基于 ABAQUS 的切削残余应力仿真说明书
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基于 ABAQUS 的切削残余应力仿真说明书,基于,abaqus,切削,残余,残存,应力,仿真,说明书,仿单
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I基 于 ABAQUS 的 切 削 残 余 应 力 仿 真 摘 要切削是机械加工中应用最广泛的一种加工方式，而其加工过程中工件表面产 生的残余应力是影响加工件质量的重要因素。本文针对切削加工中工件表面产生 的残余应力进行研究。分析了切削加工过程中工件表面残余应力产生的原因及影响因素，根据切削 的加工的基本原理， 应用 ABAQUS 软件建立了切削的三维有限元仿真模型， 通过对 切削过程中材料变形与断裂关系的分析，选择了 JohnsonCook 本构模型，同时 完成了模型材料属性、网格划分、摩擦和边界条件等参数的设置，建立了与实际 切削过程比较相近的有限元仿真模型。对切削过程进行了有限元仿真，分析了切削过程中工件表面残余应力的分布 及变化规律；针对不同切削深度、不同切削速度时工件切削表面的残余应进行了 分析，获得了残余应力在各个方向的分布和变化规律，以及其沿着深度方向残余 应力的分布及变化规律。为有效控制切削工件表面及内部残余应力分布，提高工 件表面质量提供参考关键词：切削，残余应力，有限元分析，ABAQUSAbstractCutting is one of the most widely used machining methods in machining, and the residual stress generated on the surface of workpiece during machining is an important factor that affects the quality of machined parts. This paper studies the residual stress generated on the surface of the workpiece during cutting.The causes and influencing factors of surface residual stress in cutting process are analyzed. according to the basic principles of cutting, ABAQUS software is applied to establish a three-dimensional finite element simulation model of cutting. by analyzing the relationship between material deformation and fracture in cutting process, Johnson- cook constitutive model is selected, and parameters such as model material properties, mesh division, friction and boundary conditions are set up at the same time, and a finite element simulation model which is relatively similar to the actual cutting process is established.Finite element simulation of cutting process is carried out, and the distribution and change law of residual stress on the surface of workpiece during cutting process are analyzed. The residual stress on the cutting surface of the workpiece at different cutting depths and speeds should be analyzed, and the distribution and change law of residual stress in all directions, as well as the distribution and change law of residual stress along the depth direction are obtained. Provide reference for effectively controlling the distribution of residual stress on the surface and inside of the cutting workpiece and improving the surface quality of the workpiece.Keywords:Cutting， Residual stress， Finite element analysis， ABAQUSIII目 录摘 要 .IABSTRACT.II1 绪 论.11.1 背景意义 .11.2 金属切削加工概述 .11.3 有限元软件 ABAQUS 的概述 .21.4 本章小结 .32 切 削 残 余 应 力 的 产 生 .52.1 残余应力的定义 .52.2 残余应力的分类 .52.3 残余应力产生的机理 .52.3.1 机械应力引起的残余应力 .62.3.2 热应力引起的残余应力 .62.3.3 相变引起的残余应力 .62.4 本章小结 .63 切 削 过 程 仿 真 模 型 的 建 立 .83.1 几何模型 .83.1.1 材 料 本 构 模 型 .83.1.2 材料失效准则 .83.1.3 工件与刀具材料 .103.1.4 摩擦模型 .103.2 建立部件 .113.2.1 创建部件 .113.2.2 创建切削平面 .113.2.3 创建刀具模型 .113.3 网格划分 .123.3.1 工件网格划分 .123.3.2 刀具网格划分 .133.3.3 创建网格部件 .143.4 创建材料 .153.4.1 定义各零部件的材料参数 .153.4.2 设置截面属性 .163.4.3 赋予截面材质 .163.5 模型装配 .163.6 定义分析步和定义输出 .173.6.1 定义分析步 .173.6.2 定义输出项 .173.7 定义表面和接触 .183.7.1 定义接触面 .183.7.2 定义接触属性 .183.7.3 定义刀具的刚体约束 .193.8 定义边界条件和载荷 .193.8.1 定义约束边界条件 .193.8.2 创建温度预定义场 .203.9 提交作业并运行计算 .203.9.1 创建数据检查任务 .203.9.2 提交作业 .213.10 本章小结 .214 模 拟 结 果 分 析 .234.1 已加工表面残余应力的形成及分析 .234.2 加工参数对残余应力的影响 .234.2.1 切削速度对残余应力的影响 .234.2.2 切削深度对残余应力的影响 .264.3 本章小结 .295 结 论 与 展 望 .31参 考 文 献 ： .33致 谢 .35附 录 A RESIDUAL STRESSES.3711 绪 论1.1 背景意义从 18 世纪的工业革命开始之后， 由于 蒸汽机和现代机床的出现， 蒸汽机被用于切削加工的动力。 在 19 世纪， 切削加工开始使用电力。 金属切削原理和磨削原理在 19 世纪相继被研究。之后就出现了各种各样的新型材料。到了 19 世 纪末时， 高速钢刀具的切削速度已经是碳素工具钢与合金工具钢刀具的两倍多。 然而硬质合金刀具比高速钢的切削速度又提升了两倍，随后又出现了金属陶瓷 和超硬材料，再次提高了切削速度和加工精度。随着机床和刀具的发展，不断 对切削加工进行了各方面的提高，使得切削加工的应用范围日益增大，更深层 次的促进现代机械制造的完善、发展。由刀具对已加工表面的各种作用所造成的综合作用下，在加工过程中。刀 具前刀面和切屑间的作用及刀具后刀面和已加工表面间的摩擦等组合作用下， 塑 性 变 形 和 相 变 3在 一 定 深 度 会 出 现 。 这 个 区 域 会 约 束 变 形 的 部 分 向 原 始 状 态 恢复的过程。因此，残余应力就这样在工件表层内部产生了。这种应力与工件 加工精度有非常重要的关系。零件表面由机械和热应力及相变引起的残余应力被分为两种形式：残余拉 应力和残余压应力。 其中 ， 残余拉应力会降低零件疲劳强度使得零件表面裂纹 扩展速度加快，而残余压应力会使零件疲劳强度提高，降低了零件表面裂纹扩 展速率 4。 为 了 提 高 零 件 的 表 面 质 量 和 保 证 工 件 的 使 用 寿 命 ， 所 以 对 金 属 切 削 中已加工表面残余应力的产生及分布规律的研究是很重要的。本文中着重考虑 切削加工表面残余应力的研究， 这对于已加工表面的表面质量有着重要的意义。1.2 金属切削加工概述金属切削加工就是为了得到某些形状从而用工具对工件进行加工。当然， 该过程中要保证尺寸精度和表面质量。切削有三个必要的条件：工件和刀具要 有相对运动; 刀具材料一定要具备切削性能; 必须给予刀具适当的参数。金属 切削是由机床或者手工进行切削加工, 主要形式有车、镗、铣、磨、钻、刨、 齿轮加工、铰孔、锉、锯等等。虽然有非常多样的形式, 但是这些形式在许多 地方都具有相同的现象和规律。这些现象和规律会让学习各种方法变得更加的轻松。19 世纪人们开始了对金属切削原理的研究。 1851 年， 法国人 M. Kokkilara 在进行切割铸铁和其他材料时第一个测量了扭矩，并且说出了这个过程中要去 做哪些必要的工作。 在 1864 年， 法国人罗素第一个对切削刀具的几何参数进行了 研 究 。 到 了 1870 年 ， 俄 国 人 ， 季 梅 对 切 屑 形 成 的 过 程 进 行 了 解 释 ， 并 且 提 出了金属材料被切割的新概念。 直到 1896 年， 塑料变形的概念才被引入了金属切 削当中。 因此， 更加完善了对切屑的形成的解释。 1904 年， 英国人 J.F.尼科尔 森 发 明 了 第 一 台 三 向 测 力 仪 ， 使 切 削 力 的 水 平 向 前 迈 进 了 一 大 步 。 1907 年 ， 美 国 F.W. Taylor 就切削速度对刀具寿命的影响开始了研究，并且发表了非常有 名的泰勒公式。 在 1915 年， 俄罗斯 Usachov 将热电偶插入到切削边缘附近的小 孔中，测量工具表面的温度(通常称为人工热电偶法)，就这一理论运用大量的 实验来发现和验证温度与切削条件之间的关系。从 1924 年到 1926 年，英国的 赫伯特，美国的 H. Shore，以及德国 K. Kotvin，都使用该工具在工件之间自 然产生热电势(通常称为自然热电偶法)的原理，独立地测量了平均温度 1。从 1938 年到 1940 年， 美国的 H. Ernst 和 M.E. McCutchen 对切屑的形成过 程进行了高速显微镜下的拍摄，从而找到并对间歇式切屑和连续切屑的形成机 制进行了解释，其主要是摩擦造成的。自 20 世纪 40 年代以来，各国学者对前 人的研究成果进行了系统的总结和发展，充分利用了现代技术和先进的检测手 段，取得了许多新的成果，出版了大量的论文和专著。例如，美国的 S. Lamaringam 和 J.T. Blake 利用 SEM 在 1972 年使用微切割设备观察切屑的形成， 并获得了用位错力学解释切屑形成的实验基础 1。金属切削加工仍然会是第二十一世纪机械制造的主要处理方法, 以及当代 许多领域都对精密零件提出了较高的要求。金属切削是一种高温、高压、高应 变率的复杂工艺, 在加工表面具有较大的残余应力 2。对于残余拉应力而言主 要会产生不好的影响，降低零件的疲劳强度，从而导致零件表面出现微裂纹， 这样就会降低零件的使用寿命；而残余压应力也有其造成不好影响的一面。所 以，使得其加工过程变得难以用解析法分析。1.3 有限元软件 ABAQUS 的概述ABAQUS 有限元软件的研发, 被公认为世界上最强大的之一, 其中一个非 线性有限元软件可以分析各种机械系统, 特别是处理复杂的力学和模拟高度非 线性问题。 ABAQUS 的建模能力非常厉害还有其丰富多样的库, 可以对任何形状 进行模拟分析。而且 ABAQUS 还有许多材料库, 可以对大多数材料的性能进行3模拟, 此外还有其他的优点, 首先, 其强大的网格细分能力可以从复杂模型的 角度分裂成超单元, 然后可以进一步划分为理想的六面体。其次, 其强大的二 次开发能力与 47 位用户界面联系 , 可以根据需要编写任何合适的用户单元等, 也可以实现参数化建模。 最后, ABAQUS 还提供了一个非常庞大的模型库 , 如实 壳单元、体单元、梁单元、刚性单元和弹簧单元等。ABAQUS 有两个主要的分析模块 ABAQUS /Viewer 和 ABAQUS /CAE。在众多的 分析模块中， 常用的模块只有 ABAQUS / CAE 和 ABAQUS / Viewer。 前者是 ABAQUS 的工作环境的融合，包含建模，互动模式、提交作业和监控操作过程及结果评 价功能，而 ABAQUS / CAE 则是一个子模块，包含整个模型的所有后处理功能。ABAQUS/CAE 是 ABAQUS 交互式的一个图形环境。对一个模型的分析过程大 致是：首先通过建模功能本身或由其他 CAD 软件导入要分析的几何模型，并对 其划分网格，定义模型的材料特性参数，然后根据要求添加载荷和创建边界条 件。ABAQUS 具有强大的网格划分功能， 而且可以检验生成的几何模型网格的正 确与否。生成模型后，然后就可以提交作业，并对其进行监控和分析，根据自 己的需要对其设置就可以得到想要的结果。随着计算机技术的飞速发展，仿真软件可以通过有限元模拟软件模拟。要 实现最终的载体是通过有限元分析软件技术集成的有限元分析，在众多的有限 元分析软件中， ABAQUS 非线性分析以其强大的功能和强大的建模功能赢得了广 大企业、科技科学研究机构和高等院校喜爱，逐渐成为软件工程的第一选择。 现在 ABAQUS 已经在众多的领域被广泛应用。1.4 本章小结本章节主要介绍了金属切削加工的原理及发展，讲述了切削加工的重要性 及切削件表面残余应力对加工件表面质量的影响。还介绍了本文所用有限元软 件 ABAQUS，该软件由美国 ABAQUS 公司研制开发，描述了该软件的各种功能、 应用及发展。2 切 削 残 余 应 力 的 产 生2.1 残余应力的定义残余应力就是在没有外力作用下，物体内部自己保持平衡的应力。残余应 力有两种形式，分为残余拉应力和残余压应力。为了使物体表面残余应力得到 平衡，定义了物体表面的残余应力和内部残余应力的符号正好相反。2.2 残余应力的分类残余应力根据其影响程度可以分为宏观应力和微观应力。 在 19 世纪， 宏观 应力被叫做第一类残余应力；而微观应力则被叫做第二类和第三类残余应力。 第一类残余应力是在比较大的范围内或者在材料内部晶粒的范围内可以保持平 衡的，大小和方向都可以用机械和物理方法进行检测。第一类残余应力对加工 的工件影响较大，该工件的性能能否达到要求以及是否合格都会受到影响。因 此，在实际的生产中被研究的残余应力一般指第一类残余应力。这样就可以根 据加工的需求来改变，从而让残余应力更多的偏向有利的方面。残余应力由其产生的原因，可以分为体积应力和结构应力。物体由于受到 外部不均匀的机械作用、热或者化学作用产生的应力就是体积应力。内部组织 结构均匀的物体也会产生这种残余应力。当物体内部的组织结构不均匀时所产 生的应力叫做结构应力，当然就算是外部受到均匀的作用也可能出现这种残余 应力。根据表现的形式可以把残余应力分为拉应力和压应力。工件在运行时突然 受到来自外部的载荷时，工件承受的实际载荷就是外部载荷和内部的残余应力 之和。这样的话就会影响工件的实际承载能力，在使用过程中会造成过载断裂 等情况，这样的突然失效如果是发生在某些非常重要的部件就会带来严重的后 果。此外，残余拉应力会使零件表面裂纹的生成和扩展速率增快，降低零件的 抗疲劳强度、耐腐蚀性和尺寸稳定性等。而残余压应力在一定程度上则会提高 零件的抗疲劳强度和耐腐蚀性能。2.3 残余应力产生的机理5要分析残余应力产生的机理，在理论上来说定量分析还是有困难，所以只 好对其进行定性分析。造成切削过程中产生残余应力的关键：主要是由机械和 热应力所引起的塑性变形。2.3.1 机 械 应 力 引 起 的 残 余 应 力刀具在切削工件材料的过程中， 与前刀面接触的区域会产生压缩塑性变形， 而与后刀面接触的区域则会产生拉伸塑性变形。所以，这样就会造成在刀具运 动方向形成残余拉应
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