsimulationinchipd擊冊(cè)ingpmcewerediscumedinthispaper.BasedontIbigddonmtionFEMtheory,theFEMmodelofmetalcuttingwa8built.Thesimulationofchipdeformingpmcew硇establishedinall