（机械制造及其自动化专业论文）二维金属切削过程计算机仿真及刀具几何参数优化.pdf

二维金属切削过程计算机仿真及刀具几何参数优化 摘要 本文在虚拟设计思想的指导下，将自由直角切削的切削过程( 从刀具 与工件刚刚接触到剪切角形成) ，通过数值仿真技术，基于国际通用大型有 限元软件a n s y s 平台之上的，精确而生动地模拟出来。并在此基础上分析 了金属切削过程中剪切区的形成过程，应力和应变场的变化过程，从而得 出刀具本身在切削过程中所受接触载荷的分布情况，并依此对刀具的应力 分布进行了研究。借助于这一虚拟设计方法，通过改变刀具几何参数进行 了一系列的仿真实验，实现了对刀具几何参数的优化及其它方面的研究， 并以我校研制的纳米t i n 、a i n 改陛t i c 基金属陶瓷刀具为研究对象，重点 研究了该刀具的几何参数优化问题。 i4 - ，4 - 、， i 、一一j 关键词：金属切削数值仿真有限元虚拟设计 c o m p u t e rs i m u l a t i o no ft h ep r o c e s so ft w o d i m e n s i o n m e t a lc u t t i n ga n dt h eo p t i m i z a t i o no ft h eg e o m e t r y p a r a m e t e ro fc u t t i n gt o o l a b s t r a c t t h e p a p e r b a s e do nt h ei d e ao ft h ev i r t u a ld e s i g n ， s i m u l a t e dt h ep r o c e s so ft h eo r t h o d o x ym e t a lc u t t i n gt h r o u g h t h et e c h n o l o g yo fn u m b e ri m i t a t i o nw h i c hb a s e do nt h eg e n e r a l i n t e r n 8 t i o n a ll a r g es o f t w a r ea n s y sp r e c i s e l ya n dv i v i d l y w i t h t h i sm e t h o d ，t h i sp a p e ra n a l y s i s e dt h ef o r mo ft h es h e a r i n g a r e aa n dt h ec h a n g ep r o c e s so ft h es t r e s sa n ds t r a i n ，a n d a c q u i r e dt h ed i s t r i b u t i o no ft h ec o n t a c tl o a do ft h ec u t t i n g t o o lw i t hw h i c hw es t u d i e dt h ed i s t r i b u t i o no ft h es t r e s so f t h ec u t t i n gt 0 0 1 w ec a r r i e dt h r o u g hs o m ei m i t a t i o nt e s t sw i t h t h ev a r y i n gp a r a m e t e r so ft h ec u t t i n gt o o l ，t h r o u g hw h i c hw e o p t i m i z e dt h eg e o m e t r yp a r a m e t e ro fc u t t i n gt o o la n dc a r r i e d o u ts o m es t u d i e so fo t h e rr e s p e c t s t h r o u g ht h i sw a yo ft h e v i r t u a ld e s i g n ，w es t u d i e dt h ec u t t i n gt o o lo ft h en a n o t i n m o d i f i e dc e r m e t sm a t e r i a lw h i c hw a sm a n u f a c t u r e db yt h eh e f e i u n i v e r s i t y o f t e c h n o l o g y ，w i t h t h e p r o b l e m o f g e o m e t r y p a r a m e t e ro fc u r t i n gt o o l a st h ee m p h a s e s k e y w o r d s ：m e t a lc u t t i n g n u m b e ri m i t a t i o n f e mv i r t u a ld e s i g n 致谢 作者衷心地感谢尊敬的导师谢峰副教授，感谢他把我引入这一领域，感谢他 在作者论文工作的每一个阶段所给予的关键性的、启发性的和鼓励性的指导。他 渊博的学识、严谨的治学态度时刻都鞭策着我永远奋发向上，我所取得的每一点 成绩都是和谢老师的辛勤工作分不开的。值此论文完成之际，谨向谢老师表示最 诚挚的谢意和最崇高的敬意j 这里，我还要向我最尊敬的张崇高教授表示由衷的感谢，感谢她在我读研期 间和论文完成过程中所给予的无私的关心和指导，她渊博的知识、严谨的学风、 豁达的人格魅力以及卓有成效的研究方法和对事业的献身精神将永远铭刻在我的 心中，再次向尊敬的张老师表示最由衷的感谢! 感谢沈维蕾老师、机械与汽车学院实验中心杨海东老师对我的热情支持和帮 助，同时感谢所有帮助过我的老师和同学! 感谢我的爱人王玉梅，感谢她对我的支持和鼓励，尤其感谢她在我的论文录 入方面给予的帮助f 深深感谢我的父母，感谢他们对我学业的关怀、支持和无私的帮助! 赵吉文 2 0 0 2 年2 月1 日 符号清单 a c切削厚度 a 0后角 a c h切屑厚度 b ，。前刀面负倒棱宽度 de 。应变增量 dx列维米塞斯理论比例系数 d l - t 。虚位移 d w虚功 f 。( 国际为f f ) 进给力 f 。 ( 国际为f p ) 背向力 f ：( 国际为f 。) 切削力 f进给力 l n粘接区长度 1 f 2滑动区长度 l f刀具与切屑接触区长度 v切削速度 b摩擦角 y 。前角 e 剪应变 e 。e ，e 。直角坐标系的正应变分量 e ，直角坐标系应变张量 e 。平均正应变 e 。应变偏量 手等效应变 万等效应力 x 常数 6 伸长率 。 主应力 0 。平均正应力 0 。抗拉强度 0 。屈服强度 0 ，o ，0 ；直角坐标系正应力分量 o ，。应力偏量分量 o 02o 。第1 、2 、3 主应力 o 。八面体应力 一 剪应力 r ：屈服剪应力 - ，t ，。t ：。直角坐标系剪应力分量 t ，剪应力张量 t 。一。t 。第l 、2 、3 主剪应力 t 。八面体剪应力 。 剪切角 e变形系数 h b s布氏硬度 h r v洛氏硬度 p摩擦系数 v p o is s o n 比 h 。( u 。u ，) 位移矢量，沿坐标轴的 分量为l - t ，v ， y ，( 1 = x ，y ，z ) 剪应变 7 1 ，边界面上作用的外力 厶边界面法线的方向余弦 g刚性剪切模量 e弹性模量 口，克氏符号，单位球张量 s瞬时流动应力 p载荷 f 试样瞬时断面积 形函数 d ，弹性刚度矩阵 a 单元面积 t 单元厚度 k ， 。单元刚度矩阵 d 。塑性刚度矩阵 盯：，矿：盯，仃，的偏量 插图清单 图1 1 有限元分析流程图o 图2 1a n s y s 用户界面o 图2 2a n s y s 程序的集中式数据库系统结构9 图3 1 金属切削过程中的滑移线和流线示意图一11 图3 2 前后刀面主应力、剪应力分布 图3 3 两种屈服准则屈服轨迹比较引 图3 4 等向强化轨迹图缎 图3 5 随动强化轨迹图z o 图3 6 四边形单元示意图趵 图3 7 切削过程计算流程图3 2 图4 1 工件材料的应力一应变曲线 图4 2 自由直角切削有限元模型蹦 图4 3 切削过程各时步的应力分布图4 1 图4 4 切削过程各时步的应变分布图4 3 图4 5 切屑形成过程框图4 3 图4 6 网格变形图们 图4 7 盯，在刀具接触区内的分布4 b 图4 8f 。在刀具接触区内的分布4 5 图4 9 盯，盯，和o r ，在刀具接触区内的分布4 5 图4 1 0 静水压力p 在刀具接触区内的分布4 6 图4 1l 负前角有效应力4 b 图4 1 2 刀具的有效应力分布云图4 7 图4 1 3 前刀面上各节点的有效应力值得应力列表4 + 7 图4 1 4 刀具前刀面上各点的有效应力与其距刀尖距离的关系4 8 图4 1 5 加工黄铜时前刀面的接触负载4 8 图4 1 6 平面切削模型4 9 图4 1 7 切削力形成示意图4 9 图4 1 8 切削合力与分力4 9 图4 1 9 有限元仿真主切削力变化曲线5 0 图4 2 0 测力装置连接图5 1 图4 2 l 实验所得主切削力变化曲线5 1 图5 1l e ea n ds h a f f e r 剪切角理论5 2 图5 2 有限元法剪切角的测量图5 3 图5 3 冲击式快速落刀装置5 4 图5 4 切屑根部的镶嵌5 4 图5 5 剪切角测量示意图5 5 图5 6 实验剪切角测量图5 6 图6 1 切削刃处的倒棱5 9 图6 2 带倒棱刀具切削变形图6 0 图6 3 带倒棱刀具有效应力图6 0 图6 4 带倒棱的刀具切削根部照片6 0 图6 5 银白切屑的形成6 0 表格清单 表5 - l 有限元分析前角与剪切角变化关系5 3 衾5 - 2 实验所得前角与剪切角变化关系5 5 衾6 1 前角与最大有效应力变化关系列表5 9 第一章绪论 1 1 乃是研制方法的璐状与发展 机械毒4 造业在整个豳民经滂中占套十分重要驰地位，恧在机械卷4 造业中金属 切肖叻目工起着拳足轻重的作月。“工欲其事，必先利其器”，工具敷设计，制造瓤 使用自古以来就很受重视，这里我们所说的工具，不仅仅指进行机械加工的机廉， 我们受关心的是直接进行切潮加工的刀具。当然刀具技术的发展和机床的发展是 相辅稍承的。 刀具技术的发展离不开人们对于金属切削梳理的认识的加深。从7 0 年代以 来，人们对于金属切削的研究巴从宏观观察，进入微观的定性、定量分析研究， 从单项因素的研究进入到多项因素综合研究，从静态研究进入动态研究。其研究 方法多是依靠器静动态测力仪、光测弹性应变仪、红鲤测濑技术、离速摄影机等 设备和快速落刀技术等技术的迸一步完善和器i 中样馋制备技术的发明和改进，如 超薄切片技术，离子轰击减薄技术，复旗技术、复黧技术等。这些都推动了人嚣】 对叨削梳理的研究。 同时为了满足数控槐寐自动控制的要求，梳械加工对刀其的寿命及其可靠性 要求愈来愈离，因此对于工件材料的可切女性、刀具材料的稳定性以及切削力、 切削漫度、振动等方露的研究愈来愈弓 起人们的重视。 近年来，隧蓑数控机床和加工中心的应用f 蘸广泛，相应地对刀具技术也提 出了新的要求，刀具作为一种产品，其市场游力很大，如何快速、可靠地研制蛙j 高性能、适合不同机床使用的刀其产品，对于从事刀具研制开发的人们提出了挑 战。阉时，一些难加工材料的工业应用，也摇动了刀具材料的不断更新，促进了 刀具技术的发展。但传统的刀其技术是：从材料制备，捌刀县结构设计，刀具成 形，褥到切削试验，然霜进行刀具结构和凡何参数优化，最后形成一个成熟的刀 具产品，其中要经绣一个相当复杂雨漫长的过程，并置要花费很多入力和物力。 因此，如 可缩短刀具的研铡周期，快捷地设计出结构合理的刀具凡何参数，是摆 在人们甄前急待要解决的间题。 计算机技术是当代发展最迅速的一门学科，出于它和现代数学、力学及新鹘 计算方法的结合，出现了一门广泛吸收现代数学、力学等学科的理论基础，并借 助于计算机技术而发展起来的门新型的学科数值模拟技术。通过这项技 术，可对许多工程中的实际阀题进行数值仿真，从而加快了设计的速度，提赢了 设计的霹靠性。这项技术工程上也称之为寝拟技术。近年来，该技术在工程中的 许多领域譬导到了广泛应用靼推广，是现代工程学形成和发展的重要推动力。当然， 近年来这一技术在刀具研究领域也 导到了广泛关注，为刀具技术的发展提供了很 大的帮助。应用这技术可以实现刀具硪制的各项环节的虚拟化，如：刀具材料 组份配方数值仿真、刀具切削性能参数的优化等。正是基于这一思路，并通过这 项技术，本课题对二维金属切削过程和切削机理进行了一些初步探索，并对这一 研究方法的应用进行了一些尝试。 1 2 虚拟设计方法在刀具研制中的发展状况 1 2 1 虚拟设计方法的产生和发展 传统的机械工程的分析与计算多沿用材料力学，理论力学和弹性力学中的 公式来进行，而这些公式由于有较多的简化条件，因而计算精度很低。另外，从 产品的设计到样机，再经反复改进，最后到批量生产往往要经历一个很长的过程， 不论是从时间上考虑还是从经济性上考虑与现代产品的高效、高速、高精度、低 成本、节省资源、高性能等方面都是不相适应的，传统的计算分析、生产等方式 等已远远不能满足要求。 1 ) 数值模拟技术和数值模拟方法 数值模拟技术是将计算机技术和现代数学、力学的发展成果及新的计算方 法结合起来，而发展起来的一门新兴技术。采用数值模拟方法，在进行复杂工程 分析时无须作很多简化，同时借助于计算机的高速运算和处理功能来获得满足工 程要求的数值解。近年来，该技术不断发展，它不但可以对复杂工程进行分析、 计算而且可以模拟产品从设计到生产的整个过程，不仅大大节省了时间，而且避 免了样机生产等一些昂贵的开支。 数值模拟技术的发展，离不开不断发展的数值模拟方法，工程投术中常用的 数值模拟方法有：有限元法、边界元法、离散单元法和有限差分法，但就其实用 性和应用的广泛性而言，有限元法是最常用的，它广泛应用于弹性力学、塑性力 学、断裂力学、流体力学、热传导、电磁场等领域。早在4 0 年代初期，就有人 提出了有限元的思想，但由于计算问题，它并没有受到人们的重视。6 0 年代以 来，随着计算机的问世及发展，有限元法在工程中的各个领域中不断得到深入应 用，是对机械产品进行动力学、静力学、热特征等方面分析的重要手段。 2 ) 有限元法的基本思想及其应用 有限元的基本思想是：将结构离散化，用有限个容易分析的单元来表示， 单元之间通过有限个节点相互连接，然后根据变形协调条件综合求解。由于单元 的数目是有限的，节点的数目也是有限的，所以称之为有限元法，这种方法的优 点在于，只要改变单元的数目，就可以使解的精确度改变，得到与真实情况无限 接近的解，单元划分的疏密直接决定着计算结果的精确与否。 近年来，有限元法的应用已由原来单纯的弹性力学平面问题扩展到空间问 题，板壳问题，由静力学平衡问题扩展到了稳定性问题，动力学问题和波动问题， 分析的对象从弹性材料扩展到塑性粘弹性、粘塑性和复合材料等，从固体力学扩 2 题，分析的对象从弹性材料扩展到塑性粘弹性、粘塑性和复合材料等，从固体 力学扩展到流体力学、传热学、电磁学等领域。 国际上常见的较大型有限元软件有：a n s y s 、n a s t r a n 、a s k a 、a d i n a 、s a p 等。一个好的有限元软件，不仅包含多种条件下的有限元分析程序，而且带有 功能强大的前置和后置处理等程序。前置处理包括：选择所采用的单元类型、 单元的划分、各节点的确定载荷类型、边界条件、材料性质等。后置处理包括 自动地处理分析结果，并根据操作者的要求，以各种方式将结果显示出来。由 于有限元通用程序使用方便，计算精度高，其计算结果成为各类工业产品设计 和性能分析的可靠依据。以a n s y s 为代表的数值模拟软件，不断吸取计算方法 和计算机技术的最新进展，将有限元分析，计算机图形学和优化技术相结合， 已成为解决现代工程学问题必不可少的工具。 有限元法进行工程分析的一般过程如图1 1 ： 图1 1 有限元分析流程图 1 2 2 刀具研制中数值模拟方法的应用 3 。 理 程序 刀具切削棍理鹊磷究贯穿于刀襄磷制的整个过程，数篷模拟方法也正是遥过 对刀具切削祝理的分析仿真，进而把其基本思想融会于刀具产品的开发研制中去 的。和传统灼刀具硬究方法类似，刀具机理的碳究离不歼对切削过稷数霹究，数 值模拟技术的刀其研究中也是从模拟金属切渐过程入手的，只不道对于切削过程 的数值结果的获得不是通过测撬仪器等设备，丽是通过计算机软件。但正是这弛 艘拟躲加工环境使锝刃具研究、刀具产晶瓣开发熨加精确、哥靠，并且大大缩短 了研究开发的周期，节省了厢予样品试制、及实验设备等方面的费用。具体应用 如下： ( 1 ) 材料组份配方设计的数值仿真。这方面的研究已有学者进行了研究， 本文不再藿述。 ( 2 ) 刀具结构设计的数字化。在这个阶段我翻可以逶过一些计算梳窝形生成 软件或一楚有黻元软件的前处理器来建立刀其结构模型。而不必在图纸上先厕出 乎面图，再制成实物。这些东计算机中虚拟的模型，通过阚格划分等翦处理，可 黑予以后韵锯削过程的仿真。 ( 3 ) 金属切削过程的数值仿真。在这个阶段中，通过有限元软 牛，对金属 切剡过程麴切慰形戏和剪甥区毂现象送抒建模分提，霹以预龄切屑形残时的剪切 带、仞嗣力、刀兵前角对剪切角和切啪的影响、最大剪切应力和工件材料塑性应 变场以及有效应力在刀具煎刀蕊上的分枣等，更重要的是通过对切削过程的模 拟，我们哥以为刀具施加一个边界条件，进而为刀其强度分析提供帮助。 ( 4 ) 刀具结构和参数优化。通过切削过程的模拟，我们可以对刀具的各项 性能指标进行钱化，龙其是刀具的结构秘凡秘参数。遥过强度分析反馈修改凡何 模型，而后群计算宜至得到一个理想的刀具几何形状。 ( 5 ) 刀具切削力场的变化对于整个枫庆的动态性能的影响也霹以避霉数毽 仿真，只不过要考虑靛因素由原来静刀其和工件，变为刀其、工件和机床而己， 这个阶段的研究由于时间关系，本文没有涉猎，但它作为刀具研究的个层匾还 是缀有意义的。 1 。2 。3 数健模拟方法在刀兵职兜蠖域孛媳圆嫒秘展望 应用有限元法求解刀具切削部分强度等问题的数值解的方法早在6 0 一7 0 年 代就教髫内辨一些学者联采用了。如毽本学者岛井荚洛稻自槛高洋应礴有限元方 法对正交切割过程的稳定状态切嗣模型进行了分析；前苏联科学家b a 奥斯塔费 耶夫在其著作刀具动态强度计算书中对巍对套限元方法在刀是磷究中的痤 瘸作了较必详绍鹣搂述；嚣本学者m t t a s h i m u r a 等在其论文( ( a n a l y s i so fb u r r f o r m a t i o nm e c h a n i s mi no r t h o g o n a ic u t t i n g 中应用有限元方法对稳定状态 。d 之后的正交切削模型进行了静态的研究等。但出于当对计算枧浆发矮承平不离， 蠢限元技术发展还不完善及所采用的解决具体闯遂的方法的限带4 等原因，这一方 法的使用或多或少受到一些限制。并且早期的应用也仅仅是解决一些较趋单的线 性的静力阅题、平甄阉题等，英舆体做法大多是先数学建模，然骺编程计算，程 蹿仪饺是面向各自其体的丽户。这种方法虽然较当时实验法来说是较有效、较准 确的。但它并没有成为一项专f 的枣8 造技术两被全霞接广。之后，隧着计算槐技 术的发展，有限单元法的应稻密弹性力学平葡闻题扩麟到空闻问题，板壳问题， 由静力平衡问题扩展到稳定性问题，动力学问题和波动问题，分孝蠢的对象从弹性 材料扩展到塑性，糕弹性、弹塑性积复合材料等。到了8 0 年代，国际上崮鳙了 大型的面商工程韵有限元通用程序。由于其使用方便，计算精度高其计算结果已 成为各类工业产晶设计和性驻分据的可靠依据。同时，以此为基l 是焉形成构数值 镑囊技本也发震成为了先进弗造按术中的一个不可或缺的方面。刀其研究也在原 来有限元法的基础之上，借助于日懿成熟的虚拟技术，翻开了崭凝的贾。 媸助予这一搜术，我靠3 不仅耳以研究刀舆材料缝份怒方( 由东工照大学艾兴 教授及其研究生冯衍霞曾做过这方面的研究) ，而且可以通过模拟金属切削的动 态过程。研究这一过程中应力场、应变场、瀑度场等方露的变化；并可以蹋它来 联究刀具皴攒、黪按、予噩断刃具产品的寿命等一些眈较随机往的闯题。相信这一 技术必将为传统的刀具研究注入一股新鲜的血液，使之更为可靠、赢效。 3 本课麓静研究翻的，意义及主要工作 在传绞静刀具设计中，一般先进行材料研帝吼荐制成刀其，而后切削试验，反 馈修改，如此反复数次，才能推出一个刀具品种。不仅耗费了大量时间和财力，恧 且效率往往缀低，预见姓不强。确眼元法产生黯，它使褥刃曩研究的效率和精度有 所提高，僵早期的有敲元法研究刀其多是先数学建模褥编程计算，这种思路不仅 费时而且糖度不易控制。在数值模拟技术日趋完善的令天，本课题职究驰鬟数就 是要熄这项较为成熬的技术弓| 入到刀其的醋究与开发上来，加快刀其产品的研发 周期，为刀具研究提供一种更为简洁有效且可靠精确的方法。与健统刀具研究提 比较，数值模拟技术蹙为经济、蹇效；与早期的有限元法相汔较，这项技术更为 完善、精确，而且研究的深度和广度都有所发展。 本课题的总体思路是通过大型有限元软 牛a n s y s 米摸拟金属切削过程并分丰厅 该过稷中刀具与工件韵应力场变化，进荷得出刃其受力的边界条件，依此为基础 对刀其的应力、应交场迸行有限元分析，并对刀具的几何参数进彳亍虚拟优化设计。 具体工作如下： ( 1 ) 在熟练掌握金满切黼原理、有限元法基本理论、弹塑性变形理论、及 能熟练搽作a n s y s 软件的前提下对整个切削过程进行理论分麟。 5 。 ( 2 ) 在理论分析的基础上，应用a n s y s 的翦处理建立金属切削的鹰限元模 型，通过控制刀其运动模拟切削过程，计算分析，完成对金属诱削过程的动态数 值模拟。 ( 3 ) 应用a n s y s 熙处理爨提取计算绥粜，对切削过程中应力场相应变场的 交亿进行分析研究。 ( 4 ) 在计算机中测出剪切角大小，并求证剪切角变化蛾镎。 ( 5 ) 进行切削试验，傲切属根部试样以验证箭角与骜切角的交化关系来说 明这种方法的可行性。 ( 6 ) 摄握上述计算，褥出刀具受力款边界条l 牛，并依此对刀具进行有限元 分析、计算，得出刀其的应力、应变场，来对刀具强度进行分析，优化刀其几何 参数，研究刀具几何参数对切削力的影响。 本论文只对金属切削刀其的有限元分析进手予初步探索，就切削过程而亩，我 们也只是以从刀具和工件刚刚接触到剪切角形成这样一个阶段作为主要研究对 象，嚣之蜃的阶段有德予课题组其他人员继续。但就其意义恧言，这个阶段意义 重大，因为这个阶段刀其和工件的应力、应交、切屑藤变形以及切黼力等因素变 化最复杂，并且在翦切角形成的瞬间，它已经包食了稳定切自4 的几乎全部傣息。 第二章a n s y s 有限元软件的用法简介 2 。l 删s 髑较钵概述 a n s y s 软件怒有限元分析软件的典范，它涵盖：结构、热、流体、电磁、 声学于一体，可广泛应用予核工程、铁道、石涵化二 、魅天航空、辊械制造、 髓源、汽车交通、国防军工、电子、土木、造船、水裥、地质等工业。a n s y s 多物理场耦合功能，允诌：在同一模型上进行各式各样的藕合试。冀。这就确保了 a n s y s 对多领域、多种工程润题的求解。并且该软件掇供了一个不断改进的功 能清单，其律包括：结构高度非线性分析、电磁学分析、计算流体力学分析、 设计优化、接触分掇、自逶应网终划分、大应变有限转动功能以及剥塌a n s y s 参数设誊 语言的扩展宏命令功能等。 2 。1 。l 删s y s 豹毒毒患 1 ) 用户界孤 a n s y s 的友好的图形羯户界商和其优秀的程序构粱使其易学易稍。该程序 使n 1 了毓于m a lif 标准的易于_ l = ! l ! 解的用，o 界顽( ( 川) 如图2 + l ，通过它可以方 便她交互游闼程序舱各种功能、命令、梢户手错和参考资料，并可谶一步逾完 成整个分析，同时该程序提供了完整的在线说明和状态途径的超文本帮助系统， 以协助商经验的用户进行麓级应用。 7 在用户界嚣中，a n s y s 程序提供了哩穆通用的方法输入愈令： 菜单 对话框 工具栏 直接输入命令 菜单幽运行a n s y s 程序时螺关的命令葶f i 操 乍功能组成，它位予各自的窗口中， a n s y s 共有七个菜单窗口，具体龟括： 实用菜单：它包括a n s y s 的应用功能，在a n s y s 运行的任何时刻均可访问 此菜单。该菜擎为。f 拉式结构，哥壹接完残某一程_ 葶功熊或g l 出一个对话 框。 主菜单：该菜单出a n s y s 最主要数功能缎戏，为弹恕式下拽菜单结擒，其 组成基于程序的操作顺序。 输入窟口：该寝口提供了键入a n s y s 命令的输入区域，同时还可显示程序 的提示信怠和测览先前输入酌命令，用户呵从l o g 文件事前输入的命令绒 输入文件中剪切和粘贴命令。 图形蜜口：渡塞口用于显示诸如模型、分板结拱等圈形，用户可投摄个人 的喜好调整该窗口的大小。 输出窗口：该窗门用于显示a n s y s 稠序对已输入命令或已使用功能的响应 信怠。在g u i f ，眉户隧时可访闷浚窗瞳。 工具栏：该窗口允许用户将常用命令或自己编写的过程置于其中，用户只 需用鼠糕点壹即可谤闽。 对话框：它楚为了完成操作或设定参数丽进行选取的窗翻，该窗口提示用 户为完成特定功熙震输入的数撼或做出决定。 2 ) 鬻形 完全交互式图形是a n s y s 程序中不可分割的组成部分，阂形对于校验前处 理数据和在后处理中梭套求解结果都是非常重要的。 3 ) 处理稀 一个好的有限元软件，不仅包含多张条件下的有限元分孝厅程序，而且带有 功能强大静箭置帮螽饕处理等程序。前嚣处理奄括：选择所采用的单元类型， 单元划分、确定载荷类型、边界条件、材料性等；后置处理器自动处理分析结 果，并根据操作老的要求，以各到方式将结果显示燃米；爨乡 a n s y s 还褰几个 辅助处理器如优化器等。 4 ) 数攮瘁 a n s y s 程序使用统一的集中式数据库存贮所有模型数据及求解结果觅图 2 2 。模型数据( 包括实体模型和有限元模型，柑料等) 通过前处理器写入数据 摩，载蕊和求鳃结粜邋过求解器驾入数据露。数据一旦通过慕一处理器写入数 一8 攒库中，如需要，即可为其它处理器所熙。例如：通用露处理器不仅娆读求解 数据，雨噩能读模型数据，然磊利鳎它们进行螽处理计算。 翦处理过程 实体建模实体阏格划分其它前处理 1r1 r1r i 图形显示一 a n s y s 数据库 f - 结果 0 一般后处理 历史时间后处理 层处璎过程 图2 2a n s y s 程j i 葶的集中式数据库系统缝构 s ) 文件格式 把数獭处理程序的一部分传输到另一部分，存贮数据库以及存贮程序输出 都要遽过文 牛来实现。这些文 牛包括数据库文件，计算结果文件，图形文件等。 在缺省设置下，a n s y s 程序生成外部格式的二迸制文件，该格式允许在不同硬 牛系统中移置。 8 ) 程球酌督带性 a n s y s 程序实现了异种异构平台的网络浮动，可运 亍于w i n d o w s9 5 n t 环 境下的p c 枫、工佟站及u n i x 操作系统下的各群工作站，巨型桃。 2 。1 。2a n s y $ 数据接日程黪 a n s y s 可与许多先进的图形处理软件如p r o e 、c a d 等共享数据，并为套 个工业领域毂用户提供了分析各羊申闷趱静熊力，利用a n s y s 黔数据接口，可精 确地将在图形处理软件系统下生成的闺形几何数据传入a n s y s 系统。而后准确 地在该模型上划分网终并求解，这样用户就熊方便地分柝麟产晶帮部件，褥不 努为在分析系统中鳖新建模丽耗费时间，葡时还可以和厢a n s y s 程序的高级功 能，例如非线性、电磁场以及计算流体力学进行分板计算。 a n s y s 数据接1 程j 葶还可以镶嵌在p r o e 、c a d 环境中，用户可盥接在 p r o e 、c a d 的界面下在其模型上在线调用a n s y s 进行菜些分析工作，并能保持 p r o e 、c a d 数据和分析数攥间的相关性。 9 2 2 零诹曩中所趣的婀s y $ 功旺攘块 金属切削过程材料行为，单元行为及刀具与工件的接触状态都是非线性的， 因此建模、期载讨算等郯是爨绕着非线性褥展辨的，非线性分析静蘩本步骤如 下： ( 1 ) 、建立模型 确定j o b n a m e 、t i t l e 、u n i t 进入p r e p t 处理器，定义单元类型，单、元实常数，材料特性和建立几 何模型。 做好静力分卡行，岿须注意阻下两点： a 、单元类型可以是线性或a 线性结构单元。 b 、材料特褴，定义杨氏模璧：若加热截必须定义膨胀系数。 划分网络、对应力、应变、变形等感兴趣的区域。单元应划分得密一 些。妇分毒蓐中包含 线性因素，网络划分到能反映非线性因素影确的程度。 ( 2 ) 、加载并求解 进入求艇器，定义分掇类型及分糖选项，分板类型为s t a t i c ，分板选项激 活大变形效应。抽载；绘模登加约柬，位移和拐始条件；指定载荷步选项，该 选项分为普通选项，非线性选项和输出控制选项；保持数据；求解。如有必要 霹进行反复加载求艇。 ( 3 ) 、稔查结果 静力分板的结果写避文傍j o b n a m e ，r s t 。结果由以下数攒构成： 基本数据一节点位移 导出数据一节点应力单元，节点单元应变等。 检褒结果可以用p o s t l 或p o s t 2 6 。p o s t l - t 以检查基于整个模型的指定子步的 结柒。p o s t 2 6 用在非线性静力分析追踪特定结采选项。无论用哪一种p o s t ， 数据库必须包含求解时使用的模型，同时结果文件j o b n a m e 。r s t 必须是可用的。 1 0 。 第三章金属切削变形及有限元的基本理论分析 金属切削过程是一个非常复杂的非线性过程，对这个过程进行数值模拟要考 虑很多方面的因素，因此，要在以下几个理论指导下进行：金属切削原理、材料 弹、塑性变形理论和有限元理论。 3 1 金属切削变形原理 若要正确地模拟出金属切削的整个过程，首先应该对切削过程中切屑的形 成，前刀面对切屑的挤压与摩擦，切屑变形规律等有一个正确的理解。用自由直 角切削方式研究切削层的变形，可简化为平面( 二维) 变形。 3 1 1 金一切削层变形 金属切削过程中，切屑形成后，在切屑根部和前、后刀面处工件大致被划分 了三个变形区，如图3 1 ，在图中的i 区域内，工件发生塑性变形，晶粒的剪切 滑移基本完成，这一区域为第一变形区；切屑沿前刀面流出时进一步受到前刀面 的挤压和摩擦，使靠近i j i 刀面处金属纤维化，基本上雨帽口刀面相平行，这一区域 称为第一二变形区( r l 区域) ；住) j 具后川面处一l j 件l a 加l 上表面受j 具后= ，= i 面的挤 压与摩擦，也产生了较大的塑性变形。这- - i z 域为第三变形区( i i i 区域) 。 图3 1 金属切削过程中的滑移线和流线示意陶 在第一变形区，工件材料变形的主要特征就是沿滑移线的剪切变形。这一区 域的大小与切削速度有很大关系。当切削速度较低时，第一变形区较宽；而当切 削速度较高时，这一区域变得很窄，只有约o 2 一o 0 2 m m ，所以在切削宽度上可 以用一剪切面来表示这一区域。剪切面与切削速度方向之间的夹角称为剪切角 中，剪切角中的大小与切削变形和切削力的大小有直接的联系，它是衡量切削变 形的一个重要标志。 衡量切削变形程度的参数除了剪切角中外，还有相对滑移e 和变形系数e ， 它们相关的表达式如下 占：一竺筮l s i n e o s ( 一，o ) ( 3 1 ) 孝：c o s _ ( c _ - t o )( 3 2 ) s i l l 9 式中剪切角 y 。刀具前角 用剪切角衡量变形大小，传统方法很难测量，而变形系数掌可直观地反映切 屑的变形程度，并且容易测量。亭值越大，表示切出的切屑越厚越短，变形越大。 在切削过程的仿真计算中，我们通过有限元软件的后处理器，可以很方便地测量 出剪切角的大小，变形程度一目了然。但这三个参数都是由纯挤压、纯剪切的观 点提出来的，在实际切削中它们并不能全面反映变形的实质，只能是一个相对的 判断。 3 1 2 刀面与切屑和已加工表面问的挤压与摩擦 塑性金属切削层材制经过第一变形区后沿前刀面排出，由于前刀面挤压和摩 擦进一步加剧了切削层材料的变形，在前刀面与切屑底层接触区便形成了第二变 形区。要想币确地仿真h i 切屑的形成，我们必须对这个区域材料变形特征有一个 正确的了解。总体来说，这个区域的特征是：切屑底层靠近前刀面处纤维化，流 动速度减缓，在靠近刀尖处还会出现短暂的滞留现象，使切屑发生较大变形产生 弯曲，而由于摩擦产生的热使刀具前刀面与切屑接触面温度升高等。同时，由于 前刀面的挤压与摩擦使得切屑排出不畅，加剧了第一变形区的剪切滑移，从而对 剪切角产生了影响。因此，对于正确的切削过程的模拟，刀具前刀面上的摩擦是 一个不可忽视的方面。另外，在后刀面与已加工表面处的挤压与摩擦虽然对切屑 的形成影响不大，但它对已加工表面的表面质量有着很直接的影响，同样是我们 所关注的。 对前刀面上摩擦的更详尽的分析如下： 在金属切削过程中，切屑与前刀面之间的挤压压力很大，有时可达好几个 g p a ，同时由于摩擦又会产生较高的温度，使得靠近刀尖处的切屑材料出现热软 化现象，这局部区域的切屑可能粘附在前刀面上，我们称之为粘结现象，或称 “冷焊”现象。如果这些软化的材料不能很快地流走而滞留在刀尖处，就产生了 “积屑瘤”。在粘接的区域，前刀面与切屑之间的摩擦已不是一般意义上的滑动 摩擦，而是切屑在刀具的粘接层与其上层金属之间的内摩擦。这种摩擦实际上就 是金属内部的滑移剪切，它与材料的流动应力特性以及粘结面积大小有关，所以 我们不能简单地用外摩擦的规律来研究它。但是，在第二变形区中距刀尖较远的 区域挤压应力相对较小，切屑材料的软化程度不大，切屑与前刀面间出现接触滑 一1 2 动，这一区域的摩擦就是一般意义上的滑动摩擦，我们完全可以按照滑动摩擦规 律来研究它。这样切屑与前刀面接触面就分为二个区域，出现粘结现象的区域为 粘结区，这部分的单位切向力等于材料的剪切屈服强度，粘结区以外的部分为滑 动区，该区域的单位切向力逐渐减d , n 零。具体应力分布见图3 2 。图中正压力 分布情况是：假设刀尖锋利，切屑厚度相对较小，则正应力分布是刀尖处最大， 沿接触面逐渐减小到零。如果我们沿袭一股摩擦的概念，那么接触面上的摩擦系 数v = f 仃，应该是一个变化的值，比较内摩擦与外摩擦对前刀面接触的影响， 我们认为分析问题时应着重考虑内摩擦，所以，用内摩擦的概念来考查刀面上的 接触问题。传统研究方法，总是想找出一个平均摩擦系数，以及平均正应为仃。，等。 令y 代表平均摩擦系数，由内摩擦规律 t a n 口：v ：旦：三生：立( 3 3 1 j ： 盯n v a j , o - “ 7 式中：硝内摩擦部分的接触面积 仃。平均正应力 f 。工件材料的剪切屈服强度 口摩擦角 由于f 。随着温度的上升略有下降，而口。，随材料特性、切削厚度、切削速度以及 变形程度等的变化而变化，因此，可以说，y 是一个变数，在使用它的时候要特 别注意。 平均摩擦系数只能是定性的分析，切屑底层与前刀面摩擦系数在仿真时不用 平均摩擦系数，而采用更符合实际情况的解。 图32 前、后刀面主应力、剪应力分布 1 3 3 1 3 切屑变形的变化规律 在了解各变形区的变形及摩擦情况后，可以看出，要想获得比较理想的切削 过程，关键在于减小摩擦和变形，那么影响摩擦和变形的主要因素有哪些昵? 通 过分析知主要有以下四个方面： 1 ) 工件材料 由式( 3 - 3 ) 知工件材料强度愈高，平均摩擦系数愈小，切屑排出时愈顺畅，剪 切角变大，因此变形系数将减小，由此可得出一个结论，工件材料强度愈高切屑 变形愈小。 2 ) 刀具前角 前角的大小与其对切屑的挤压程度有直接关系，前角的方向影响切屑流出的 方向，也影响切削合力的方向。前角愈大，排屑愈顺畅，剪切角增大，变形系数 减小。因此，可以说刀具前角愈大，切屑变形愈小。这一结论我们将在后面的仿 真计算中加以验证。 3 ) 切削速度 金属材料的塑性传播速度较弹性变形慢，当切削速度低时，金属流动速度大 于塑性变形速度，使得第一变形区后移，剪切角增大，另外，切削速度愈大，切 削力愈小摩擦系数愈小，变形系数也减小因此，切削速度愈大，切屑变形愈小。 4 ) 切削厚度 由式f 3 - 3 ) 失1 1 t ：y j n 厚度增加，前刀面上的摩擦系数减小使得剪切角增大，切 屑变形愈小。 基于以上分析可知，减小切屑变形和改善切屑与刀具的摩擦情况是革新刀 具，提高切削加工水平的重要方法对于本课题而言，获得一个较为理想的切削 过程仿真模型也必须考虑以上几个方面。观察切削过程中应力场、切屑变形的变 化过程的较为理想的切削模型是连续切削时形成带状切屑时的模型，而要想获得 这种模型必须对工件材料、刀具前角、切削速度以及切屑厚度加以控制。 3 2 材料塑性变形理论 3 2 1 应力分析 为了求得物体的应力，可以把物体假想为由无数个极其微小的六面体组成， 每个六面体看作一个质点，根据质点的平衡条件写出微分方程，然后考虑其它必 要的条件设法求解。为此我们对质点的状态进行了分析。 1 ) 应力张 为了描述质点的状态，我们将物体的质点视为隔离体，质点各个方向都受到 1 4 应力作用，点的应力状态用九个分量表示，这九个分量组成了如下矩阵形式 旷雕z y xi 式中 盯。应力张量 r 作用在i 面上与j 轴的剪应力分量( i 、j = x 、y 、z ) 盯，作用在和坐标轴相平行的应力， 在任意一个微分面上，应力的边界条件可表达为： t ，= 口，厶( 3 - 5 ) 式中：丁，边界面上作用的外力 厶边界面法线的方向余弦 在一定外力条件下，物体内的任意质点的应力状态应该是确定的，但在不同 的坐标系中，用来表示各质点应力状态的九个应力分量有不同的值，其转换关系 为： 盯m = 仃。l ，l m ( i 、j - x 、y 、z )( 3 6 ) 式中l ”l 。新坐标轴原坐标中的方向余弦 在不同的坐标系中的九个分量可通过上式表示的线性关系来变换。这九个量 构成一个特殊的物理量，就是应力张量，可以说点应力状态是张量，表示成矩阵 为张量矩阵。由于剪应力r 。= r 一张量矩阵应为一个对称阵，所以应力张量又 ”j 表示为： i 仃， 盯= 】f y l k纠 佟7 ， 2 ) 主应力和应力变 一个对称张量必然有三个相互垂直的方向，称为主方向。在主方向上，下标 不同( i j ) 的分量均为零，剩下的f - ，的分量叫做主值，也就是主方向上的 三个正应力，叫做主应力，与三个已知的仃。可求出主应力及主方向。 尽管应力张量的各分量随坐标而变，但应力张量特有的三个应力不变量是固 定的，其表达如下： j i = 1 9 。七6 ，七6 ： j 2 = ( 仃，盯y + 盯，盯：) 十r 弓+ y z + f 三 j 3 = 盯，口，d ：+ 2 r 砷f 婿f “一( 仃，r 品+ 盯，f 三+ 盯：f 0 ) 应力状态的特征方程为： 口3 一，l 仃2 一j 2 盯一j 3 = 0( 3 8 ) 其解就是三个主应力，习惯上用q ，q ，q 代替1 9 ，盯。，1 7 ： 3 ) 圭剪应力和量大剪应力 主方向实际上就是正应力有极值的方向，主应力就是极值。同样，我们也把 剪应力有极值的平面叫“主剪应力平面”而作用其上的剪应力叫“主剪应力”。 一1 5 取主轴为坐标轴，则任意斜切面上的剪应力为： f f 2 = 盯? j 2 + 仃；朋+ 盯； + ( 仃i f 2 + 盯2 m 2 + 巧j n 2 ) 2 f 3 9 ) 1，