完整版毕设之二维金属切削过程计算机仿真说明书毕业设计论文.docx
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完整版毕设之二维金属切削过程计算机仿真说明书毕业设计论文
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二维金属切削过程计算机仿真
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（ee）
指导老师：
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[摘要]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。
金属切削是机械制造行业中的一类重要的加工手段。
金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，进行切削加工中工件和刀具的受力情况分析。
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，沿着前刀面流出形成切屑。
[关键字]:
有限元分析，ANSYS，二维金属切削
ComputerSimulationOfTwo-dimensionalMetal-cuttingProcess
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（ee）
Tutor:
ee
【Abstract】Becauseofthemetalcuttingitselfthispaper,finiteelementanalysis,materialdeformationelastic-plastictheoryandthebasicprinciplesofmetalcutting,theworkpiecematerialmodel,withlargecommercialfiniteelementanalysissoftwareANSYSfiniteelementmodelthroughtheinputmaterialproperties,imposeconstraintsandload,computing,simulationoforthogonalmetalcutting.Theconclusionthatthestresscloud,theforcesofmachiningtheworkpieceandtool.Metal-cuttingmachinerymanufacturingindustry,animportantclassofprocessingmeans.Asearlyasonetoolelasticdeformation,andthustheoccurrenceofplasticdeformation,resultinginstrainofthechip.
【Keywords】:
finiteelement,analysis,ANSYS,Two-dimensionalmetal-cutting
1绪论1
1.1研究的目的和意义1
1.2有限元模拟金属切削过程的国内外现状2
1.2.1国外研究现状2
1.2.2国内研究现状3
1.3二维金属切削过程有限元分析的发展现状4
1.3有限元研究的意义6
1.4金属切削存在的技术问题7
1.5ansys简介8
1.6本文研究的内容8
1.7本文研究路线9
2基本理论10
2.1.金属切削的相关历史10
2.2金属切削的基本理论11
2.2.1金属的晶格结构11
2.2.2塑性变形机理12
2.2.3金属切削过程的实质13
2.2.4金属切削一些相关知识14
2.3有限元的基本理论17
2.4本文中用到的有限元理论19
2.5切屑-基体分离处理20
2.6接触分析21
3二维金属切削计算机模拟过程22
3.1有限元模型的建立22
3.1.1设定作业名和标题22
3.1.2定义分析类型23
3.1.3定义单元类型23
3.1.4定义实常数24
3.1.5定义刀具和工件的材料属性24
3.1.6建立有限元并划分网格25
3.1.7定义节点耦合26
3.2定义接触27
3.3施加约束和载荷28
3.4求解28
4结果分析29
4.1应力场分析29
4.2应变场分析30
致谢32
参考文献33
1绪论
1.1研究的目的和意义
在机械制造的研究领域中，对金属切削过程的研究一直是国内外研究的热点和难点，因为在零件的切削加工过程中，刀具的磨损及机床的受力、受热均与金属切削过程的参数有关，同时金属切削过程中的切屑形成和剪切区应力场的变化也是一个非常复杂的过程，因此金属切削过程的研究在机械制造的研究领域中占有重要的地位[1]。
金属切削的科学研究是为揭示切削过程中的物理变化本质和规律，并有效地使用这些规律，提高切削效率和改善加工表面质量。
研究方法主要包括实验研究、理论分析和有限儿仿真等。
由于金属切削是一个十分复杂的非线性热力藕合过程，切削过程中的各种物理现象，如切削力、切削热、刀具磨损以及加工表面变质层等都以不同形式、不同程度影响加工过程，并且又相互交叉影响，利用理论分析和有限元仿真研究时必须作大量的简化假设，很难准确、全面地研究切削过程，而且，理论分析和有限儿仿真的最终结果都要依靠实验来验证。
因此，到目前为止，实验仍是研究金属切削机理的土要方法，现代金属切削研究相当大程度上仍是以实验研究为基础。
但是，随着新材料、新工艺的不断涌现，利用传统的解析方法，很难对切削机理进行定量的分析与研究。
企业切削加下操作人员往往都是利用试错法（Trial-and-errorMethod）来获得经验值，既费时费力，又增加了生产成本，阻碍了切削技术的发展。
同时山于实验方法本身固有的缺陷，很难得到切削过程中切削区的应变率分布、加工工件表面的温度场分布和加工工件表面的残余应力分布情况等。
计算机技术的飞速发展使得利用数值模拟方法来研究加工过程以及各种参数之间的关系成为可能。
它使用数学物理模型，利用相关理论，对所需功率、切削力、切削温度、应变、应变率、残余应力和切屑成形进行仿真。
在刀具设计、工艺选择、加工表面质量分析、可加工性估计和断屑研究中，这些计算模型一可以有效减少甚至消除反复实验次数，克服传统实验方法的费时、费力、费用昂贵等缺点，还可以从模拟结果中得出许多实验难以得到的材料力学特性和物理特性，如:
加工工件和切屑的温度场分布、应力分布、应变率分布和残余应力分布等，能较好地从理论上澄清金属切削过程的难点，对实际加工也具有很大的参考价值。
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，这种数值模拟方法具有实际应用价值，并且有很大的发展空间。
1.2有限元模拟金属切削过程的国内外现状
1.2.1国外研究现状
二十世纪七十年代初，美国伊利诺伊大学的Klameck[2]最早使用有限元模拟技术对金属切屑成形过程进行研究分析，通过实验验证了其模拟结果的正确性。
Doyle等人建立了一种新的有限元分析模型一粘弹性有限元分析模型，并把前刀面和切屑之间的摩擦以及刀背面和己加工表面间的摩擦都考虑到该新模型中。
到八十年代，Iwata等人利用刚塑性有限元法对金属切削过程进行了正交切削模拟分析，模拟结果得到了切屑、工件内部应力、应变的分布，由于模型中没有考虑到弹性变形，所以没有得到工件表面的残余应力.Strenkowski和Carroll[3]建立了新的切削分析模型一弹塑性有限元分析模型，采用物理准则（等效塑性应变）作为切屑分离准则。
并在分析中把刀具、工件和切屑之间的摩擦关系考虑到分析模型中，模拟得到了连续切屑成形过程和内部各变量的分布云图，模拟结果表明该物理准则在金属切削模拟分析中是有效的.进入九十年代，Moon和StrenkoWSki用Eular有限元法模拟分析金属切削过程，得到了连续带状切屑成形过程。
模拟得到了工件和刀具中的各种场变量分布云图（应力场、应变场和温度场分布等）。
Kamvopolns使用有限元分析软件ABAQUS建立了新的金属正交切削材料模型，通过在工件和切屑上预设分离线来实现切屑分离过程.模拟结果得到了切屑和刀具之间的摩擦应力以及刀具的磨损、积屑瘤情况，用弹塑性有限元模型模拟研究了摩擦系数对切屑厚度、刀一屑接触长度和各种场变量的影响变化规律.Sasahara和Obikawa等人在没有考虑切削温度和应变速率的情况下模拟了切削加工过程，用弹塑性有限元法模拟得到已加工表面的残余应力和应变分布，通过与实验结果比较，证明其模拟分析结果是比较可靠的。
LaysOlovssan等人采用任意的Lagrange-Euler方法建立了金属切削有限元模型，该方法能够有效的处理金属切削过程中的一些关键性问题，特别是对于网格畸变方面的处理。
进入二十一世纪以后，随着计算机软硬件技术的飞速发展和有限元理论的日趋完善，借助计算机进行有限元模拟分析的应用范围也是越来越广泛。
台湾科技大学的Zone-ChingLin'等人使用更新的Lagrange法来处理金属切削分析过程中的大变形问题。
对切削过程中的一些关键间题进行了分析和处理，把材料内部的流动应力看成是应变、应变率和温度的函数来反应真实的材料模型，并采用了几何准则和物理准则结合的判断准则来判断切屑分离。
通过数值模拟分析研究了切削过程的刀具、摩擦系数和温度等因素对已加工表面质量的影响.随后，Zone-ChingLin等人又建立另一种新的模型一弹塑性有限元分析模型，通过模拟分析结果讨论了工件、切屑和刀具中切削力和残余应力的分布规律，并对金属切削过程中的切屑成形机理进行深入的研究。
L.J.Xie等人对刀具的前、后刀面的磨损进行有限元模拟分析，并通过实验验证了模拟结果正确性。
Yung-ChangYen和AnuragJain等基于Lagran$ian有限元模型研究了刀尖半径对切能过程中的应力、应变和温度等变量的影响，并通过实验验证了模拟分析结果的正确性。
MartinBaker研究了平面正交切削模型中切屑形状，切削力与切削速度之间的关系，结果表面随着切削速度的增大，产生的切削热使材料软化，致使切削力会逐步减小;进入到高速切削时，就会产生锯齿状切屑.伊朗Amirkabir科技大学的R.JaliliSaffar等人基于Johnson-Cook原理建立了切削有限元分析模型，对切削力和刀具磨损等情况进行了深入的研究，并通过实验验证了模拟分析结果的正确性以及所建分析模型的合理性。
1.2.2国内研究现状
随着国外的有限元分析软件的引进以及国内专家学者对有限元理论和应用软件的研究，国内在金属切削理论和有限元模拟技术方面都有了快速地发展。
大连理工大学吴学松、刘培德[4]在Merchant力学模型的基础上，提出了一种新的金属切削模型，并给出了刀刃前区滑移线上正应力的计算方法和切屑弯曲半径计算公式，通过实验结果证明新切削模型的正确性，为实现模拟连续切削过程提供重要的理论基础。
合肥工业大学李德宝侧对金属平面正交切削过程进行了有限元模拟分析，并对加工过程中的工件表面硬化问题进行深入的研究和探讨，模拟分析得到加工表面硬化与切削速度、摩擦系数和刀具几何参数之间的关系.华南理工大学的唐春文使用Deform软件对金属切削过程进行了模拟分析，对切削过程中的切屑成形原理、材料非线性和几何非线等问题进行了深入的研究和讨论，模拟得到了切屑成形过程和切屑应力、应变分布场量图。
山东大学的赵军、孟辉等人选用物理准则Cockcroft&Latham断裂准则作为切屑分离准则，使用大型通用有限元分析软件模拟和研究了锯齿状切屑成形机理，应力、应变、和温度的分布情况。
唐志涛刘战强[5]等人Lxsl在有限元分析软件DEFORM--ZD中建立了Johnson-Cook切削模型，使用等效塑性应变作为切屑分离判断准则，模拟得到了工件和刀具内部各物理场量的分布情况。
通过对比分析，模拟结果与试验结果较为符合。
哈尔滨理工大学的盆洪民，刘献礼等人使用ABAQUS软件模拟分析了轴承钢}Cr15材料的金属切削过程。
北京航空航天大学的董兆伟、张以都等人通过对切削过程中的网格畸变重划分和切屑分离准则等关键性问题进行分析和处理，使用MSC.Marc非线性有限元分析软件对平面应变金属切削过程进行了数值模拟分析，有限元模拟分析得到了刀具进给量对工件表面残余应力影响规律。
浙江大学的成群林，柯映林等人采用Johnson-Caok（JC）材料模型对AISI5I4340材料的切削加工过程中切屑形成过程进行了有限元数值模拟分析，模拟分析得到了连续切屑和不连续切屑成形过程以及刀具几何参数对切削过程中应力、应力和切削力等场变量的影响。
吴加荣、徐佳奇基于ALE方法建立了切削分析模型，在通用有限元软件中模拟分析了不同的刀具进给量对切削力的影响规律，并通过试验验证了模拟结果的正确性。
昆明理工大学庞新福，杜茂华侧在有限元分析软件ABAQUS中结合材料的失效准则和单元网格死亡等理论对金属切削加工进行了弹塑性有限元模拟分析，在分析模型中建立了材料的剪切失效准则后使用单元删除技术来模拟切屑分离，数值模拟分析得到的金属内部变置（应力、应变、切削力）的分布情况符合切削理论中的结论。
1.3二维金属切削过程有限元分析的发展现状
1940年，最早研究金属切削机理的是Merchant,Piispanen,LeeandShaffer等人，他们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[6]。
从1960年以后,大量的学者开始将切削过程中的摩擦、高应变率、加工硬化和切削温度对工件加工精度的影响考虑到金属切削的模型进去，这样使得对金属切削仿真计算的结果与实际的测量数据更加接近，增进人们对金属切削机理的认识[7]。
近年来，有限元方法现已成为金属切削过程模拟的主要工具，与其他传统方法相比，它大大提高了金属切削仿真结果的准确性。
1980年，Lajczok建立了一个简化的正交切削模型，在不考虑切屑生成的条件下从实验中得到了切屑的几何形状和切削力.1982年,Usui,Shirakashi为了建立稳态的正交切削模型，第一次提出了刀面角、切屑几何形状和流动应力等，并且预测了工件中应力、应变和温度的分布[8]。
1984年，Iwata等人将工件的材料假定为刚塑性体，利用刚塑性有限元法模拟了在低切削速度、低应变率时的稳定正交切削过程。
但是，由于他们没有考虑到材料的弹塑性变形，所以没有计算出工件中残余应力的大小。
Strenkowski和Carroll等人则把工件材料假定为弹塑性体，刀具和切屑的接触面为绝热面，以等效塑性应变为切屑的分离准则分析了刀具、工件和切屑中温度、应力和应变的变化[9]。
他们发现切屑的分离准则临界值是随着切削深度的改变而改变的。
1990年，Strenkowski和Moon等人，用欧拉有限元法建立了金属的正交切削模型，忽略了工件的弹性变形，模拟了切屑形成,得到了工件、切屑和刀具中的温度场分布。
Usui等人首次将低碳钢的流动应力假设为应变、应变率和温度的函数，用有限元法模拟了连续切削中产生的积屑瘤，而且在刀具和切屑的接触面上采用库仑摩擦模型，利用正应力、摩擦应力和摩擦系数的关系模拟了整个切削过程。
Hashemi等人采用弹塑性材料的本构关系和应用临界等效塑性应变准则，模拟了金属切削的连续切屑和不连续切屑的形成过程。
Komvopoulos和Erpenbeck通过金属切削的正交解析法并在刀-屑的接触面上应用库仑摩擦定律，得到了刀具和切屑之间的法向力和摩擦力。
他们还建立了弹塑性金属切削模型，研究了刚质材料正交切削中刀具磨损、积屑瘤及工件中的残余应力等。
在超精密切削加工方面，有限元方法的引入也使得人们对微切削机理有了更深入的了解与认识。
1987年，Iwata等人使用超精密切削设备和金刚石刀具切削了无氧铜（OFHC），测量了切削力和工件中的温度值。
1989年，Moriwaki等人通过理论和实验分析了超精密切削中切削热对刀具和工件变形的影响，也分析了已加工表面的完整性，但是他们没有考虑工件已加工表面中的残余应力。
1991年，Lucca等人做了一系列切削实验，切削深度从0.025mm到15mm，他们采用无氧铜作为切削对象，研究了切屑形成，刀-屑间的滑动，刀具对工件的耕梨作用。
研究发现只有当切削深度在2mm以下时才应该考虑切削刃钝圆半径对耕梨力的影响作用。
1993年，Moriwaki等人利用刚-塑性有限元方法模拟了无氧铜的微切削过程，研究了刀具与工件中温度的分布情况。
近年来，台湾科技大学的Zone-ChinLin,Ship-PengLo等人研究了超精密切削过程中产生的切削热对切削力和工件变形的影响以及切削速度对切削力和残余应力的影响。
通过研究发现,在工件材料受力变形过程中，应变、应变率和温度对其材料流动应力的影响中，温度的影响是最大的。
切削过程中产生的大量的切削热可以使工件中的残余应力减小、工件已加工表面变形减小。
如果不考虑切削热的影响，则切削速度对工件的残余应力有较大的影响。
切削速度越大，则残余应力和工件表面的变形都增大。
KugWeonKim,WooYoungLee,Hyo-CholSin等人以无氧铜作为研究对象，采用有限元方法研究了超精密切削加工过程中刀具切削刃钝圆半径对切削热、工件残余应力和切削力的影响规律。
由于考虑了切削刃钝圆半径的影响，因而可以分析切削深度和切削刃钝圆半径尺寸在同一个数量级时的微量切削过程，这时就会产生尺寸效应（Sizeeffect），即此时会出现径向切削力大于主切削力的情况，这一点与普通切削不同。
1.3有限元研究的意义
计算机科学的飞速发展给金属塑性成形下业的发展一与进步提供了极好的机遇，工业生产对金属塑性成形过程仿真技术的需求越米越迫切;金属塑性成形过程的仿真技术目前己成为模具CAD、CAM、CAE技术的重要核心技术之一。
基于塑性有限元方法的数值模拟技术在工业生产中得到越来越广泛的应用。
仿真技术不仅能够及时地描述金属塑性成形过程，给出金属的塑性流动模式、各种物理场量的分布规律、详尽的塑性变形过程的力能参数，而且还能预测塑性成型过程的缺陷，优化塑性成型过程。
相比之下，其中的许多结果通过传统的近似方法是难以获得的。
进入20世纪90年代后，大量的高性能超级计算机投入下程应用，带来了计算机图形处理技术的飞速发展，使得CAD、CAM、CAE技术在各类工程问题中的应用中取得了巨大的成功。
尤其是计算机图形学与有限元法及成形工艺学的有机结合，开创了金属塑性成形过程仿真的新途径。
所谓成形过程仿真就是:
在计算机上对金属塑性过程进行实时跟踪描述，并应用计算机图形系统演示整个成形过程，从而揭示金属的流动规律、各种因素对变形行为的影响及成形过程中变形体各种力学场的分布。
目前，有限元仿真已成为虚拟制造技术的核心之一，也是新产品开发短周期、高质量、低成木日标的重要手段。
随着软件技术及硬件技术的发展，通用有限元软件的飞速发展，有限元方法在一切削加工模拟中得到了越来越广泛的应用，在研究金属切削工艺及切削机理等方面有着不可替代的地位。
近年来，有限元方法在切削工艺中的应用表明，切削工艺和切屑成形的有限元模拟对了解切削机理，提高切削质量非常有帮助，有限元法在切削加工领域已经有了不可替代的地位，且将有着很好的发展前景。
有限元法应用于切削加工领域己经有三十多年的历史了，发展到今人己经取得了一系列成就，由开始的简单二维直角切削模拟分析发展到了今天的三维直角切削、斜角切削，以及二维钻削有限元模拟计算等，简单的参数设置发展到多参数设置。
随着有限元技术的发展，有限儿模拟结果与实际加工情况越来越接近，误差越来越小，许多以前不能解决的问题通过有限元法得到了解决。
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下具。
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实际生产中，还需要对实际生产中影响切削加工的各个因素作进一步研究。
在实际切削过程中，例如车削、磨削和钻削等，是在三维变形域内进行的。
刀具和工件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，工件材料也是各向异性的，由于这些因素，切屑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，例如钻削的模拟是小能用一维模拟来实现的，必须建立三维模型，所以为了揭示切削机理，对切削加工进行二维模拟是很必要的。
目前大多切削模拟都停留在二维模拟上，随着计算机硬件性能的提高，切削的二维模拟将是今后发展的主要方向。
相对于切屑的形成，对于成形工件加工质量的研究较少，今后将会成为重点的研究方向。
其中包括:
与工件几何尺寸和精度密切相关的残余应力和残余应变的模拟、与工件表面粗糙度有关的毛刺形成的模拟、考虑工件加工中火具的模拟等。
工件切削加工中的毛刺形成和消除的模拟技术还不成熟，因为它涉及的因素较多，对成形工件的表面质量起着至关重要的作用。
目前关于这方面的研究刚刚起步，还没有详细的结果，今后需要加大这方面的研究力度。
切削加工是使工件不断分离出切屑的过程，目前关于切屑断裂和分离准则还不太成熟，每种分离准则都有不足的地方，形成后的切屑断裂准则也需要进一步研究，目前的模拟结果与实际情况还是有一定的差别。
今后需要加深这方面的研究力度，找出一种相对完善的断裂准则。
对于成形工件加工质量的研究较少，今后将成为重点的研究力一向。
1.4金属切削存在的技术问题
1.切屑一基体分离的问题。
切屑一基体能否正确分离关系到切削模拟分析过程切屑的成形机理，对于目前所使用的分离判断准则有几何准则和物理准则，几何准则模型虽然简单，但是很难找到一个统一的判断值，人们在使用过程中也只能凭借实践经验来选取;物理准则与实际切削加工过程相符合，但是在有限元模拟分析时，发现刀尖到达应该分离点时该点并没有分离。
2.缺乏专用的切削有限元分析软件。
目前求解金属切削问题的方法主要包括:
a.利用现有的大型有限元分析软件求解，其局限性在于受制于软件本身没有提供专门的切削分析模块，二次开发过程以及研究的内容依赖于具体的有限元软件，难度也是比较大的;
b.开发专业切削分析软件，主要问题是要建立金属切削过程的有限元分析模型，软件开发工作量很大.
1.5ansys简介
ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件口由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如ProEngineer,NASTRAN,Alogor,I-DEAS,AutoCAD等。
是现代产品设计中的高级GAE工具之一[10-12]。
ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。
因此它可应用于以下工业领域:
航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等口ANSYS软件提供的分析类型有结构静力分析、结构动力学分析、结构非线性分析、动力学分析、热分析、电磁场分析、流体动力学分析、声场分析、压电分析等9类，软件主要包括三个部分:
前处理模块，分析计算模块和后处理模块。
前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型。
ANSYS的前处理模块主要有两部分内容:
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