数值模拟在切削加工技术中的应用探索1

1、工程实践创新思维报告数值模拟在切削加工技术中的应用探索姓名： 学号：2013.12.20数值模拟在切削加工技术中的应用探索孔凡鹏（哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，热能与动力工程，2011031508）摘要：近年来,有限元方法在切削加工模拟中得到了越来越广泛的应用,在研究切削工艺参数及切屑成形机理方面有着不可替代的作用。本文介绍了国内外切削加工过程有限元数值模拟的研究现状,简要阐述了切削过程有限元模拟的关键技术,包括切屑形成、切削加工中的热力辐合、工件与刀具接触和摩擦、切屑分离和断裂准则以及工件残余应力、残余应变的模拟等技术;最后,还对切削工艺有限元数值模拟的发展方向作了探讨。关键词：切削,切

2、屑形成,数值模拟,有限元方法前言：切削工艺主要是通过刀具在材料表面切除多余的材料层来获得理想的工件形状、尺寸以及表面光洁度的机械加工方法。精密切削和超精密切削可以代替研磨等很费工的手工精加工工序,同时提高加工精度和加工表面质量1。随着电子、光学、生物医学精密设备的需求不断增加,产品的体积越来越小,对超精密切削加工的质量就提出了更高的要求。为了提高切削产品特别是精密和超精密切削的生产效率和加工质量,需要深入地研究切削机理、切削加工和切屑形成理论。实际上,切削过程是一个很复杂的工艺过程,它不但涉及到弹性力学、塑性力学、断裂力学,还有热力学、摩擦学等.切削质量受到刀具形状、切屑流动、温度分布、热流和

3、刀具磨损等影响。切削表面的残余应力和残余应变严重影响了工件的精度和疲劳寿命2。但是,利用传统的解析方法,很难对切削机理进行定量的分析和研究。切削操作人员和刀具制造商往往都是利用试错法来获取一些经验值,既费时费力,又增加了生产成本,严重阻碍了切削技术的发展。计算机技术的飞速发展使得利用数值模拟方法来研究切削加工过程以及各种参数之间的关系成为可能3。近年来,有限元方法在切削工艺中的应用表明,切削工艺和切屑形成的有限元模拟对了解切削机理,提高切削质量是很有帮助的4。这种数值模拟方法适合于分析弹塑性大变形问题,包括分析与温度相关的材料性能参数和很大的应变速率问题。1.切削过程有限元模拟技术的发展状况：

4、1973年美国Illinois大学的 B.E.Klameck最先系统地研究了金属切削加工中的切屑形成的原理5； 同年Lee和Kobayashi首次提出刚塑性有限元法的矩阵列式后，极大地推动了有限元数值模拟技术在金属体积成形过程中的应用6。1974年，Tay·Stevenson和Davis第一次采用有限元方法计算正交切削刀具、切屑、工件上的温度分布；1979年，Zienkiewicz等提出了粘塑性材料的有限元列式并导出粘塑性有限元的罚函数法，使得高温成形问题的分析得到解决7。80年代末期以来，金属塑性成形过程的计算机模拟技术逐渐成熟并进入实用阶段，在金属切削领域，各国的学者对有限元的应

5、用作了大量的研究工作。进入90年代后，Enkowski和Moon8提出了基于Euler方程的稳态金属切削模型。他们使用该技术预测了切屑几何形状，以及工件、切屑和刀具内的温度分布，模拟结果与切削实验测量值吻合的较好。美国Ohio大学NSM实验室的TAltan在塑性加工上的研究和仿真，得出了很多成果9，目前正致力于刀具磨损的有限元分析，其与意大利Brescia大学机械工程系的CercttiE合作，对切削工艺进行了大量的有限元模拟研究。使用有限元方法模拟高速切削是最近几年才发展起来的，1994年Marusich和Ortizls用Lagrange模型模拟了高速切削加工的过程，并运用了网格自动重划分技术

6、10解决了切削过程中网格扭曲的问题。2002年MartinBaker等人11在模拟了绝热剪切条件下的高速正交金属切削过程。2006年6月，美国Ohio州立大学净成形制造工程研究中心的Altan教授等人CIRP举办的高速切削会议上，对高速切削有限元模拟的现阶段工作做了详细报告，并提出了以后的研究方向1,3。同时，国内学者在有限元切削仿真上也进行了大量的研究，清华大学的方刚和曾攀把任意的Lagrange和Euler方法(ALE)应用到切削加工的有限元仿真中，克服了单独用Lagrange方法或Euler方法的不足，并对加工表面的残余应力分布进行了分析12。董辉跃、孙杰、王立涛等人对航空大型整体结构件

7、及薄壁件的加工机理、变形校正和残余应力用有限元法进 行了分析11，为实际生产提供了很好的指导作用；哈尔滨工业大学的庄文义、汤敬计等人对超精密切削过程和微切削过程进行了有限元分析，得出了与实验相近似的结果。浙江大学柯映林、黄志刚、杨勇等人对钛合金切削加工过程进行了仿真，对切削加工模型建立过程中的关键技术问题进行了分析，并基于有限元模拟和“单因素”流动应力公式计算的联合建模策略，建立了材料在高温、大应变、高应变率下的动态本构方程11。这些研究促进了切削加工有限元仿真的发展，使传统的研究方法与计算机技术相结合加速了对切削加工过程机理的理解和认识，推动了高速切削加工技术的进步。2.切削过程有限元模拟的

8、关键技术：2.1切削过程中塑性变形的有限元模拟切削过程可以看作是产生塑性变形并且发生切屑(chip)与工件(workpiece)分离。所采用的数值方法主要有两种,即弹塑性有限元法和刚塑性有限元法。在此基础上,如果考虑材料加工中的温度、速度变化带来的影响,还有热弹(豁)塑性有限元和热刚(薪)塑性有限元方法。当工件的尺寸、所用单元个数等条件相同时,弹塑性有限元和刚塑性有限元的应力、应变分析结果几乎相同。2.2 温度场和热力耦合的模拟在金属切削工艺中,工件的塑性变形和切屑一刀具界面的摩擦是两个主要的热源。在金属削工艺中,工件内部的温度分布主要是由下面的因素决定的:(l)工件和刀具的初始温度;(2)成

9、形工件和刀具的状态和环境;(3)工件塑性变形和切屑一刀具界面的摩擦产生的热源。2.3 切屑与刀具接触和摩擦的模拟 由于摩擦力与切屑的形成和刀具的涌动密切相关，所以在建立切屑模型是，切屑-刀具接触现象是应考虑的主要因素。2.4 切屑于工件的分离断裂与一般金属塑性成行不同的是，切屑的加工是一个被加工材料不断产生分离的过程。切屑的有限元模拟可以分为两种形式。2.5 工件表层残余应力和应变的模拟削加工工件表面层的力学状态,例如残余应力和残余应变等,影响着工件的质量。残余应力引起的变形降低了工件的几何精度。另外,表层内的残余拉应力降低了工件的疲劳强度。为了解决这些问题,需要准确地预测工件的残余应力和几何

10、精度,并将它们控制在一定范围内。机械加工件的质量将会在此基础上得到提高。3.有限元软件的仿真方法：有限元分析软件比较多，目前国际上比较通用的大型软件是ANSYS10.0.在通用的有限元软件中不仅包含了多种条件下的有限元分析程序，而且能实现前处理、仿真以及后处理等过程。前处理包括建立模型、网络化分析、确定材料性质以及边界条件等。仿真过程是对前处里过程中所设定的模型进行模拟。后处理过程包括观察仿真过程、处理仿真结果和输出仿真数据等。后期处理过程仿真过程前期处理过程结束仿真运算改变参数设置Pro/E或CAD建立几何模型导入模型并划分网格输出并分析仿真结果对所需的参数进行整理和图形显示有限元（FEM）

11、仿真输入材料类型及边界条件等局部细化显示网格划分 有限元仿真过程图4.切削过程有限元模拟的发展方向:金属切削工艺是制造业中的关键技术,随着电子、光学、微细产品的不断发展,在生产率和加工精度方面对切削工艺提出了更高的要求。虚拟制造将是解决这一系列问题的重要手段,在虚拟制造中,基于弹性力学、塑性力学、断裂力学、摩擦学、热力学和材料学的切削过程数值模拟将是一种强有力的工具。目前,这项技术已经在学术研究上取得了一些进展,但与其它加工技术(例如金属塑性加工)相比,切削模拟还没有大量应用到生产实际,这还需要对实际生产中影响切削加工的各种因素作进一步研究。在实际切削过程中,例如车削、磨削和钻削等,切削是在三

12、维变形域内进行的;例如,工件和刀刃具有三维的几何形状,工件材料和刀具的相对移动也不总是正交的,另外,一些工件材料也是各向异性的,由于这些因素,切削是在三维状态下成形的,然后获得具有三维几何形状的产品。另外有些工艺,例如斜刃切削的模拟是不能用二维模型来实现的,必须建立三维模型。所以,为了揭示实际切削机理,对切削加工进行三维模拟是很有必要的。目前的大多数研究都停留在二维模拟上。随着计算机硬件性能的提高,切削工艺的三维模拟将是今后发展的主要方向。实际上,典型的车削和钻削工件或刀具都是在做回转运动,但是到目前为止,文献中所报道的切削工艺模拟,大多是将工件约束住,让刀具做进给运动,这样实际生产中工件的回

13、转运动对切削质量的影响并没有体现出来,在金属塑性加工中,例如板料的旋压成形,内螺纹管的拉拔成形、轧制成形等都可以模拟工件或模具的回转运动,在高速的车削过程中,工件的转动是不可忽略的。参考文献: 1徐志平基于有限元的切削加工过程动态物理仿真关键技术研究D济南：山东大学，2008 2刘加富，张洪才，亓俊红等基于ABAQUS的二维金属切削有限元分析J机械设计与制造，2006，10：68-70 3管小燕，任家隆，李伟等基于数值模拟的钛合金锯齿状切屑研究J江苏科技大学学报(自然科学版) ，2007，21（4）：70-75 4赵军，孟辉，王素玉等高速切削锯齿状切屑的有限元模拟J工具技术，2005，39（1）：29-31 5薛守义有限单元法M北京：中国建材工业出版社，2005：248-269 6李亚智，赵美英，万小朋有限元法基础与程序设计M北京：科学出版社，2004：27-43 7王苏东医用钛合金切削过程有限元仿真与试验研究D南京：南京理工大学，2009 8王霄，卢树斌，高传玉金属切削加工有限元模拟技术的研究J煤矿机械，2006，27（11）：51-58 9置氢钛合金切削变形的基础研究D南京：南京航空航天大学，2009 10庄茁，张帆，岑松等ABAQUS非线性有限元分析与实例M北京：科学出版社，2005：914 11张光磊三维金属切削过程的有限元模