金属切削加工有限元模拟的相关技术研究
金属切削变形过程的有限元仿真初探
金属切削变形过程的有限元仿真初探作者：南昌航空大学陈为国姚坤弟来源：航空制造技术金属切削加工是一种应用广泛的加工方法之一，是利用比工件硬的刀具在工件表面切除金属获得所需形状、尺寸和表面粗糙度要求的一个工艺过程。
切削加工的实质是工件材料在刀具的剪切挤压作用下，经过弹性变形、塑性变形最后撕裂，将工件待加工表面上多余的金属层与工件本体分离产生切屑并形成工件上已加工表面的过程。
金属的切削变形过程非常复杂，影响因素也较多，金属切削机理的研究一直是国内外学者研究的重点和难点，但限于技术方面的原因，过去的研究主要是基于各种试验而进行的，由于成本技术手段等原因，限制了切削变形过程的研究普及与提高，但是新材料的出现确是层出不穷，如何及时深刻地认识新材料的切削加工性能是迫切需要人们关注的。
近年来，有限元技术在切削变形方面的研究已经开始走向应用。
采用有限元技术具有试验成本较低，获得的数据完整多样等特点，而备受业内人士的关注。
切削变形过程的传统分析方法讨论传统的研究金属切削变形的方法主要是基于各种试验方法而进行，常见的方法有：侧面变形观察法、高速摄影法、快速落刀法、在线瞬态体视摄影法、扫描电镜显微观察法、光弹性和光塑性试验法等多种方法。
另外，还有各种测量切削力和切削温度等的方法。
由于金属切削的工作条件十分恶劣，物理过程的跟踪观测非常困难，而且观测设备昂贵、试验周期长、人力物力消耗大、综合成本很高，使得其各种试验方法分析的结果往往不够全面，如侧面变形观察法是通过观察材料侧面人工绘制的细小方格变形来推测金属的变形。
高速摄影法虽然能够观察刀实际切削速度下的变形区的变形情况，但成本较高。
快速落刀法落刀的速度对切削变形区信息的准确性有一定的影响，且其切削区的标本要做成金相标本进行观察。
在线瞬态体视摄影法和扫描电镜显微观察法均有试验设备非常昂贵的缺点。
以上几种试验方法，往往不能测量变形区的应力、应变、刀具表面的正压力，温度及其分布规律等。
金属切削加工过程的有限元建模与仿真
江苏大学硕士学位论文金属切削加工过程的有限元建模与仿真姓名：吴勃申请学位级别：硕士专业：计算机科学与应用指导教师：蔡兰20060301４．２切屑形成过程的仿真模型的构造大部分国内的切屑形成过程的有限元仿真都采用的是２．Ｄ模型‘蚓脚’，２．Ｄ有限元模型仅仅适合于萨交切削的仿真，在研究车削、刨削等切削加工时，必须对切削情况进行限定和简化，不仅视觉效果差，更重要的是仿真的范围受到极大的限制，因此，有必要发展３．Ｄ有限元模型来仿真切屑形成过程。
本部分主要采用３．Ｄ有限元模型仿真在正交切削和制刃切削条件下的切屑形成过程，为进一步对各种切削加工方法进行有效的有限元仿真奠定基础。
４．２．１几何模型的建立与网格划分本章主要研究刀具切入工件丌始到稳态切削这段过程的仿真。
采用三维有限元模型进行模拟，所建立的几何模型如图４．６所示。
网格划分可采用三维六面体网格，也可以采用三维四面体网格。
幽４６网格划分图４．２．２材料属性的定义金属材料非线性的本构关系主要分为以下四种类型，即弹塑性、刚塑性、弹粘塑性、刚粘塑性。
有限元模拟的准确性很大程度上取决于本构关系能否真实反映材料的真实特性。
在金属切削有限元仿真中，采用弹塑性材料模型时，既有塑性变形又有弹性变形，较为符合会属切削过程的真实情况。
本课题中，为了保证仿真结果的更接近于实际情况，工件材料选用弹塑性模型，而刀具属性定义为刚性。
为了与实验结果进行比较，工件材利根掘需要选择相应材料。
与实验加工的材料相对应，输入丁Ｆ交材料属性（杨氏模量、泊松比、材料密度等），以及ＪｏｈｎｓｏｎａｎｄＣｏｏｋ的经验模型公式中的参数Ａ、Ｂ、ｎ、Ｃ和ｍ。
江苏人学硕十学何论文４．２．３施加约束与载荷假定工件在切削过程中为无限长。
而在仿真模型中的工件不可能很长，否则计算效率会很低，必须用长、高都不大的工件代替，用必要的约束来模拟真实工件的边界条件。
当研究切屑形成过程中的现象时。
女ｎＸ，ｊ应力、应变、应变率和温度进行研究，以及对切屑卷曲现象进行研究时。
基于有限元模拟的钛合金TC4车削仿真研究
从 而 获 得 诸如 最 优 加 工 表 面 粗糙 度 下的 切 削 参 数 组 合。在硬 车 难 ，其难 加工性具 体表 现有 以下 ６点：
ＡＩＳＩ ５２１００滚动 轴 承 钢 的研 究 中 ，Ｋ．Ｂｏｕａｃｈａ等人优 化 得到 的
１）钛合金 的导 热性 差 ，是 不 良导热 体金属 材料 。由于导 热、导
表 面粗 糙度 是 ＲａＯ．１９ ｍ ，对应 的切 削速 度 ｖ＝２４６ｍ／ｍｉｎ，进 给 温 系数小 ，是 ４５号钢 的 １／６，所 以在 加 工时所 产生 的高 热量 不能
量 ｆ－０．０８ｍｍ／ｒｅｖ，切 削 深度 ａｐ＝０．１５ｍｍ。而 Ｎ．Ｃ．Ｃａｍｐｏｓｅｃｏ 有效 扩 散 ，同时 刀具 的切 削 刃和切 屑的 接 触长 度 短 ，使 热 量大 量
等人 在 综 合 考 虑 材 料 切 除 率 和 刀具 寿 命 的前 提下 ，对工件 表 面 聚集 在切 削刃上 ，温度 急剧 上升 ，导 致 刀刃的红 硬性下 降，刀刃软
粗 糙 度 优 化 结果 为 Ｒａ＝０．９５ｍｍ，得 到 的 最 优 切 削 参 数 组合 为 化 ，加快 刀具磨 损 。
１提 高加 工寰 面质 量 的优化研 究
应 力没有显著 影响 。
为了获 取和 磨 削加 工相 当的表 面质 量 ，对硬 态 干式切 削 工艺
２钛合 金 切削 加工 的特点
优 化 的 研 究主 要 集 中在 分析 切 削参 数 变 化对 表 面质 量 的 影响 ，
钛合 金 本身 所具 有 的物 理 和 化 学性 能 给 切 削加 工 带 来了 困
的钛合 金 ＴＣ４车 削仿真研 究
王磊 唐 山市特种设备监 督检验所
干 式切 削 技 术 是 为适 应 可持 续 制造 战 略 而发 展 起 来 的一 项 随进 给量 和切 削深 度的 增大 而降 低 ，而且 已加 工 表面硬 度 越高 ，
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。
高速金属切削的摩擦分析及有限元模拟
-T r - Tr
式中: A、B、 n、 C、D、E 和 m 是由材料自身决定的
子表示:
常数; Tm 为 材料 的熔 点; T r 为室 温; T 为工 件 的瞬
f ( x ) = p 当 n ( x ) p, 0< x lp
( 2 a) 时温度; 为应变; 为应变速率。
f ( x ) = n ( x ) 当 n (x ) < p, lp < x lc ( 2b) 式中: f 为摩 擦 剪切 应力; p 是 工件 材 料的 剪切 强
刀刃倒角半径0012mm切削宽度1mm摩擦模型41库仑摩擦模型根据库仑摩擦定律r为了确定合适的摩擦因数作者应用平均摩擦因数法即通过试验得出多组切削力f和吃刀抗力f代入式46可得出相应的摩擦因数最后将所得的摩擦因数取平均值作为最终的摩擦因数
2007年 1月 第 32卷 第 1期
润滑与密封
LUBR ICAT ION ENG INEER ING
结摩擦区内, 摩擦 剪切应 力恒定; 在滑移 摩擦 区内, 摩擦因数恒定。前刀面上的摩擦剪切应力可由以下式
变、应变率和温度的函数。本研究使用的材料本构方
程为修改的 Johnson-Cook经验模型 [5] :
= (A + B n ) 1+ C ln (D - ET* m )
(3)
其中 T*
=
T Tm
表 2 切削工艺参数
进给量
0 075 mm
刀具后角
15 3
切削速度
300 m /m in 刀具前角
-7
刀刃倒角半径 0 012 mm
切削宽度
1 mm
根据库仑摩擦定律 f (x ) = n ( x ), 为 了确定合 适的摩擦因数 , 作者应用平 均摩擦因数 法, 即通过
高速金属切削的摩擦分析及有限元模拟
Fr iction Ana lysis and F in ite Elem en t S i m ula tion s of H igh2speed M eta l Cuttin g
W a ng X iao Lu S hub in Gao C hua nyu
( J iangsu U niversity, Zhenjiang J iangsu 212013, China)
表 1 工件与刀具的材料特性
泊松比
013 0122
- 1 - 1 比热 / (J ・ kg ・ ℃ )
热传导率 / (W ・ m
5115 120
- 1
- 1 ・ ℃ )
热膨胀系数 / ( × 10
- 6
- 1 ℃ )
470 34313
113 ( 425 ℃) 114 ( 650 ℃) 512
3 切削模型
收稿日期 : 2006 - 06 - 19 作者简介 : 王霄 ( 1964 —) , 男 , 博士研究生 , 副教授 , 主要研 究方向 : 微造型及性能数值模拟 , CAD /CAE /CAM , 虚拟样机 技术等 1 E 2 mail: wx@ ujs1 edu1 cn1
在早期的切削加工分析中 , 普遍采用传统的库仑 摩擦理论 , 其认为前刀面上摩擦剪切应力与正应力成 正比 , 数学公式如下 : τ σn ( 1) f =μ σ μ 式中 : τ 为摩擦剪切应力 ; 是正应力 ; 是摩擦 f n 因数 。
和刀 2 屑接触长度的预测值更接近参考文献中的值 。 定性上说明了粘结 2 滑 移摩擦模型更符合金属切削的 实际摩擦模型 , 也证明了刀 2 屑接触表面上滑移摩擦 和粘结摩擦是同时存在的 。 6 结论 ( 1 ) 在金属正交切削过程中 , 刀 2 屑接触表面不 仅存在滑移摩擦 , 同时还存在粘结摩擦 。 ( 2 ) 所建立的滑移 2 粘结摩擦模型能较好地反映 了金属切削的真实摩擦状况 , 同时也说明了利用有限 元方法分析金属切削加工的过程是有效的手段 , 这为 切削的有限元分析提供了良好的理论基础 。
切削加工中的有限元模拟
切削加工中的有限元模拟作者：BerendDenkena、Luis De Leon、Maya Otte 来源：德国Werkstatt + Betrieb杂志借助于有限元分析工具（FEM）的灵活性可以全面地描述切削过程；与实验测试相比，有限元分析可以更好地描述难以测量或者原本无法描述的加工过程。
切削过程的建模以及模拟对于降低加工工时和成本至关重要。
模拟作为开发工具可以用于质量管理和质量优化，并尽可能降低生产起步阶段的风险和试制费用。
有限元分析（FEM）是一种数学方法，尤其适用于解决与工程实际相关的问题，并能在更广的范围内传播。
首先将需计算区域划分为若干大小有限的小单元。
在每一个不等于0的有限单元内寻找解决方案。
整个区域的解决方案通常情况下由相当庞大但精巧的、填充好的线性方程式运算得出。
使用有限元模拟可以借助数学方法对切削过程进行重建，同时将整个过程中任意部位和时间点的温度、延展、延展率、应力和受力计算出来。
因此，有限元模拟可以用来支持不同场合下的实验研究（图1）。
图1 切削加工中的有限元分析在刀具开发过程中，诸如刀具磨损和生产效率等的因素将发挥决定性的作用，因为在整个加工过程中生产效率和质量受到影响。
刀具结构的优化可以提高刀具本身的使用寿命和加工质量。
为了获得比较优化的刀具几何结构，需要考虑切削过程中的热负荷和机械负荷。
此外需要分析沿刀刃和位于刀具内部的应力和温度。
切削刃接触区域内应力、延展、延展率以及温度的详细信息可以用于分析切屑形成的机制。
工件方面，借助有限元方法可以预测固定工件的边缘区域所受到的影响。
对工件内应力形成机制的研究可以用来控制切削过程并进一步调整特定边缘区域的特性。
图2的实例是直角切入式磨削的建模过程。
第一步，使用有限元软件（本例中采用了“Deform 2D”）按照给出的几何参数将刀具自动划分网格。
工件划分网格后再施加额外的边界条件。
根据工件的弹性-塑性形变计算结果选择合适的材料模型。
金属切削过程韧性断裂的有限元仿真现状
金属切削过程韧性断裂的有限元仿真现状工件材料的断裂准则是金属切削加工有限元仿真的关键技术。
分析了国内外金属切削加工有限元仿真的研究现状，并进一步对不同工件材料的断裂仿真技术的特点、适用条件进行了比较分析，指出了现阶段工件材料断裂准则仿真技术尚存在的问题，探讨了切削过程有限元仿真技术的发展趋势，为切削过程有限元建模发展提供一定的参考。
标签：金属切削：韧性断裂；有限元模型引言金属切削加工在21世纪依然是机械制造业的主要加工方法。
它在保证高效率和低成本的基础上，通过刀具和工件的相互作用，去除工件表面的多余材料，来获得所需工件形状、加工精度和表面质量要求。
而在在金属切削加工工艺中，不可避免地出现材料断裂现象，所以必须合理地利用材料产生的断裂，才能实现切削工艺过程[1]。
现代工业研究方法主要包括三种：理论分析、试验研究和有限元仿真，这三种方法可以综合利用。
有限元技术以其周期短、结果准确、成本低等诸多优点，获得了广大工程技术和研究人员的青睐。
基于有限元仿真技术强大的数值分析能力，它已成为定量研究金属切削加工过程的有效手段，该技术对减少制造成本，缩短产品制造周期和提高产品质量具有重要意义。
1 应用背景19世纪中期，人们开始对金属切削过程的研究，到现在已经有一百多年历史。
由于金属切削本身具有非常复杂的机理，对其研究一直是国内外研究的重点和难点。
过去通常采用实验法，它具有跟踪观测困难、观测设备昂贵、实验周期长、人力消耗大、综合成本高等不利因素。
传统的切削过程研究中，试验法是最主要的研究方法，即根据试验结果得出经验公式，从而预报切削力。
日益增长的时间设备材料和人力成本的消耗促使人们寻找更通用、更有效的研究方法。
而有限元法在分析弹塑性大变形问题，包括分析需要考虑与温度相关的材料性能参数和具有很大的应变速率的问题方面有着杰出的表现。
在金属断裂行为的预测方面，有限元技术可以对其进行模拟仿真，仿真过程能否顺利进行，对断裂行为的预测准确与否，取决于很多因素，其中断裂准则的准确获得以及有限元仿真过程断裂行为网格的调整和重新划分技术，成为工艺顺利进行和结果准确的关键。
金属切削原理中切削力效果的仿真模拟研究
金属切削原理中切削力效果的仿真模拟研究随着工业技术的快速发展，金属切削加工在各个领域中都扮演着重要的角色。
而在金属切削加工过程中，切削力效果的研究对于提高切削加工的效率和质量具有重要的影响。
本文将以金属切削原理中切削力效果的仿真模拟研究为题，探讨金属切削过程中切削力的影响因素以及仿真模拟的方法。
首先，我们需要了解金属切削加工中切削力的概念和作用。
切削力是指在金属切削过程中刀具对工件产生的力。
它是通过与工件表面接触形成的摩擦力和切削力的合力，用于克服金属材料的强度和硬度，从而将金属材料切削成预定形状和尺寸的零件。
切削力直接影响着切削加工的效率、切削工具的寿命以及加工表面质量等方面。
在金属切削过程中，切削力的大小和方向受到多种因素的影响。
首先是刀具的几何形状和刀具材料的选择。
刀具的刃角、刃宽以及刀具材料的硬度和耐磨性等因素都会直接影响切削力的大小。
其次是被切削材料的性质。
材料的硬度、塑性和热导率等特性都会对切削力产生影响。
此外，切削速度、进给量和切削深度等工艺参数也会对切削力产生影响。
因此，研究这些影响因素对切削力的影响是非常必要的。
为了研究金属切削过程中切削力效果，研究人员常常采用仿真模拟的方法。
仿真模拟可以通过建立切削力的数学模型和计算机模拟技术，准确预测切削过程中的切削力大小和方向，并分析各种影响因素对切削力的影响。
其中，有限元法是一种常用的仿真模拟方法。
有限元法是一种数值计算方法，广泛应用于工程领域中的结构力学和材料力学问题。
在金属切削过程中，有限元法可以通过将切削区域划分成许多小块，建立小块上的切削力模型，并通过求解数学方程组来计算切削力的大小和方向。
通过调整模型中的参数，如刀具几何形状、工件材料特性、切削速度等，可以得到不同情况下的切削力效果。
此外，还可以使用商业仿真软件来进行金属切削过程中切削力效果的仿真模拟研究。
这些软件通过提供各种切削过程的模型和计算工具，能够更加方便地进行切削力的预测和分析。
金属切削仿真有限元解决方案
金属切削仿真有限元解决方案 来源：开关柜无线测温 随着数值计算技术的不断发展，数值仿真已经向多学科方向发展，数字化仿真技术在各个行业的应用也不断向纵深发展，产品切削加工仿真技术在刀具设计、航空航天、汽车行业的应用也逐渐深入。
切削加工仿真技术是研究解析切削加工过程中的物理现象，通过数值仿真得到切削过程中的切削力、应变、应变率、切屑、刀具温度等数值，对切削参数及刀具进行DOE 研究和刀具磨损研究，以及基于切削力、温度等仿真数值对NC 程序进行优化。
成立于1993年的Third Wave Systems 公司，主要业务是开发和销售有限元切削加工仿真软件，响应了加工市场的这一需求。
其产品AdvantEdgetm FEM采用有限元方法对切削加工过程进行模拟；另一产品Production Moduletm擅长于工艺分析，并基于切削力、温度等仿真数值对NC程序进行优化。
AdvantEdgetm FEM软件原理和特点AdvantEdgetm FEM采用有限元法进行切削过程的物理仿真，作为切削条件输入的内容包括：工件材料特性、刀具几何、刀具材料特性、切削速度、冷却液参数、刀具振动参数、切削参数等。
软件通过有限元分析后，获得切削加工过程中的切削力、切屑打卷、切屑形成、切屑断裂、热流、刀具工件和切屑上的温度分布、应力分布、应变分布、残余应力分布等物理特性输出结果。
图1所示为3种刀具的切削仿真及切削力比较；图2所示为不同切削参数的切屑形成及温度分布情况。
图1a 3种刀具切削仿真图1b 3种刀具切削力比较AdvantEdgetm FEM拥有丰富的材料库，包括120种从铸铁到钛合金的工件材料，100种从Carbide、金刚石到高速钢的刀具材料，TiN、TiC、Al2O3、TiAlN涂层材料；可进行丰富的工艺分析，如车削、铣削(含插铣)、钻孔、镗削、拉削等，冷却液侵入、喷射等方式。
其刀具磨损仿真主要采用日本的Usui算法；同时具有切削速度、进给量、前角、切削刃圆弧半径参数DOE研究；切削速度、进给量、变换刀具DOE研究；具有丰富的后处理功能。
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作者简介K王家弟,女,EFXE年生\上海交通大学I上海市#HHHLHJ材料科学与工程学院博士研究生\主要研究方向为压铸%13]%1^]%1R_并行工程在铸造中的应用\卢晨,男,EFWE年生\上海交通大学材料科学与工程学院教授_博士研究生导师\
丁文江,男,EFNL年生\上海交通大学副校长_教授\
文章编号KEHHG4EL#‘I#HHLJEH4HOGW4HG
金属切削加工有限元模拟的相关技术研究
黄志刚博士研究生黄志刚柯映林王立涛摘要K基于理论分析与实际模拟计算中所遇到的问题,研究_讨论了切屑分离标准_表面接触_自适应网格等与金属切削加工模型的计算精度_效率密切相关的各项技术,并针对大型工程项目中的有限元计算问题,分析了采用并行结构和网络计算技术的可行性和必要性\在通用商业有限元软件的基础上,运用以上各项技术对航空铝合金材料XHNHaXGNE进行了加工模拟\
关键词K有限元b自适应网格b加工机理b切屑成形中图分类号KacGHG文献标识码K1
金属切削加工有限元模拟具有动态性_高度非线性等特点\切削加工过程有限元模拟涉及以下技术K切屑分离标准的确定_刀4屑表面接触问题的处理_动态自适应网格技术_适用于大型计算的并行机与网络计算技术等\同时,这些技术的正确处理也有助于提高有限元模型的计算精度和效率\以往金属切削加工机理研究基本上都是采用自编制软件进行分析,由于其不具有通用性而限制了有限元技术在该方面研究上的发展\因此,本文采用通用的商业有限元软件,并通过对以上各项技术的理论研究及运用,实现金属切削加工过程的有限元模拟\E切屑分离标准d2d切屑成形分离标准的确定金属切屑成形有限元模拟所采用的标准主要分为几何法和物理法两类\但是,目前研究人员对于采用哪个标准更合适并没有达成一致意见\即使选择了合适的标准类型,但仍不能从物理含义收稿日期K#HH#eHEeEO基金项目K国家自然科学基金资助项目INHEXNEH#J上说明应该选择多大的标准值\所有这些不确定性都造成了分离标准选择的随意性,以致对模拟计算结果的计算精度产生很大的影响\
几何分离标准是基于刀尖与刀尖前单元节点的距离,并假定在预定义加工路径上的距离小于某个临界值时,该节点被分成两个,其中一个节点沿前刀面向上移动,另一个保留在加工表面上\
f;QA等"E$引入几何分离标准\他们注意到只要单元的尺寸足够小,在切削刃边上的破裂就不重要\
文献"#MG$使用了相似的几何标准\从这些学者的研究工作来看,虽然大都认为节点分离的临界值对于模拟的成功是至关重要的,但是他们在各自的研究中却采用了不同的临界值\文献"E,N$分别使用了HgNh和HgEhMHgLh的临界值Ih为刀尖前单元的边长J\文献"#$采用了基于实验的任意值\几何标准的模型很简单,但是它的不足之处在于它不是基于切屑分离的物理条件\因此,使用几何标准就很难找到一种通用的临界值,以适应切削加工中不同的材料以及不同的加工工艺\
物理标准是基于刀尖前单元节点的物理量而定义的,诸如应变_应力_应变能等\当单元中所选定物理量的值超过给定材料的相应物理条件时,
即认为单元节点分离\%0’’&99等"W$使用了等效塑
iWGOi
中国机械工程第EG卷第EH期#HHL年N月下半月
万方数据性应变的分离标准!即规定在预定义路径上距刀尖前缘最近节点的等效塑性应变达到临界值时!单元节点分离"在他们的分析中!典型的标准值依赖于切削条件而在#$%&#$’之间进行选择"()*等+,-使用临界值为#$.的物理标准"/012*3)等+4-所采用临界值的范围是#$’&5$."67080等+9-将基于破裂的应力标准作为切屑成形的标准":*;*88)等+5#-使用了破坏标准"<)=+55-提出采用应变能密度标准实现切屑分离!而应变能密度只依赖从张力测试获得的材料常数"采用物理标准使金属切削的有限元模拟更接近实际情况"但在实际的有限元模拟中!当刀尖达到应该分离的节点时!该点的物理值并没有达到所给定的物理标准!即切屑在该点并没有实现分离"因此!为了更好地实现切削加工的仿真!本文采用基于几何和应变能密度的综合标准作为切屑分离标准"该方法以物理标准为主要判断依据!但当刀尖接近分离点并小于给定的几何标准时!可以强迫节点分离"可以看出!该方法兼有以上两种标准的优点!可以达到相互取长补短的效果">?@有限元程序的选择目前!诸如ABCDCEFGHIJKEKAJ:EALAMNC等商业有限元软件为实现大型项目的有限元分析E计算提供了良好的前后处理和求解环境"但是!切屑分离标准类型的确定要受有限元程序的限制"有些HGK代码提供了将两个节点系在一起的边界条件!可被用于模拟切屑的分离过程"然而!大多数有限元代码对于两个系在一起的节点只提供了有限的条件"因此!为了实现切削加工过程的模拟研究!有必要针对所采用的切屑分离标准从现有的商业有限元软件中选择一种合适的有限元程序"O动态自适应网格技术@?>动态自适应网格金属切削成形过程属于几何非线性问题!同时还具有连续性和动态性的特征"随刀尖前端材料的变形!单元节点的坐标开始逐次修正!单元开始变形!一些单元被压扁或由于不均匀变形而扭曲!将严重影响解的精度"甚至由于网格的畸变E退化!使计算结果严重失真或计算不收敛"为了保证计算精度!防止出现不合格的单元形状!在有限元模拟计算中必须对网格即时重新划分!这就是自适应网格技术"自适应网格技术可以在模拟过程中动态地实现敏感切削区域内的网格重新生成!图5所示是FGHIJK软件切削加工模块生成的自适应网格事例"可以看出!随刀具的运动!在刀尖前端的加工区域网格自动加密!而在远离切削区的已加工表面或已经与刀具分离的切屑!网格变疏!由于实现动态性网格生成技术把密集的网格集中在所关心的求解区域!这样不仅可以大量减少单元的数量!加快求解速度!而且由于网格的不断重新划分!可以避免在切削加工过程中生成畸形网格!防止计算过程发散!提高计算精度"
图>动态自适应网格生成示意图@?@节点信息的提取在模拟过程中!节点的分离实际是几何的分离"要取得真实的结果必须提取节点分离前的信息!并将其加载在分离后的节点上"在进行网格的重新划分时!首先通过初始有限元网格上计算出的应力或应变误差估计的范数E网格的几何畸变量化分析E单元的刚度矩阵状态分析以及网格与刀具的干涉分析等判断准则!判断网格的畸变程度!并在当前的工件轮廓内生成合理的新网格系统P其次对新旧网格采用凸多边形进行包含测试E
判断!并把旧网格上的有关信息转换到新的网格系统中去!生成重新开始计算的数据文件"
Q表面接触问题的处理在金属切削加工过程中!刀具的前刀面对切屑E刀具的后刀面对工件已加工表面都存在摩擦E
挤压作用"由此产生的切削热将直接影响刀具的磨损和耐用度!并影响工件的加工精度和表面质量"同时!在切屑E刀具E工件中引起温度E应力E应变等物理量的重新分布!进而由于这些物理量之间的相互耦合作用使工件产生塑性变形"因此!正确理解前刀面的接触摩擦问题!建立刀具与工件之间合理的摩擦模型是切削加工模拟成功实现的关键因素之一"
图O所示为沿刀屑界面的理想应力分布模型+5O!5Q-"前刀面上工件底层的最大剪应力可表示为
R30STUVWQ式中!V为工件表面节点周围各个单元的平均等效应力"
通过在不同的接触点处比较摩擦剪应力与最
大剪应力的大小!决定节点是否位于粘性摩擦区X,%4X
金属切削加工有限元模拟的相关技术研究YY黄志刚柯映林王立涛万方数据图!沿刀屑界面的理想应力分布模型域"当#$%#&’(时)则单元的节点位于粘性摩擦区域)否则位于滑动摩擦区域"库仑摩擦定律适用于滑动区域)即该区域的摩擦系数为常数"而在粘性区域)前刀面上的剪切流应力#*#+,-.为常数)由于/0为前刀面上分布的正应力)因此摩擦系数可以表示为12*3+,-.4/0)即摩擦系数是/0的函数)
并在粘性区域内随正应力的减小而减小)可见库仑摩擦定律并不适用于粘性区域"另外)在切削加工模拟时)计算的时间步并不受事实存在的接触影响)而且接触面的刚度与垂直于接触面的接触单元刚度具有同样的量级"因此)当接触压力变大时)就可能发生不可接受的相互穿透现象"对于这种情况)可以使用罚数法)并结合增大接触刚度或减小时间步来进行求解"
5并行计算与网络技术在实际工程问题的数值模拟中)切削加工6锻压成形6挤压成形等问题都具有动态性6连续性6
高度非线性等特点"同时)分析项目中的计算模型和边界条件又很复杂且难以简化"因此)为实现计算的收敛或者取得较高的计算精度)必须在应力集中的地方划分密集的网格或采用动态的自适应网格技术"这势必极大地增加计算成本和计算周期"并行机结构以及网络技术的发展和应用为采用有限元方法进行计算仿真提供了广阔的发展空间)目前已受到普遍关注"
目前的商品化有限元软件一般采用多指令6
多数据平行法和区域分解法"采用平行处理后的计算机性能可以随789个数的增加得到大幅度的提高)有的可达到与789个数成正比的关系:;5<"因此采用多789并行机成为解决计算规模庞大问题的一个重要手段"随着网络技术的发展)采用基于=>?@A的网络技术对大型工程项目进行计算成为可能"网络计算就是利用一组各具特色的由网络连接的计算机来协作求解同一个问题"各个客户端之间通过协议对一个求解任务的不同部分同时进行协作求解"在大规模的计算仿
真过程中)针对具体的问题可以在协议中将求解的问题分解为数据并行性6功能并行性6对象并行性等"网络技术的应用为大型计算提供了广阔的前景"
B运行实例金属切削加工有限元模拟是一个非常复杂的过程"这是因为实际生产中)影响加工精度6表面质量的因素很多)诸如刀具的几何参数6装夹条件6切削参数6切削路径等"这些因素使模拟过程中相关技术的处理具有了较高的难度"基于上文各项技术的分析6研究)利用通用有限元软件对几何尺寸为CB&&D;E&&的FEBEGF5B;铝合金材料的切削加工过程进行了模拟)并给出了刀具转速为5BEEH4&-@6每齿进给量为EI;&&6刀具的前角为JEK情况下)刀L屑界面温度达到稳定状态时的一些模拟结果"在本算例中)假设刀具锋利也即不考虑刀具后刀面对工件的影响)并将切削加工过程简化为二维平面应变问题"另外)在该有限元模型中)将工件的底部和刀具的垂直方向保持固定)而刀具沿水平方向可以自由运动"同时)假定刀具的弹性模量6泊松比不随温度变化"