基于ABAQUS的切削过程刀具磨损仿真

I基于 ABAQUS 的切削过程刀具磨损仿真摘要切削是机械加工中应用最广泛的一种加工方式，而其加工过程中刀具的磨损状态是影响加工件质量的重要因素。本文针对切削加工中刀具的磨损状态和寿命进行仿真实验进行研究。分析了切削加工过程中刀具磨损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，分析了切削过程中刀具磨损的分布及变化规律；针对不同切削深度、不同切削速度时刀具磨损程度进行了分析，获得了刀具所受应力在各个方向的分布和变化规律。为有效控制切削工件表面及刀具应力分布，提高工件表面质量提供参考。关键词：有限元；磨损；ABAQUSIIAbstractMachining is the most widely used machining method in machining, and the wear state of the tool in the machining process is an important factor affecting the quality of the workpiece. In this paper, the simulation of the wear state and life of the cutting tool is studied.The causes of tool wear and its influencing factors in the cutting process were analyzed. According to the basic principle of machining, a three-dimensional finite element simulation model of cutting was established using ABAQUS software. Through the analysis of the relationship between the material deformation and fracture in the cutting process, it was selected. The Johnson-Cook constitutive model was used to complete the setting of parameters such as model material properties, mesh division, friction and boundary conditions, and a finite element simulation model similar to the actual cutting process was established.The finite element simulation was performed on the cutting process. The distribution and variation of tool wear in the cutting process were analyzed. The tool wear degree was analyzed for different cutting depths and different cutting speeds, and the distribution of the stress on the tool in all directions was obtained. The law of change. Provides reference for effective control of cutting surface and tool stress distribution, and improving the surface quality of the workpiece.IIIKeywords: finite element; wear; ABAQUSIII目录摘要 .IAbstract.II1 绪论 .11.1 背景和意义 .11.2 切削加工技术的发展 .11.2.1 古代切削加工的发展 .11.2.2 近代的切削加工 .21.2.3 工件与刀具的交替发展及其动力 .31.3 刀具磨损理论 .31.4 本章小结 .42 切削过程有限元模型的建立 .52.1 工件和刀具的基本设置与装配 .52.1.1 创建工件模型 .52.1.2 创建切削平面 .52.1.3 创建刀具模型 .62.1.4 创建动力块模型 .62.1.5 装配 .72.2 工件和刀具对应参数的设置 .82.2.1 工件的材料与参数设定 .82.2.2 刀具的材料与参数设定 .122.3 定义分析步的主要步骤 .122.3.1 创建分析步 .122.3.1 创建场输出 .142.4 编辑相互作用 .152.5 创建载荷相关属性 .152.6 编辑提交作业并运行计算 .172.7 本章小结 .183 加工件的切削及其加工过程的仿真与分析 .21IV3.1 加工件的切削参数 .213.2 模拟结果仿真与分析 .223.2.1 从 X 方向分析刀具应力 .233.2.2 从 Y 方向分析刀具应力 .233.2.3 从 Z 方向分析刀具应力 .243.3 本章小结 .254 切削过程中刀具受力情况进行分析 .274.1 刀具受力计算 .274.2 刀具变形分析 .284.3 本章小结 .285 结论与展望 .295.1 结论 .295.1.1 切削参数对刀具磨损的影响 .295.1.2 刀具后角对刀具磨损的影响 .305.2 展望 .30参考文献 .33致谢 .35附录 A .3711 绪论1.1 背景和意义美国 ABAQUS 公司研制开发的一款功能非常强大的非线性有限元软件就是ABAQUS 软件，能够分析各种力学系统、处理十分复杂的力学问题以及模拟高度等非线性问题。直到 20 世纪 70 年代的时候，有限元分析法被应用到了传统的切削加工过程中，不过该方法能够有效提高分析的精度，刀具在切除工件多余材料的同时，其本身也会产生磨损的情况。当磨损达到一定的程度时，刀具便会报废。刀具的磨损不仅与切削参数有一定的关系，并且与刀具与工件的化学成分、物理性能有关。在 ABAQUS 中建模成功后，就可以提交、监控作业，最终得到结果。另外，刀具磨损的有限元预测需要有一个稳定的温度场以及刀具单元及节点的调整。通过调整传热系数 h，获取了较好的刀具温度场分布，预测了刀具前、后刀面的磨损情况。现有磨损模型可磨损模型分为两个类型：第一种是切削参数、刀具寿命型，第二个是切割过程中的变量通常是基于一个或若干磨损机制。这个模型是无力的。一方面，磨损现象被建模成为不连续的现象的时间而不是真实的情况。而另一方面，它是在实施的限制磨损机理，即磨损问题降低到 1 或 2 的磨损机制。21 世纪以来，随着科学技术以及经济不断发展，人们对于刀具切削过程磨损仿真始终没有停止，国内专家学者也开始了这方面的研究。本次的研究内容是学习 ABAQUS 仿真软件，利用所学理论和专业知识，根据切削过程，建立切削有限元仿真模型，再设定一些基本的参数使得模型能够刚好运用于软件中，利用有限元软件对刀具切削加工过程进行模拟，并对得到的结果进行研究分析。通过对切削加工过程进行有限元仿真，能很好的分析切削速度、切削温度、切削应力以及切削力的影响，从而对切削过程中刀具的磨损过程进行仿真。21.2 切削加工技术的发展1.2.1 古代切削加工的发展切削加工被公认为是机械加工中的一个重要方法，其主要任务就是利用刀具来切除被加工对象（如工件）上的多余材料，从而得到形状、精度以及表面质量都十分符合要求的表面材料。在当时中国古代切削加工、原始带刃工具和兵器都具有世界领先地位，随后发展演变成了现代的金属切削加工技术。从切削加工和金属切削加工上来说，我国的历史非常悠久。距今约 170 万年前的旧石器时代，云南元谋猿人已经开始使用石砍砸器了。约 50 到 60 万年前的北京猿人，就已经发明制造出了各种各样带刃的石器，如砍砸器、刮削器和尖状器。尽管古老的工具十分粗糙，但是它们奠定了人为加工的基础，同时这些古老的工具也是研究切削加工起源发展的历史资料。在那个时期，人类可以根据不同的具体需要制造出不同用途的工具比如切削刀具。原始的切削加工过程已经具备三个基本要素：刀具、被加工对象还有切削运动。刀具和切削加工的发明在人类历史上扮演着浓墨重彩的角色。历史学家认为，发现并应用刀和火可以说是人类最伟大的两项发明，也是人类登上历史舞台的一个重要标志。在春秋战国初期，我国就发明了生铁铸造的技术，至少比西欧早 1800 年。另外渗碳、淬火以及炼钢技术的发明，为制造坚硬锋利的工具打下了坚实的基础。后来又出现了铁制工具，它使切削加工进入了一个新的时期。在这个时期中出土的切削工具都比较精致一些，很多青铜器上都出现了用金属刻缕的纹饰以及钻孔的痕迹。到了春秋中晚期，有手工工作者写了一部考工记 ，它是我国现存的最早的工程技术著作。在这一时期，人们已经能比较熟练地掌握多种加工方法，并且包括一部分切削加工 5。1.2.2 近代的切削加工在公元 17501900 年这段时期内，发展最迅速的行业当属机械工程，机械工程是由别的学科工程中分离出来的一个独立的学科工程。当然，切削加工在这段时间内也发展迅猛。机械工程以及切削加工的发展历史，是跟英国的工业革命密3不可分的。在当时来说，蒸汽机的出现促进了社会的经济发展，纺织业、采矿业以及军工业的兴起，使得对加工技术方面提出了更高的要求。必须解决相对应的加工技术，才能实现新产品的发明设计。机械制造业技术不断提高以满足社会的发展需要。在 1776 年，瓦特发明出第一台蒸汽机，他当时遇到的最大困难就是气缸的镗孔加工。由于当时的加工方法十分的落后，气缸与活塞之间的空隙又很大，出现了漏气的问题，即使在空隙处填满了布、皮革或者油脂也无济于事。幸运的是铁器制造商威尔金森及时帮助瓦特解决了这个漏气严重的问题。为了实现机械产品的发明和设计，需要不断地提高工艺加工水平和制造加工技术。金属的切削加工工艺十分复杂，它涉及到的领域十分广泛，比如断裂力学、热力学以及固体力学。所以如果想要提高零件的加工质量、降低生产成本和提高加工效率，就需要研究金属的切削加工过程。并且一直以来，表面外部加工效应，如表面粗糙度认为是评价工件表面加工质量的重要依据。表面粗糙度对于刀具的寿命有着很大的影响，所以要研究多种因素在切削过程中产生的多种影响。1.2.3 工件与刀具的交替发展及其动力在切削加工的这个过程中，刀具与工件既对立又统一。当其中一方有了进展或者提出了新的问题的时候，会推动另外一方的前进和发展。只要刀具性能提高了，就会反过来推动工件更快发展，然后工件又会推动刀具继续前进。如此循环往复，就是刀具和工件的对立统一关系。高速钢刚发明出来时，对于当时加工的需要，刀具材料大体上是符合要求的。然而，进入 20 世纪以后，各种合金钢和铸铁作为主要的工件材料，其机械性能日益提高。尤其是进入 20 世纪中叶以来，出现了各种高强度钢、高锰钢、不锈钢、高硬耐磨铸铁、高温合金、钛合金，以及各种非金属材料，然而高速钢刀具加工这些材料时效率非常低。这样，就需要改变高速钢的化学成分，改进它的热处理方法，并提高它的切削性能。比如硬质合金的硬度十分高，它可以加工高速钢所不能加工的材料。但是，硬质合金的脆性又很大可加工性又差，所以硬质合金只能在部分加工范围内来代替高速钢使用。后来，市面上随之又出现了陶瓷、立方氮化硼、人造金刚石等更先进的刀具材料，并且这些刀具材料的硬度、刚性和耐磨性都超过了硬质合金。然而，这些新刀具材料脆性都比较大，并且价格昂贵。新刀具材料对于加工情况不适应也就使得新材料不是那么普遍的被应用。目4前的情况就是切削加工行业仍处于大量使用高速钢与硬质合金的时代。而在 19世纪到 20 世纪初，想要加工这些材料是根本不可能做到的。我们了解刀具材料的发展历史可以预测更难加工的工件材料以后还会不会出现，并对刀具提出更高的要求以至于再出现更为优质的刀具材料。刀具对于被加工工件从适应到不适应，再从不适应到适应，这样交替发展，就会不断推动切削加工技术向前发展，这就是切削加工的历史规律 8。1.3 刀具磨损理论刀具磨损则是切削加工中最基本的问题之一。只要深入了解刀具磨损，就可以帮助用户延长刀具的寿命。刀具磨损传统意义上可分为磨粒磨损、扩散磨损、氧化磨损、疲劳磨损和粘结磨损。刀具磨损机理指的是在金属切削加工过程中，能量的表现形式为产生的热量和摩擦。刀具因为很高的表面负荷和切屑沿刀具前刀面高速滑移而产生的热量和摩擦处于一种极具挑战性和极危险的加工环境中。此时切削力的大小通常会发生上下波动，主要取决于不同的加工条件(如工件材料中存在硬质成分，或进行断续切削)。所以，为了在切削的高温情况下保持它的强度，就要求刀具应该具有一些基本的特性，包括极好的韧性、良好的耐磨性以及较高的硬度。刀具