基于ANSYS模拟金属切削切削力变化的数值仿真
基于ANSYS的金属切削过程的有限元仿真-
金属切削理论大作业2017年04月1基于ANSYS金属切削过程的有限元仿真付振彪，2016201064天津大学机械工程专业2016级研究生机械一班摘要：本文基于材料变形的弹塑性理论，建立了材料的应变硬化模型，采用有限元仿真技术，利用有限元软件ANSYS，对二维正交金属切削过程中剪切层及切屑的形成进行仿真。
从计算结果中提取应力应变云图显示了工件及刀具的应力应变分布情况，以此对切削过程中应力应变的变化进行了分析。
关键词：有限元模型；切削力；数学模型；二维模型；ANSYS1 绪论1.1金属切削的有限元仿真简介在当今世界，以计算机技术为基础，对于实际的工程问题应用商业有限元分析软件进行模拟，已经成为了在工程技术领域的热门研究方向，这也是科学技术发展所导致的必然结果。
研究金属切削的核心是研究切屑的形成过程及其机理，有限元法就是通过对金属切屑的形成机理进行模拟仿真，从而达到优化切削过程的目的并且可用于对刀具的研发。
有限元法对切屑形成机理的研究与传统的方法相比，虽然都是对金属切削的模拟，但是用有限元法获得的结果是用计算机系统得到的，而不是使用仪器设备测得的。
有限元法模拟的是一种虚拟的加工过程，能够提高研究效率，并能节约大量的成本。
1.2研究背景及国内外现状最早研究金属切削机理的分析模型是由Merchant [1][2]，Piispanen[3]，Lee and Shaffer[4]等人提出的。
1945 年Merchant 建立了金属切削的剪切角模型，并确定了剪切角与前角之间的对应关系这是首次有成效地把切削过程放在解析基础上的研究，成功地用数学公式来表达切削模型，而且只用几何学和应力-应变条件来解析。
但是材料的变形实际上是在一定厚度剪切区发生的，而且它假设产生的是条形切屑，所以该理论的切削模型和实际相比具有很大的误差。
1951 年，Lee and Shaffer 利用滑移线场(Slip Line Field)的概念分析正交切削的问题。
基于有限元模拟的金属切削力分析
基于有限元模拟的金属切削力分析金属切削力是在工业中广泛应用的一个重要参数，它对于刀具寿命、加工精度和机床刚度等方面都有着重要的影响。
为了准确地分析金属切削过程中的切削力，有限元模拟成为一种常见而有效的方法。
本文将基于有限元模拟来分析金属切削力，并探讨其在实际应用中的意义与挑战。
金属切削力分析是通过模拟金属切削过程中力的产生和传递来实现的。
有限元模拟是一种数值计算方法，将复杂的连续体问题离散化成有限个简单区域，通过数学方法求解区域内的物理方程，从而得到问题的解。
在金属切削力分析中，有限元模拟可以将工件、切削刀具和切削过程中的载荷等要素简化为有限个简单区域，通过建立适当的数学模型，计算得到切削力的分布和变化规律。
金属切削过程中的切削力主要包括切削力和法向力，它们受到多种因素的影响，如工件材料的力学性质、刀具材料和几何形状、进给速度和切削深度等。
有限元模拟可以模拟这些力的产生和传递过程，并通过仿真分析来评估不同工艺参数对切削力的影响。
在实际应用中，准确地预测金属切削力可以为工业生产提供重要的参考，比如在刀具选择、切削参数优化和切削质量控制等方面发挥重要作用。
然而，金属切削力的有限元模拟也面临着一些挑战。
首先，精确地建立金属切削力的数学模型是关键。
模型的建立需要考虑到金属切削过程中的热、力和位移等多重因素的相互作用，并综合考虑金属材料的非线性变形和切削效应等。
其次，有限元模拟需要准确地描述金属切削过程中的边界条件。
切削力的分析需要确定工件和刀具的接触情况、切削刃的磨损和热耗散等。
最后，有限元模拟还需要考虑到计算效率和准确性的问题。
随着计算资源的提升和算法的改进，有限元模拟在金属切削力分析中的应用也取得了不断的发展与完善。
在金属切削力分析的实际应用中，有限元模拟可以通过优化切削参数和改进工艺流程来降低切削力的大小，从而提高加工效率和零件质量。
同时，有限元模拟还可以为刀具设计提供科学依据，减轻刀具磨损和延长刀具寿命。
基于ANSYS_LS_DYNA的金属切削过程有限元模拟
第 12 期
李国和 等: 基于AN SYS L S- D YNA 的金属切削过程有限元模拟
175
AN SYS L S D YAN 求解器进行综合计算。切屑与 已加工表面间的对应节点在初始时是联系在一起 的, 这里选用V on M ises 分离准则 (等效塑性应变)。 随着刀具的移动, 刀尖前面的节点产生塑性应变, 在 每一时步, 计算出对应节点的应变, 当等效塑性应变 值达到分离准则值时, 产生切屑。本文的切削条件见 表 2。
表 2 模拟时采用的切削参数 Tab. 2 Adopted cutting param eters in sim ula tion
切削参数 数值
切削速度 v m ·s- 1 120
切削深度 f mm 0. 38
前角 Χ0 (°)
10
后角 Α0 (°)
5
图 3 为切削过程的应力和应变分布。
2 结果分析和讨论
工件材料模型取为随动硬化模型[ 9 ]
·1
Ρ= 1+ Ε P (Ρ0+ ΒE P ΕP )
C
其中 E P =
E tanE E - E tan
式中 Ρ——有效应力 ΕP ——有效塑性应变
Ρ0 ——初始屈服应力 ·Ε——应变率
C、P ——应变率参数
Β——应变硬化参数 E tan ——切向模量
E P ——塑性硬化模量 E ——弹性模量
从图 3 中可以看出, 在第 1 变形区和第 2 变形 区, 应力、应变较大, 且较集中。这与实际的切削过程 是吻合的。 前刀面的最大应变出现在距刀尖一定距
金属切削过程模拟的有限元仿真
金属切削过程模拟的有限元仿真摘要: 本文在建立车削三维有限元模拟基础上，运用有限元对车削过程中车削的变形系数，工件与刀具的温度分布，切削力进行了模拟，并对结果进行了分析讨论。
该模拟的结果对实际工作有重要的现实作用。
关键词：切削 有限元 模拟1 绪 论1.1本课题的研究背景1.1.1微电子等领域突出的散热问题在现代工业领域，有很多专门用途的设备，它们的工作性能和工作效率取决于关键零件的结构和性能，如空气冷却器，热交换器的散热管，激光器热辐射表面，环保设备的过滤表面，螺纹表面等等。
我们把这类起特定作用的表面统称为“功能表面”。
这些表面大多数采用组装式结构（套装、镶嵌、钎焊、高频焊）、切削、滚压等方法加工。
早在19世纪中期，Jone 就提出在管内插入螺旋线以强化蒸汽的冷凝过程，从此人们就开始了在传热管等传热材料上进行翅加工技术的研究。
70年代出现能源危机，研究翅化管的加工技术及其强化传热机理有了进一步的发展，随着加工制造技术的不断进步，近20年来对强化换热元件的研究在化工、能源、制冷、航空、电子等工业部门有了很大的进展，各式各样的强化换热元件层出不穷，为提高传热效率作出了重要的贡献。
但是随着微电子及化工等领域，尤其是微电子领域对产品性能的无限追求，芯片集成度不断提高，带来致命的高热流密度，电子器件的冷却问题越来越突出。
英特尔公司负责芯片设计的首席执行官帕特-盖尔欣格指出，如果芯片耗能和散热的问题得不到解决，到2005年芯片上集成了2亿个晶体管时，就会热得象“核反应堆”，2010年时会达到火箭发射时高温气体喷射的水平，而到2015年就会与太阳的表面一样热。
目前芯片发热区域（cm cm 5.15.1 ）上的功耗已超过105W ，且未来有快速增加的趋势。
芯片产生的这些热量如果不能及时散出，将使芯片温度升高而影响到电子器件的寿命及工作的可靠性，因而电子器件的有效散热方式已成为获得新一代电子产品的关键科学问题之一。
LS-DYNA 2D金属切削模拟步骤
在ANSYS Launcher界面中，选择ANSYS Mechanical/LS-DYNA1、菜单过滤Main Menu→Preprocessor→LD-DYNA Explicit→OK2、设置文件名及分析标题Utility Menu→File→change Jobname→2D cutting→New log and error file ：YES→OKUtility Menu→File→change Title→cutting analysis →OK3、选择单元类型Main menu→preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete→Add→2D solid 162→OK→options→选择const.stress ；Lagrangian→OK4、定义材料模型（1）定义刀具材料模型Main menu→preprocessor→Material Props→Material Models→rigid material→输入：DENS：5.2e3 ；EX：4.1e11 ；NUXY：0.3 ；选择“Y and Zdisps” ；“All rota tions”→OK（2）定义工件Johnson-cook材料模型Main menu→preprocessor→Material Props→Material Models→Gruneisen→Johnson-cook→输入：DENS：7.8e3 ；EX：2.06e11 ；NUXY：0.3A：507；B：320；C：0.28；n；0.064；m=1.06D1：0.15；D2：0.72；D3：1.66；D4：0.005；D5：--0.84yangmeng112010-8-30 17:43:435、创建几何模型（1）创建工件模型Main menu→preprocessor→Create→Areas→Rectangle→By Dimensions→输入：X1，X2：0，5；Y1，Y2：0，3→OK（2）创建刀片模型Main menu→preprocessor→Create→Keypionts→In Active CS→依次输入：keypoint number：5，X、Y、Z ：5.1，2.9，0；keypoint number：6，X、Y、Z ：6，3.228，0；keypoint number：7，X、Y、Z ：6，4，0；keypoint number：8，X、Y、Z ：5.294，4，0→OKyangmeng112010-8-30 17:44:006、网格划分（一）（1）对刀片进行网格划分Utility Menu→Select→Entities→Lines ：By Num/Pick→Apply→选取刀片边线→OKMain menu→preprocessor→Meshing→Size contrls→Manualsize→Lines→All lines→NDIV：10→OK（2）对刀尖半圆进行网格划分Utility Menu→Select→Entities→Lines ：By Num/Pick→Apply→选取刀尖半圆→OKMain menu→preprocessor→Meshing→Size contrls→Manualsize→Lines→All lines→NDIV：3→OK（3）确定刀片的单元属性Main menu→preprocessor→Meshing→Mesh Attributes→Picked Aeras→选取刀片→Apply→确定材料号和单元类型号为1→OK（4）刀片网格划分Main menu→preprocessor→Meshing→MeshTool→Mesh：Aeras；shape：Tri；free→Mesh→选取刀片→OK（二）（5）对工件进行网格划分切分工件Utility menu →Workplane→Wp settings→Grid and Triad→Minimum ,maximum:-5,5 ; Spacing:1.0→OK平移和旋转工作平面并用其切分工件Utility menu →Workplane→Offset wp by increm ens→X，Y，Z offsets：0，2.5，0；XY，YZ，ZX angle：0，90，0→OKMain menu→preprocessor→Modeling→operate→Booleans→Divide→Areas by wkplane→选取工件→OK取消工作平面显示Utility menu→workplane→Display workingplane→等分接触区域相关Y向线段Utility Menu→Select→Entities→Lines ：By Num/Pick→Apply→选取工件接触区Y向线段（两条）→OKMain menu→preprocessor→Meshing→Size contrls→Manualsize→Lines→All lines→NDIV：10→OK等分接触区域相关X向线段Utility Menu→Select→Entities→Lines ：By Num/Pick→Apply→选取工件接触区X向线段（两条）→OKMain menu→preprocessor→Meshing→Size contrls→Manualsize→Lines→All lines→NDIV：40→OK等分接触区域不相关Y向线段Utility Menu→Select→Entities→Lines ：By Num/Pick→Apply→选取工件接触区Y向线段（两条）→OKMain menu→preprocessor→Meshing→Size contrls→Manualsize→Lines→All lines→NDIV：25→OK等分接触区域不相关X向线段Utility Menu→Select→Entities→Lines ：By Num/Pick→Apply→选取工件接触区X向线段（底边）→OKMain menu→preprocessor→Meshing→Size contrls→Manualsize→Lines→All lines→NDIV：30→OK确定工件的单元属性Main menu→preprocessor→Meshing→Mesh Attributes→Picked Aeras→选取工件→Apply→确定材料号为2和单元类型号为1→OK工件网格划分Main menu→preprocessor→Meshing→MeshTool→Mesh：Aeras；shape：Quad；mapped→Mesh →选取工件→OKyangmeng112010-8-30 17:44:227、建立partMain menu→preprocessor→LS-DYNA options→part options→create all part→OK(part1:刀具；part2：工件)Plot→parts（不同颜色显示单元）8、定义接触信息Main menu→preprocessor→LS-DYNA options→contact→Define contact→surface to surf；Eroding；静、动摩擦系数为0.15、0.10→OK→弹出contact options对话框，确定接触件（工件），目标件（刀片）→OK9、施加边界条件Utility menu→select→Entities→Nodes :By Location :X Coordinates→Min,Max:-0.01,0.01;From Full→Apply（选中左侧边所有节点）Main menu→preprocessor→LS-DYNA options→Constraints→Apply→on nodes→pick All→All DOF→OKUtility menu→select→Entities→Nodes :By Location :Y Coordinates→Min,Max:-0.01,0.01;From Full→Apply（选中底边所有节点）Main menu→preprocessor→LS-DYNA options→Constraints→Apply→on nodes→pick All→All DOF→OK恢复整个模型的选择Utility menu→select→Everything10、对刀片施加初速度Main menu→preprocessor→LS-DYNA options→Initial Velocity→on parts→w/Nodal Rotate→选择part1，VX：-100→OK恢复整个模型的选择Utility menu→select→Everything11、设置能量控制选项Main menu→Solution→Analysis options→Energy options→打开所有能量控制选项→OK12、设置人工体积粘性选项Main menu→Solution→Analysis options→Bulks viscosity→Quadratic Viscosity Coefficient:1.0→OK13、设置时间步长因子Main menu→Solution→Time controls→Time step ctrls→Time step scale factor:0.6→OK14、设置求解时间Main menu→Solution→Time controls→Solution time→1e-3→OK15、设置结果文件输出步数Main menu→Solution→Output Controls→File output Freq→Number of steps→[EDRST]:50;[EDHTIME]:50→OK16、设置结果文件的输出类型Main menu→Solution→Output Controls→Output File Types→Add：ANSYS and LS-DYNA→OK 17、输出K文件Main menu→Solution→Write jobname.K18、求解Main menu→Solution→Solve19、后处理（暂时不管）。
金属难加工材料切削及刀具磨损虚拟仿真报告(一)
金属难加工材料切削及刀具磨损虚拟仿真报告(一)金属难加工材料切削及刀具磨损虚拟仿真报告挑战：金属难加工材料的切削加工•金属难加工材料的定义•高温、高硬度导致的切削困难•切削加工的关键问题方法：利用虚拟仿真技术进行分析•虚拟仿真技术的定义和优势•应用虚拟仿真技术分析金属难加工材料的切削行为•仿真模型的建立和参数设置结果：切削过程中的问题及研究成果•切削力的变化规律及影响因素•切削温度的分布和变化趋势•切削表面质量和切削力之间的关系讨论：刀具磨损与切削性能的关系•刀具磨损的原因和影响因素•切削力和刀具磨损的关系•如何通过优化切削参数延缓刀具磨损总结：虚拟仿真技术在切削加工中的应用前景•虚拟仿真技术的优势和局限性•未来发展方向和研究重点•为实际切削加工提供参考和决策依据金属难加工材料切削及刀具磨损虚拟仿真报告挑战：金属难加工材料的切削加工•金属难加工材料的定义–金属难加工材料是指具有高硬度、高强度和高耐磨性的金属材料，如钛合金、高速钢等。
•高温、高硬度导致的切削困难–由于金属难加工材料的硬度较高，切削时需要更大的切削力。
–高温会导致材料软化和脆性增加，使刀具损耗加剧。
•切削加工的关键问题–如何降低切削力和温度，提高切削效率和加工质量。
方法：利用虚拟仿真技术进行分析•虚拟仿真技术的定义和优势–虚拟仿真技术利用计算机模拟真实物理过程，可以减少实验成本、提高研究效率。
–通过虚拟仿真可以提前预测切削加工过程中的各种参数和结果。
•应用虚拟仿真技术分析金属难加工材料的切削行为–通过建立切削仿真模型，可以模拟金属难加工材料在切削过程中的变形、热力分布等行为。
–利用仿真结果可以分析切削力、切削温度和切削表面质量等参数的变化趋势。
•仿真模型的建立和参数设置–建立金属难加工材料的切削仿真模型。
–设置切削参数，如切削速度、进给速度和切削用量。
–调整模型和参数以获得准确的仿真结果。
结果：切削过程中的问题及研究成果•切削力的变化规律及影响因素–切削力随着切削速度的增加而增加，随着进给速度的增加先增加后减小。
基于Ansys的金属切削过程分析研究
江苏科技大学本科毕业设计（论文）学院机电与汽车工程学院专业机械电子工程学生姓名周华兵班级学号1145523238指导教师邱小虎二零一五年六月江苏科技大学本科毕业论文基于Ansys的金属切削过程分析研究Research on metal cutting process based on Ansys摘要本文通过对金属切削过程进行深入的理论分析，以材料变形的弹塑性有限元理论为基础，建立了45号钢材料的正交切削有限元分析模型，借助大型商业有限元软件ANSYS 强大的大变形分析功能，对45号钢材料正交金属切削过程进行了模拟分析。
对切削过程中的两个重要部分：应力场、温度场进行模拟分析。
由于在现有的ANSYS软件中，用于切削过程分析中的直接热结构耦合单元较少，且分析过程大多不稳定，难度较大，在本文中分别采用不同的单元类型和分析类型将应力和热分开分析，得到更稳定直观的分析结果。
在应力场分析中，讨论了工件的残余应力、残余应变、切削过程中工件、切屑、刀具的应力分布，以及工件与切屑的接触类型，切削分离等问题。
在温度场分析中，单独考虑工件与刀具的接触类型，为相对滑动，因此建立了两者的滑动摩擦分析模型，通过模拟切削过程中的摩擦生热，分析了工件和刀具在切削过程中的温度场分布。
通过对金属切削过程的模拟研究，能得到直观的变量数据，对深入研究切削机理、设计和选用相关的切削工艺参数提供重要的理论指导和参考依据。
关键词：ANSYS；金属切削；有限元；应力场；温度场AbstractMetal cutting process is theoretically analyzed in the paper，Based on the elastic-plastic finite element theory of material deformation，The FEA model of the orthogonal cutting of 45 steel materials is established，With the large commercial finite element software ANSYS powerful large deformation analysis function，A simulation analysis of the orthogonal metal cutting process of the 45 steel material is carried out.Two important parts of cutting process: stress field and temperature field simulation analysis.Because of the existing ANSYS software, the direct thermal structure coupling unit is less, and the analysis process is mostly unstable, and it is difficult to process.In this paper, the stress and heat of different element types and analysis types are separately analyzed, and more stable and intuitive results are obtained.In the analysis of stress field, and discusses the workpiece residual should force, residual strain, cutting in the process of workpiece and cutting chip, tool stress distribution, and the workpiece and chip contact type, the cutting separation.In the temperature field analysis, the contact types of the workpiece and the cutter are considered separately, and the sliding friction model is established,Through the simulation of friction heat in the cutting process, analyzes the distribution of workpiece and cutting tool in the cutting process the temperature field.Through the simulation study on the metal cutting process, intuitive variable data, in-depth study of cutting mechanism, design and selection of the cutting parameters provide important theoretical guidance and reference for.Keywords: ANSYS;metal cutting;FEA;stress field; temperature field目录第一章绪论------------------------------------------------------------ 1 1.1 研究的目的和意义---------------------------------------------------- 11.1.1研究目的---------------------------------------------------------11.1.2研究意义---------------------------------------------------------2 1.2金属切削过程有限元模拟的国内外研究现状-------------------------------21.2.1国外研究现状-----------------------------------------------------21.2.2国内研究现状-----------------------------------------------------3 1.3金属切削模拟技术存在的问题-------------------------------------------3 1.4 ANSYS----------------------------------------------------------------41.4.1简介-------------------------------------------------------------41.4.2 ANSYS分析计算流程----------------------------------------------- 5 1.5本论文的主要工作-----------------------------------------------------6 第二章金属切削理论基础------------------------------------ 72.1金属切削变形理论-----------------------------------------------------72.1.1金属切削过程概述-------------------------------------------------72.1.2金属切削变形的三个变形区域---------------------------------------7 2.2切削力的来源---------------------------------------------------------8 2.3金属切削过程中的应力-------------------------------------------------9 2.4金属切削温度场理论--------------------------------------------------112.4.1切削温度场的概述------------------------------------------------112.4.2切削热的产生与传出----------------------------------------------12 第三章金属切削过程的有限元建模与分析---------------------------143.1金属切削应力场的有限元分析------------------------------------------143.1.1建立几何模型----------------------------------------------------143.1.2材料属性及材料的本构关系----------------------------------------153.1.3建立有限元模型与网格划分----------------------------------------163.1.4定义接触对------------------------------------------------------173.1.5求解设置--------------------------------------------------------18 3.2金属切削温度场有限元分析--------------------------------------------203.2.1建立几何模型----------------------------------------------------203.2.2定义材料属性----------------------------------------------------203.2.3建立有限元模型与网格划分----------------------------------------203.2.4定义接触对------------------------------------------------------213.2.5求解设置--------------------------------------------------------22 第四章金属切削有限元分析结果-------------------------------------244.1金属切削应力场有限元分析结果----------------------------------------244.1.1切屑等效塑性应变分布--------------------------------------------244.1.2切屑等效应力分布------------------------------------------------264.1.3刀具的应力分布--------------------------------------------------29 4.2金属切削温度场有限元分析结果----------------------------------------32 第五章总结与展望----------------------------------------------------345.1总结----------------------------------------------------------------34 5.2未来展望------------------------------------------------------------34 致谢-------------------------------------------------------------------- 36参考文献--------------------------------------------------------------- 37第一章绪论1.1研究的目的和意义1.1.1研究目的在机械制造行业中，金属切削是一种非常重要的加工方式。
基于ANSYS的切削加工受力分析
河南科技学院2009届本科毕业论文（设计）论文题目：基于ANSYS的切削加工受力分析学生姓名：李敏芝所在院系：机电学院所学专业：机械设计制造及其自动化导师姓名：付素芳王占奎完成时间：2009年5月摘要金属切削是机械制造行业中的一类重要的加工手段。
早在一百多年前人们就已经开始了对金属切削过程的研究。
由于金属切削本身具有非常复杂的机理，用传统的研究方法研究非常困难。
本文应用有限元分析方法，利用材料变形的弹塑性理论及金属切削基本原理，建立工件材料的模型,借助大型商业有限元分析软件ANSYS, 通过输入材料性能参数、建立有限元模型、施加约束及载荷、计算, 对正交金属切削的受力情况进行了模拟。
最后得出应力云图，进行切削加工中的工件和刀具的受力情况分析。
关键词：有限元分析，ANSYS,金属切削AbstractMetal-cutting machinery manufacturing industry in a class of important means of processing. As early as more than 100 years ago, people have begun the process of metal cutting research. As a result of metal-cutting itself is very complex mechanism, using the traditional method of study very difficult. In this paper, finite element method, using materials of the elastic-plastic deformation theory and the basic principles of metal cutting, the establishment of the workpiece material model, with large commercial finite element analysis software ANSYS, the importation of material properties through the establishment of the finite element model, to impose constraints and load calculated for the orthogonal metal cutting forces are simulated. Came to the conclusion that the stress image, the cutting of the workpiece and tool in the analysis of the forces.Key words: finite element analysis, ANSYS, metal-cutting1绪论金属切削是机械制造行业中的一类重要的加工手段。
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基于ANSYS模拟金属切削切削力变化的数值仿真李根天津理工大学天津300384摘要：本文是基于金属切削的基本理论，借助ANSYS软件从刀具，工件的材料选取以及ansys模型的建立中都符合实际的进行了准确设置，最终得到切削力的变化曲线，目的就是为了预测切削力的变化，为进一步对刀具破损，磨损和切削振动等方面进行研究提供数据，节约实验成本。
关键词：ANSYS；切削力：仿真；分析1 前言切削加工机理很复杂，它涉及到金相学、弹性力学、塑性力学、断裂力学、传热学以及摩擦接触、润滑等很多领域，受工件材料、刀具参数、加工工艺等多方面的影响，这些都给切削力的建模计算带来了困难。
以往切削力的主要研究方法是在切削理论研究的基础上建立切削力的解析表达式，搭建切削实验平台拟合得到切削力经验公式。
传统的通过搭建实验平台获取切削力的方法只能获得特定加工工艺下特定刀具、工件参数的结果，其结果的准确性依赖实验平台搭建的合理与否，并且实验周期长，相对花费比较高[1]。
随着有限元技术的不断发展和完善，有限元商业软件日益成熟利用计算机仿真切削过程逐渐成为切削力研究的主要方向，通过有限元软件建立切削力模型，可以根据具体的材料参数、刀具模型及边界条件进行灵活的处理，仿真周期短，结果直观。
本文就是基于ANSYS软件对于刀具切削过程中切削力的分析仿真，获得研究刀具性能的大量数据，不仅使刀具研究、刀具产品的开发更加精确、可靠，并且大大缩短了研究开发的周期，节省了用于样品试制及实验设备等方面的费用。
2 建模与计算2.1 基本理论金属切削过程中切削力只要来源于以下两个方面[2]：（1）切削层金属，切屑和工件表面层金属的弹性、塑性变形所产生的抗力。
（2）刀具与切屑、工件表面间的摩擦阻力。
因此，在金属切削过程中仿真要考虑的因素很多，其中主要有以下三个方面：首先，在切削过程中，材料模型既有弹性变形，又有塑性变形。
被剪切工件材料由弹性变形到塑性变形，最后被撕裂并脱离已加工表面形成切屑，整个切削过程是一个非常复杂的非线性问题。
因此，就材料的非线性而言，我们要考虑其屈服准则、流动准则及强化准则。
通用的屈服准则是米塞斯（V on Mises ）屈服准则[3]，其描述方式为：“材料处于塑性状态时，等效应力是一不变的定值。
”用公式可表示为：()()()[]⎭⎬⎫⎩⎨⎧-+-+-=213232221212/1σσσσσσσ 式中：σ—等效应力；1σ、2σ、3σ—材料的第1、2、3主应力。
材料在热软化的过程中出现了流动性，单个塑性应变分量pl x ε、ply ε的发展方向则通过流动准则来描述，其表达式为[4]： }{}{σλε∂∂=Q d pl 式中：pl x ε—材料的塑性应变； λ—塑性增量系数； Q —决定材料应变方向的应力函数屈服准则随塑性应变的发展可用两种强化准则来描述：等向强化及随动强化，本研究中选用多线性等向强化准则（MIHO ）。
等向强化准则可表达为[5]：Y =31-σσ式中：Y —塑性功的函数。
其次，在切屑形成过程中，切屑中单元位移的改变和单元取向的改变会改变整体模型的刚度，这是一个几何非线性问题，它包括大应变和大扰度。
大应变公式表达为[5]：{}{}{}X U -=x式中：{}U —位移矢量； {}x —变形的位置矢量； {}X —未变形的位置矢量。
2.2 建立有限元模型在切削过程中，由于刀具的硬度比工件的硬度高得多，为了符合实际切削过程，在建模时，将刀具看作为刚体，工件作为柔体。
刀具材料的变形按弹性计算，而工件材料的变形按弹塑性计算。
所以，工件采用大应变弹塑性单元进行弹塑性分析；刀具采用弹性单元只进行弹性分析。
考虑到前刀面与切屑以及后刀面与工件之间存在摩擦，且摩擦类型因刀面上各个点所受的等效剪应力而异，因此，在各接触对上采用目标单元和接触单元来模拟接触并控制摩擦类型。
另外，用有限元技术模拟切屑形成，在建模时应首先建立切屑与加工表面的初始联系，并指定分离准则。
材料模型的建立对于仿真的正确性十分重要[6.7]。
在ANSYS中刀具材料选用YT类硬质合金，查相关手册得相关数据：弹性模量E=600GPa，泊松比μ=0.3，刀具前角10°，后角8°；选取工件材料为45钢，其弹性模量E=200GPa，泊松比μ=0.28。
切削厚度为2mm进行切削，模型采用直角自由切削，建立如图1所示的二维模型。
工件被划分为:1500个单元，刀具分成100个单元。
工件底部约束X和Y两个自由度，左侧约束X自由度；刀具约束Y 方向的自由度。
图1 工件与刀具的三维有限元模型2.3 加载与计算在刀具右端加水平向左的位移，刀具在给定的速度和不同的位移边界条件下向左移动，形成切削过程。
通过计算软件的解算器进行综合计算。
切屑与产生的已加工表面间的对应节点在初始时是联系在一起的，我们选取的分离准则Von Mises 分离准则（等效塑性应变）。
随着刀具的位移，刀尖前面的节点对产生塑性应变，在每一时步，计算出对应节点的应变，当等效塑性应变值达到分离准则值时，节点对分开。
随着节点对的连续分离，就形成了切削过程。
3 结果分析3.1 提取计算结果获得更时步的切削力通过ANSYS的通用后处理器和时间历史后处理器来提取某时步计算结果。
由图2知，在靠近切削刃的应力具有最大值，在前刀面上，有效应力从切削刃处开始急剧下降，后刀面的有效应力下降较为缓慢。
在刀尖附近应力最大，工件整个受力较为均匀。
图2 刀具的等效应力图由于刀尖部位为最大应力点，由此可知刀具破坏的主要形式为刀尖和刀刃破坏，因此选用高强度的刀片材料对于增加刀具强度是十分必要的。
由于切削过程中会产生高温，且刀具与工件之间存在较大的压力，因此当温度和压力达到一定水平时在应力最大处就可能产生刀刃点蚀以及刀具塑性变形，使加工精度难以保证，为此必须调整切削参数以降低应力，以保证刀具在稳定的切削状态下工作。
此外由于刀尖部位应力最大。
磨损严重，将直接影响加工质量，因此需要及时检查刀具状况并进行刀具补偿。
3.2 切削力变化规律通过ANSYS结果后处理将计算结果提取出来，通过上述方法获得各时步的主切削力进行比较得到图3[8.9]的变化曲线。
图3 有限元仿真主切削力变化曲线在切削过程中，切削力由零线性增至最大值，然后减小并且逐步接近稳定。
在切削的起始阶段，随着刀具与工件接触长度的增加以及刀具克服工件弹性变形，刀具对工件的作用力是逐渐增加的。
当工件进入塑性变形阶段时，工件材料软化，刀具克服塑性变形所做的功小于克服弹性变形所做的功，切削力因此逐渐减小，在最后形成稳定切削时，切削力便保持在一个稳定的值上，该稳定的值为平均切削力。
显然，通过有限元分析我们可以显示瞬时切削力的更多动态细节。
4 结论切削力是金属切削过程中一个很重要的参数，用ANSYS有限元分析的方法，在对金属切削过程进行数值模拟的基础上，成功地对切削过程中切削力的变化进行了仿真可以清楚地观测到刀具与工件的仿真结果，通过对于切削力结果的分析，得到切削力的变化规律。
从而提前模拟实验过程，节约实验成。
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