机械工程与自动化毕业论文淬硬钢材料高速切削过程的有限元仿真文档格式.docx

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通过与理论分析的比较，验证了数值模拟的可行性，为工艺参数优化、切削质量控制及刀具设计提供了依据。

关键词：

切削,三维数值模拟,刚粘塑性有限元，热力耦合

ABSTRACT

Inthefieldofmetalcutting,ithasanimportantsignificancetotheinvestigationofthecuttingprocess.Theexistedresearchesshowthatitiseffectivetoinvestigatecuttingprocessusingnumericalmethod.Therefore,inthispaper,asystematicinvestigationonmetalcuttingprocesshasbeencarriedoutusing3Dcoupledthermal-mechanicalFEMnumericalsimulation.

Inthispaper,thefiniteelementmodelsofmetalcuttingwerefirstdiscussedsystemically.A3Dfiniteelementmodelundercoupledthermo-mechanicaleffectsofmetalcuttinghasbeendevelopedbasedonrigid-viscoplasticFEM,andsomekeytechnologieshavebeenconfirmed,includingmaterialmodel,chipseparationcriteria,meshing,thecontactfrictionmodel,abrasionmodel,contactboundary,etc.BasedontheplatformoffiniteelementsoftwareDEFORM-3D,theprocessesofmetalcuttingweresimulatedsuccessfully.Thelawsofdistributionhavebeendisclosedforequivalentstrainfield,temperaturefieldandtoolwear.Themodelhasbeenvalidatedbysimulationresultstobereliable.

Theinfluenceofmainprocessparametersonchipdistortion,cuttingforce,cuttingtemperatureandtoolwearhavebeendisclosed.Bycomparingwiththetheoreticalanalysis,thefeasibilityofthenumericalsimulationwasvalidated,theobtainedresultsmayprovideaguidetooptimizationsofprocessparameters,controlofthecuttingqualityandtooldesign.

KEYWORDS:

Machining,Threedimensionalnumericalsimulation,rigid-viscoplasticFEM,thermal-mechanical

第1章绪论

1.1引言

高速加工（HighSpeedMachining，HSM）技术是一项先进的，具有广阔应用前景的制造工艺。

经过长达60年的技术革新，高速切削加工从基础理论发展到应用于生产实际当中，大致经历了设想和理论探索、切削机理和理论的研究、应用探索、应用和逐渐成熟五个阶段。

高速切削作为一种先进切削加工技术,近几年在航空、汽车、电子、模具等制造业中显示出明显的技术优势,受到国内外越来越广泛的关注。

针对切削过程中各影响因素建立一个综合的数学力学模型,就是对切削过程进行全面分析、从而预测不同切削条件下的切削状况。

近年来,随着计算机性能和运算速度的迅速提高,有限元法不但自身日趋完备,而且在与其他技术相结合方面也取得了较大的进展,与直接实验方法相比,该方法费用低,耗时短,在考虑多因素时其优势尤为显著,同时,随着计算机运算和视觉技术的发展,也必将促进虚拟加工的进一步发展。

采用的模拟方法可以部分的取代实验研究，拓展了有限元理论的应用范围，促进了硬态切削机理的研究。

基于工艺的有限元法（FEM）广泛应用于高速加工过程,以实现刀具切削力、应力和温度分布、刀具磨损和残余应力等的模拟分析,刀具切削模型和切削条件等因素的优化。

在切削加工领域,对大部分的工件材料而言,其流动应力和摩擦特性的获得是很困难的。

工件材料初始阶段的塑性变形或流动中产生的流动应力和瞬时屈服强度主要受温度、应力和应变等因素的影响。

在高速切削加工中,确定精确可靠的流动应力模型成为研究工件材料加工特性的首要工作。

1.2国内外研究综述

1.2.1发展情况

“高速切削”的概念首先是由德国的Salomon博士提出的,并于1931年4月发表了著名的切削速度与切削温度的理论。

此后,高速切削技术经过20世纪50年代的机理与可行性研究,70年代的工艺技术研究,80年代全面系统的高速切削技术研究,到90年代初,高速切削技术开始进入实用化,到90年代后期,商品化高速切削机床大量涌现,21世纪初,高速切削技术在工业发达国家得到普遍应用,正成为切削加工的主流技术。

1.2.2有限元分析法研究高速切削

目前，有限元分析方法在发达国家得到了广泛的应用，国内有限元分析方法的应用领域也在不断的扩展。

利用有限元原理来评估刀具涂层，切削环境及切屑形成对切削力和切削温度影响规律的研究一直都在进行。

这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。

最早采用有限元法研究切削加工的是Zienkiewicz（辛柯维奇）和Kakino（垣野）。

Zienkiewicz于1971年采用预先给定切屑形状然后加载刀具的方法，分析了在刀具加载过程中工件材料发生塑性屈服的区域沿主剪切平面的扩张情况。

1976年Shirakashi（白樫）和Usui（薄井）对上述模型进行了改进，考虑了刀屑之间的摩擦以及工件材料流动应力受应变、应变速率和温度影响的特性。

他们采用反复调整切屑形状，直至在某种切屑形状下产生的塑性流动跟预先设定的取得一致，以此来获得切屑的形状。

他们采用的这种迭代收敛法（IterativeConvergenceMethod）取得了成功，并在后续的研究中得到了应用和进一步的发展。

20世纪80年代中期，Strenkowski（斯坦诺维斯基）和Carrol（卡罗尔）采用基于更新的拉格朗日公式弹塑性模型，并将等效塑性应变准则作为切屑分离准则，由于等效塑性应变值的选择影响了加工表面应力的分布。

Komvopoulos（坎弗普洛斯）和Erpenbeck（埃尔彭贝克）用库仑摩擦定律通过正交切削解析法得到了刀具与切屑之间的法向力和摩擦力。

用弹塑性有限元模型研究了钢质材料正变切削中刀具侧面磨损、积屑瘤及工件中的残余应力等。

至此，对稳态切削有了比较系统的模拟研究，但是真正意义上的摩擦模型和热力耦合模型都还没有建立起来。

三维切削有限元分析在这一时期也在不断进行。

Maekawa（前川）和Maeda（前田）于1993年完成了基于迭代收敛法切屑形成的第一个三维稳态切削分析。

第一个非稳态三维切削仿真分别由Ueda（上田）和Manabe（真锅）于1994年完成。

近几年来，国内对切削加工有限元模拟研究发展比较快。

胡华南运用有限元方法研究切削45钢的残余应力分布。

2007年，王宇、刘亦智、岳彩旭、刘献礼等，对淬硬钢GCr15的斜角切削过程进行了有限元分析。

刘伟,李家春，通过Deform-3D，研究三维车削加工。

1.3关于Deform-3D软件的介绍

Deform-3D是在一个集成环境内综合对建模、成形、热传导和成形设备特性进行模拟的有限元仿真分析软件,它主要包括三个部分:

预处理、仿真和后处理。

Deform-3D功能与2D类似,但它处理的对象为复杂的三维零件、模具等。

Deform-3D是模拟3D材料流动的理想工具,它不仅鲁棒性好,而且易于使用。

系统中集成了在任何必要时能够自行触发的自动网格重划生成器,以便生成优化的网格系统。

在要求精度较高的区域,可以划分较细密的网格,从而降低题目的规模,并显著提高计算效率。

金属切削加工是一个复杂的强热力耦合的动态物理过程,切屑的形成过程具有高温和大变形的特点。

通过基于Deform高速切削加工的模拟过程,获得许多重要的参数,可以进一步研究多种不同刀具、工件的切削加工特征,了解切削过程中所产生的最大应力、最高温度以及切屑流动的情况,以期对刀具的设计和工艺参数的确定提供参考,实现加工过程的优化和生产成本最小的目的

1.4淬硬钢高速切削的特点

淬硬钢（硬度HRC55～HRC65）是一类耐磨结构材料，广泛用于制造各种对硬度和耐磨性要求较高的基础零部件。

淬硬钢经淬火或低温去应力退火后具有较高硬度，通常采用磨削工艺进行半精加工和精加工，不仅加工效率低，而且粉尘和废液污染严重。

采用干式切削技术以车代磨对淬硬钢进行高速切削加工是一种环境效益和经济效益俱佳的工艺选择，这一新技术的应用对刀具材料及使用技术提出了较高要求。

高速条件下切削淬硬钢，单位时间内产生的切削热多，切削层的瞬间温度高,导致淬硬钢切削层处的硬度下降，起到了加热切削的作用，能减小被加工材料的塑性变形抗力，降低材料切削加工的难度。

1.5难加工材料高速切削的展望

近年来,随着高速切削机床、刀具系统、加工工艺等技术的发展,高速切削技术得到了快速发展,加工材料范围已从最初的铝合金、灰铸铁、中碳钢等逐渐扩大到工程中所应用的绝大多数难加工材料。

　高速切削具有一系列不同于传统切削的优点,受到了航天、汽车、模具等行业的青睐。

大型整体薄壁飞机结构件的加工将普遍采用高速铣削工艺,减轻整体重量,提高整机性能;

模具制造业中将普遍采用高速、高精度加工中心,形成高切削速度、高进给速度,小切深、小走刀步距、能连续长路程切削的模具加工新工艺;

基于高速切削工艺的干式切削的绿色制造技术将会进一步发展;

高速切削工件材料将拓宽到模具钢、钛合金、不锈钢、高温合金等难加工材料;

高速数控加工中心将同时具有组合机床的加工效率和FMS的加工柔性。

具有动平衡精度高、具有特定结构的满足高速切削要求的刀具将形成系列化、标准化;

高速切削工艺范围将进一步扩大,高速切削机床能满足从粗加工到精加工,从刚性攻丝直至高速钻铣的全部加工要求;

具有几何尺寸补偿动能的CNC控制软件将被普遍应用。

1.6本文研究的主要内容

1.通过学习研究有限元模型分析原理及金属切屑基本机理，建立了有限元模拟模型；

确定了材料模型、切屑分离准则、网格划分及重划分、接触摩擦模型、磨损模型和边界条件处理的选择。

2.进行CBN刀具切削实验，记录刀具磨损，切削力；

3.通过有限元模拟计算，得到加工过程中的应力场，温度场，分析刀具的应力场与温度场；

4.进行CBN刀具切削实验数据与仿真实验进行对比，确定仿真预测的精度。

5.采用不同的切削参数对三维金属切削过程进行模拟，并分析不同切削参数对主切削力的影响。

第2章金属高速切削理论

2.1金属切削基本理论

2.1.1金属切削变形理论

金属切削过程实际上是工件材料在刀具的剪切挤压作用下,首先发生弹性变形,进而发生塑性变形,产生应变硬化,最后撕裂,沿前刀面流出形成切屑的过程。

由于刀具材料的强度和硬度要比工件材料大很多,因此在计算中假设刀具为弹性材料,按弹性材料计算,而工件材料按弹塑性材料进行计算,对其采用大应变的弹塑性单元进行弹塑性分析,这与实际切削情况基本吻合。

2.1.2热力耦合理论

金属切削过程中,工件的塑性变形和切屑与刀具表面的摩擦是两个主要的热源。

为了耦合热载荷和机械载荷的相互影响,可以利用Prandtl-Reuss流动法则和VonMises屈服准则,同时将材料考虑为具有各向通性的应变硬化性质,来导出热弹性热力耦合本构方程。

2.2车削过程分析

2.2.1车削过程的塑性变形

切削塑性金属时，工件受到刀具的挤压，开始产生弹性变形，此后材料的内应力逐渐增大，当剪切应力达到材料的屈服极限时，金属开始滑移而产生塑性变形，随着滑移变形的进行，剪切应力不断增大，变形达到材料允许的最大值时，切削层金属被挤裂而破坏。

图1.26中，OA为始滑移面，左侧发生弹性变形，AOM区内产生塑性变形，OM为终滑移面，金属在其上剪切应力和塑性变形达到最大值，越过OM面，金属被切离工件母体，沿刀具前刀面流出形成切屑。

随着刀具的不断向前运动，AOM区不断前移，切屑不断流出，切削层各点金属均要经历弹性变形、塑性变形、挤裂和切离的过程。

金属材料在切削过程中大致可划分为三个变形区:

a）从开始发生塑性变形到剪切滑移基本完成的区域（Ⅰ）称为第一变形区;

b）切屑沿前刀面排出时受到前刀面的挤压和磨擦,使靠近前刀面处的金属纤维化,基本上和前刀面平行,这部分叫做第二变形区（Ⅱ）;

c）已加工表面受到切削刃钝圆部分与后刀面的挤压和磨擦,产生变形和回弹,造成纤维化和加工硬化,称为第三变形区（Ⅲ）。

（1）第Ⅰ变形区（AOM区域）：

又称基本变形区，切削层金属产生剪切滑移和大量塑性变形区域，机床提供的大部分能量主要消耗在该区域。

是切削力、切削热的主要来源。

（2）第Ⅱ变形区（OE区域）：

切屑和前刀面的摩擦变形区。

影响刀具前刀面的磨损和积屑瘤的形成。

（3）第Ⅲ变形区（OF区域）：

工件已加工表面与刀具后刀面的摩擦区域，影响刀具后刀面的磨损和工件的加工硬化和残余应力。

为了简化模型我们在分析时只考虑材料是塑性的,没有考虑其弹性变形,所以也就没有考虑工件的回弹和残余应力,第三变形区基本上没有考虑进去,这样对我们建立的模拟模型确定刀具和切屑的相互作用显得很重要。

在车削中,刀屑接触面分为两个区域:

粘结摩擦区域和滑动摩擦区域[。

由于这两部分的摩擦状态分别是内摩擦和外磨擦,其机理有所不同,简化为外摩擦不能说明实际的问题,但在这里我们还是作了简化,认为是Coulomber（库仑）摩擦,简化为一个平均摩擦系数,用库仑定律计算。

切削变形区及切屑的形成过程

2.2.2切削力

对切削力进行研究是对切削机理研究的主要内容,对功率消耗计算,对刀具、机床、夹具的设计,对制定切削用量都有重要作用。

在自动化生产中,还通过切削力来监控切削过程和刀具工作状态。

在切削理论中切削力主要来自三个方面:

克服被加工材料对弹性变形的抗力;

克服被加工材料对塑性变形的抗力;

克服切屑对刀具前刀面的摩擦力和刀具后刀面对过渡表面和已加工表面之间的摩擦力。

我们在模拟时可分别模拟出三个方向的分力,在实际中与理论计算比较,从而为重新建立模型积累经验。

总切削力F的分解1

总切削力的分解。

切削力F是一空间矢量，可分解为三个相互垂直的分力。

1、切削力Fc（切向力）：

总切削力在主运动方向上的正投影，其数值在三个分力中最大，消耗机床总功率的95％～99％。

是计算机床动力、刀具和夹具强度的依据，选择刀具几何角度和切削用量的依据。

2、进给力Ff（轴向力）：

总切削力在进给运动方向上的正投影，消耗机床总功率的1％～5％，作用在进给机构上，是设计和校检进给机构强度的依据。

3、背向力Fp（径向力）：

总切削力在垂直于工作平面上的分力，因为切削时在这个方向上的运动速度为0，所以Fp不做功，但作用在机床和工件刚性最弱的方向上，易使刀架移位和工件变形，引起振动，对切削过程十分不利，影响加工精度。

切削速度对切削力的影响1

2.3高速金属切削的切削温度

根据提出的理论,当切削速度增加,切削温度提高,切削速度,切削温度达到最高值再提高切削速度,切削温度反而下降,到一定的但也有很多人提出了不同的意见,认为图中的曲线不可信，现在不少人开始认为,切削温度不存在一个最高值峰点,切削速度提到很高时,切削温度仍应缓慢上升。

SALOMON高速切削加工理论示意图1

第3章金属切削过程仿真的有限元基础理论

金属切削过程是一个非常复杂的非线性过程，对这个过程进行有限元数值模拟需建立在许多理论基础之上，如金属切削原理、材料弹、塑性变形理论和有限元理论等。

其中有限元理论属于最为核心的部分，因此本章将对有限元基础理论进行详细的介绍。

3.1有限单元分析方法概述

有限单元法是在连续体上直接进行近似计算的一种数值方法。

其基本思想是：

将一个连续体离散化，即将连续体变换成为由有限数量的有限大的单元体组成的集合，而且认为单元之间只通过被称为节点的连接点连接起来。

由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身又可以有不同形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域。

有限单元法作为数值分析方法的另一个重要特点是利用每一个单元内假定的近似函数来分片的表示全求解域上待求的未知场函数（如位移场、应力场）。

单元内的近似函数通常由未知场函数或及其导数在单元内各节点的数值和函数插值来表达。

这样一来，未知场函数及其导数在各个节点上的数值就成为新的未知量（即自由度），从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。

一经求解出这些未知量，就可以通过函数插值计算出各个单元内场函数的近似值。

具体的分析过程如下：

（1）连续体的离散化

首先，应根据连续体的形状选择最能完满地描述连续体形状的单元。

常见的单元有：

杆单元，梁单元，三角形单元，矩形单元，四边形单元，曲边四边形单元，四面体单元，六面体单元以及曲面六面体单元等等。

单元划分完毕后，要将全部单元和节点按一定顺序编号，每个单元所受的载荷均按净力等效原理移植到节点上，并在位移受约束的节点上根据实际情况设置约束条件。

（2）选择位移模式

在有限单元法中，选择节点位移作为基本未知量时称为位移法；

选择节点力作为基本未知量时称为力法；

取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量时称为混合法。

位移法易于实现计算自动化，所以，在有限单元法中位移法应用范围最广。

当采用位移法时，为了能用节点位移表示单元体的节点位移，并通过节点位移以及单元体预先约定的应力、应变分布规律给出单元的应变和应力，在分析连续体问题时，必须对单元中的位移分布做出一定的假设，也就是假定位移是坐标变量的简单函数。

这种函数称为位移函数或插值函数。

根据选定的位移模式，就可导出用节点位移表示单元内任意一点位移的关系式，其矩阵形式是：

式中，{f}为单元内任意一点的位移阵列；

[N]为形函数矩阵，它的元素是位置坐标函数；

为单元的节点位移阵列。

（3）分析单元力学特性

根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等，找出单元节点力和节点位移的关系式，这是单元分析中的关键一步。

此时需要应用弹性力学中的几何方程和物理方程来建立力和位移的方程式，从而导出单元刚度矩阵，这是有限元法的基本步骤之一。

其主要包括下面三部分的内容：

利用几何方程由位移表达式导出用节点位移表示单元应变的关系式

式中，{ε}为单元内任意一点的应变阵列；

[B]为单元应变矩阵；

利用本构方程，由应变的表达式导出用节点位移表示单元应力的关系式

{σ}为单元内任一点的应力阵列；

[D]为与材料有关的弹性矩阵。

根据虚功原理求出单元中的节点力

式中，为等效节点力；

为单元刚度矩阵，其中

（4）结合所有单元的平衡方程，建立整个结构的平衡方程

这个过程包括两个方面的内容：

一是将各个单元的刚度矩阵，集合成整个物体的整体刚度矩阵；

二是将作用于各单元的等效节点力阵列，集合成总的载荷阵列。

最常用的集合刚度矩阵的方法是直接刚度法。

一般来说，集合所依据的理由是要求所有相邻的单元在公共节点处的位移相等。

于是得到以整体刚度矩阵[k]，载荷阵列[F]以及整个物体的节点位移阵列{δ}表示的整个结构的方程

（5）求解未知节点位移和单元应力

有限元法最终导致联立方程组。

联立方程组的求解可用直接法、选代法和随机法。

求解结果是未知节点位移。

根据解算得到的整体结构上的节点位移，可以知道各单元的节点位移，将单元节点位移代入单元应力与单元位移的关系式就可以求得单元上的应力。

在计算机飞速发展的今天，出现了许多大型的面对对象的有限元软件包。

它根据不同的领域，不同的学科方面的不同需要，为研究人员提供了一系列的建模、计算、结果检查程序。

研究人员只需把研究对象的边界条件给出，程序便可计算相应的结果，并且其精度是相当可信的。

这就为研究人员大大节省了编程时间，从而大大提高了科研开发的效率。

3.2金属塑性成形有限元概述

金属材料非线性的本构关系可划分为四种类型：

弹-塑性；

刚-塑性；

刚-粘塑性；

弹-粘塑性，如图所示。

对于有限节点的运动，从物理上看，可采用三种描述和研究方法。

一种是把节点的运动和各物理量看成是Lagrange坐标Xi和时间t的函数，有限元网格随材料的变形而变化。

另一种方法是把物体节点的运动和各物理量看成是Euler坐标xi和时间t的函数，有限元网格不随材料的变形而变动，欧拉坐标在不同的时刻对应不同的节点。

还有一种是任意拉格朗日-欧拉（ArbitraryLagrange-Euler，简称ALE），最早是被由Nor和Hirt等人以混合Euler-Lagrange（CoupledEulerian-Lagrangian）描述的名称提出的。

在ALE法中，计算网格的部分是在参考构形中进行的，网格是独立于物体和空间运动的，即网格点可以随物体一起运动，也可以在空间中不动，甚至可以在一个方向上固定，而在另一个方向上随物体一起运动。

弹-（粘）塑性本构关系以Lagrange坐标为基础；

而刚-（粘）塑性本构关系是以Euler坐标系为基础。

在Euler坐标系中，运动平衡方程不满足质量守恒，而要认为体积不可压缩，则必须施加约束。

3.2.1弹（粘）塑性有限元法

弹塑性有限元最早是由Marcal和King于1967年提出的。

用弹塑性有限元法对金属成形进行模拟时，同