（机械设计及理论专业论文）虚拟数控加工过程中切削力及热变形对加工误差的影响.pdf

长春工业大学硕士学位论文 摘要 随着高新技术的发展，对工件加工精度的要求也越来越高。在实际的数控加工过 程中，各种工艺因素都会对工件的加工精度产生相应的影响。其中影响加工精度的主 要因素有：切削力引起的刀具及工件变形，破坏了刀具和工件的正确的相对位置，影 响工件的加工精度；切削热引起的刀具及工件的热变形，也影响工件的加工精度，尤 其在精密加工中，由于热变形引起的加工误差占加工总误差的4 0 7 0 9 6 ；切削热以及 由它产生的切削温度，直接影响了刀具的磨损和使用寿命，同时也影响工件的加工精 度和表面质量。因此研究切削力和切削热对加工精度影响具有很重要的意义。 本文针对虚拟数控加工过程，对影响加工质量的主要因素切削力和切削热进行分 析、计算、仿真和实验研究。数控加工仿真分几何仿真和物理仿真，目前大都集中在 虚拟机床模型的建立，运动仿真以及干涉检验等几何仿真，对切削力、机床振动及热 变形等物理仿真及误差分析等方面处于探索阶段。在数控加工仿真中，几何仿真只是 前提条件，更为重要的是切削力、机床振动及热变形等在机械加工切削过程中的物理 仿真，这已成为机械科学前沿领域的研究热点和重点。 本文针对物理仿真中的几项基本单元技术进行研究。首先，通过有限元的基本理 论和有限元a n s y s 软件实现了切削过程的二维动态仿真，建立了刀具和工件的材料模 型和有限元模型；其次，本文将工件简化为悬臂梁，利用积分法计算工件的变形量， 同时，通过有限元仿真方法，对工件因受力变形引起的加工误差，进行预测分析。并 通过理论计算验证该有限元分析结果的精确性；最后，基于有限元仿真的分析方法， 分析了由切削热引起的刀具和工件的变形，针对车削的加工误差的影响，本文进行了 相关的实验研究，实验结果验证了该有限元仿真分析的可行性，同时有限元仿真的结 果对以后的实践也有一定的指导作用。 关键词：虚拟加工物理仿真有限元切削力切削热 长春工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t ，i m 龇d e v e l o p m e n to fn e wa n dh i g ht c c h n o l o g y , t l l er e q u i r e m e n t sf o rm a c h i n i n g a e e u r yo f t h ew o r kp i e a l el l i g h e ra n dl l i g h e r i nt h ec o u r s eo f t h er c a ln u m e r i e a ic o n t r o l m a c h i n i n g ，v a r i o 璐c r a f tf a e t o 培w i l lh a v eac o r r e s p o n d i n gi m p a c to nm a c h i n i n ga c c u r a c yo f t h ew o r kp i e c e t h em a i nf a e t o ro ft h em a c h i n i n ga e e u r yi sa sf o l l o w i n g ：也cs h a p eo f c u t t e ra n d w o r kp i e c eb yc u t t i n gf o r ，d e s t r o y e dt h ec o r 托c tr e l a t i v ep o s i t i o 璐o ft h ee u t t 盯 a n dw o r kp i e c e ，i n f l u e n c et l l em 删m n ga c c u r a c yo ft l l ew o r kp i e c e ；t l l eh o ts h a p eo fc u t t e r a n dw o f kp i e c cb yc u t t i n gh c a c ，a n dm i n f l u e n c em a c h i n i n ga c c u r a c yo fw 0 伙p i e c e ， e s p e e i a l l yi na e e u r a t em a c h i n i n gp r o e e 蟠t h em a c h i n i n ge l t o ri sa b o m4 0t o7 0p e r c e n ti n p r o c e s sm t a le l t o rc a u s e db yh o td e f o m a 矗o n ：t h ec u t t i n gh e a ta n dc u t t i n gt e m p e r a t u r e w l l i c hi sc a u s e db ye u t t i n gh e a th a si n f l u e n c e dw e a r i n ga n dt e a r i n ga n d r v i l i f eo ft h e c u t t e rd i r e e t l y ，a tt l l es a m et i m em f l u e n m a e l l i n i n ga c c u r a c yo ft l 圮w o r kp i e c ea n ds u r f a q u a l i t y i th a sv e r yi m p o r t a n tm e a n i n g st os t u d yl h ei n f l u e n c e so f m a c h i n i n ga e e u m e y u s e d b yc u t t i n gf o r c e 1 1 1 i s 钯x td i r c c t sa g a i n s tt h ef i e t i f i o 璐p r o c e s s i n gc o u r 辩o f n u m e r i c a le o n 仃0 1 w ed e a l 埘t l lt l l ea n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o na n de m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a ls t u d yo ne u t t i n g 触a n d c u t t i n gh e a tw l l i c ha r et l l em a i nf i l c t o r si n f l u e n c e do nm a e l l i n i n gq u a l i t y t h e r e 黜g e o m c t i r e e m o t i o na n dp h y s i e a le m u l s i o ni nm 1 1 i n i n 岛a tp f e s e n tm o l l yc o n c e n t r a t e do nt h e s e t t i n g - u po ft b ef i e d t i o 璐l a t h em o d e l ，r e s p c c t ss u c ha sg e o m e t i r ee m l l l a n o n ，m o v e m e n t e m d a t i o na n di n t e r f e r i n g ，e t c ，i ti sa ct l l es t a g eo fe x p l o r i n gt or e s p c e t ss u c h 够s t r e n g t h , l a t h ev i b r a t i o na n dh o tp h y s i e a le m u l a t i o na n de r l o ra n a l y s i so l l to fs h a p e e r e o fc u t t i n g h r e q ac o u r s eo fm a c l l i n i n g ，g e o m 缸ce m d a t i o ni so n l ya 幽n d i t i o n ，t l l em o 佗i m p o r t a n ti s c u i n g 矗口c e 1 a t h ev i b r a t i o na n dh e a ts h a p e w h i l ei ti si nt l l ec o u l s eo f p h y s i e a le m d a t i o no f r n a e l l i m n gc u t so m o fs h a p e t h i sh a sa l r e a d yb o c o m et h er e s e a r c ht o c 吣o fm a c h i n e r yf i e l d o f i e n t i f i ef r o ma n df b c a lp o i n t t h i sa r t i c l es t u d y v e r a lb a s i cu n i tt c c h n o l o g yo ft h ep h y s i e a ls i n n d a t i o 也f i r s t , t h r o u g ht l l ef i i l i t ee l e m e n te l e m e n t a r yn l c o r ya n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fa n s y s 删c h c a n r e a l i z et h ec u t t i n gp r o c e s st w o - d i m e m i o n a ld y n a m i cs i m m a t i o 玑w ce s t a b l i s h e dt h ec l l t t i n g t o o la n dt h ew o r kp i e c em a t e f i a lm o d e la n dt h ef i i l i t ce l e m e n tm o d e l ；s e e o n d l y ，t h i sa r t i c l e s i m p l i f i e s 也ew o 出p i e 越e a n t i l e v 盯b e a m ，t h c nc a l c u l g c et h ed i s t o r t i o fw o r k p i e e eb y m m go fi n t e 酬a r i t h m e t i c ，s i i n u l t 锄e 0 璐l y n l r o u g hf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nm c l h o d , b e c a u s et h es t r e s sd i s t o n i o nc a u s e st ot h ep r o c e s s i n ge l t o rw h i c ht h ew o f kp i e c ec l t l t i 嚣o n t l l ef o r e c 韶tt oa n a l y z e a n dc o n f i r m st h i sf i l l i t ce l e m e n ta n a l y s i s 他s l l l tt h r o u g ht l l et l l e o r e d c a l 长春工业大学硕士学位论文 c a l c u l a t i o nt h ea c c u r a c y ；f i n a l l y , b a s e do nf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i a n a l y s i sm e t h o d , h a s a n a l y z e dt h ec u t t i n gt o o l a n dt h ew o r kp i e c ed i s t o r t i o nw h i c hg e t su pb yt h e c u t t i n g c o n d u c t i o n , i nv i e w o ft u r n i n gp r o c e s s i n ge r r o ri n f l u e n c e ，t h i sa r t i c l ec o n d u c t e dt h er e l a t e d e x p e r i m e n t a ls t u d y , t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l th a sc o n f i r m e dt h i sf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n a n a l y s i sf e a s i b i l i t y , s i m u l t a n e o u s l yt h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nr e s u l ta l s oh a dc e r t a i n i n s t r u c t i o nf u n c t i o nt ol a t e rp r a c t i c e k e yw o r d ：v i r t u a lm a c h i n i n g ，p h y s i c a ls i m u l a t i o n ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ， c u t t i n gf o r c e ，c u t t i n gh e a t n i 长春工业大学硕士学位论文 主要符号表 字符字符意义字符字符意义 e 弹性模量 泊松比 g刚性模量o l屈服应力 s p 塑性应变 p 等效塑性应变 占 仃 等效应力 西 内应力 k x x 导热系数d e n s密度 a p 切削深度l进给量 v 切削速度f主切削力 4 切削面积 口f切削厚度 口-切削宽度 i惯性距 以刀具表面换热系数 彳刀具散热表面面积 q每小时输入刀具的热量 p 刀具的密度 g切削温度系数 押 工件的转速 善刀具热变形量 f 切削时间 口 线膨胀系数e进给力 ，捍 工件的质量e切深抗力 剪切角 刀具前角 五正的待定有限增量 只切削功率 g r a d o温度梯度 口温度 长春工业大学硕士学位论文 原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人 独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的引用已在文中指出，并与 参考文献相对应。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果 由本人承担。 作者( 签字) ：却杷鬣 日期：2 0 0 7 年4 月 长春工业大学碗士学位论文 1 1 数控加工仿真技术的背景 第一章绪论 仿真技术作为一门独立的学科已有四十多年的历史了“1 ，八十年代初以来得到迅速 发展。目前，仿真技术已广泛应用于航空、航天、机械制造等领域，在机械制造业中， 企业为了在竞争日趋激烈的市场上占有一席之地，在产品开发过程中，利用计算机仿 真技术对产品整个生命周期进行仿真和评估，从而以最优质量、最低成本和最快速度 将产品推向市场。数控加工仿真技术是把计算机仿真技术引入到零件的数控加工中， 可以形象、直观地模拟数控加工的全过程，是c a d c a m c a p p 技术研究的重要内容” 伴随着计算机技术与建模技术的发展，数控仿真技术已成为能够预测加工过程、产品 质量及提高加工效率的一种有效方法。 1 2 数控加工仿真技术研究的意义 仿真技术是通过对系统模型的实验去研究一个真实系统，此系统可以是现实世界 中已经存在的或已在设计中的系统。传统的仿真不是真实系统的完全复现，而是根据 研究的需要从某些方面对系统进行简化提炼，使得此模型既可以代表真实系统的本质 特征，又可以使以后的仿真工作的实现简化。 将有限元仿真技术应用到数控加工之中，采用计算机建模与图形仿真技术，在计 算机上建立虚拟加工环境，实现数控加工过程的仿真。可以在不消耗实际材料，不需 要机床设备的情况下，进行机床的运动仿真、几何仿真、物理仿真、工件的加工模拟、 分析工件的可加工性和工序的合理性，改善产品质量、降低生产成本和缩短产品开发 周期，减少或消除因程序错误而导致的机床损伤，夹具破坏或刀具折断、零件报废等 问题，保证数控机床的安全性，同时可以明显地缩短产品研制周期，降低成本。提高 数控加工效率。 本论文主要是对虚拟数控车削过程中切削力与切削热对加工误差的影响的分析， 它是数控加工过程物理仿真技术研究中的难点“1 。数控加工仿真分几何仿真和物理仿 真，几何仿真是一种虚拟实体的运动，它能够仿真切削过程中刀具的运动，给人们以 视觉虚拟效果，但未仿真出切削过程中的各种物理现象，例如金属切削( 或磨削) 过 程中的切削变形、切削力的变化、切削热和切削温度分布、刀具的磨损与破损、切屑 形成与断屑、工件表面质量形成等过程，而物理仿真则力求实现。国内外已经开展了 相关的研究工作，但由于切削机理复杂、建模难度大等原因，研究还不够深入。但这 长春工业大学硕士学位论文 已成为机械科学前沿领域的研究热点和重点。 随着高新技术的发展，对工件加工精度的要求越来越高，这意味着制造过程的预 测与控制将成为工件加工精度控制的关键。因此仅有几何仿真已无法满足制造业发展 的需要，物理仿真已经开始引起人们的重视。美国国家自然科学基金( n s f ) 和美国军 方高技术局( a r p a ) 己联合企业界投巨资资助多所大学进行r t - 删r i ( m a c h i n et o o l a g i l em a n u f a c t u r i n gr e s e a r c hi n s t i t u t e ) 项目的联合研究与开发，重点对金属切 削加工过程进行分析、建模，进而开展物理仿真研究工作。1 9 9 8 年国际生产工程学会 ( c i r p ) “机械加工建模”工作组指出未来的制造业将处在一个高度自动化的制造环境 下，需要采取更加有效的工艺控制策略。最新加工设备的有效采用，极大程度上取决 于信息技术的应用，包括对工件尺寸精度、表面租糙度、所加工工件表层属性，所需 加工时间和加工费用的预测。预测的前提是建模，因此对切削加工的物理过程进行建 模与仿真正在成为制造业的最重要研究领域之一，是虚拟制造发展的新趋势。 随着计算机技术的突飞猛进和现代数学、力学及新的计算方法的发展，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两发展起来的一 门新型的学科有限元仿真技术旧。通过这项技术，可对许多工程中的实际问题进行 数值仿真，从而加快了设计的速度，提高了设计的可靠性。近年来，该技术在工程中 的许多领域得到了广泛应用和推广，是现代工程学形成和发展的重要推动力。 1 。3 国内外研究现状 美国i i i i n o i su n i v e r s i t y 、n o r t h w e s t e r nu n i v e r s i t y 、p u r d u eu n i v e r s i t y 等8 所大学在美国国家自然科学基金会的资助下进行了a m r i - m t 计划的研究，主要研究虚 拟机床中车、铣、钻等加工中误差的建模闯题和切削力、振动、切屑形成、热变形、 工件表面质量等物理仿真问题。我国东北大学研究开发出了虚拟数控车削物理仿真系 统，构造了车削仿真中的切削力模型、工件粗糙度模型、工件的微观硬度模型，可以 对切削力作出初步预测。哈尔滨工业大学对物理仿真中加工质量分析与预测进行了研 究。在商品化软件中，c g t e c h 公司的v e r i c u t 系统可以实现切削负荷预估，并据此进 行切削参数优化。 中科院沈阳自动化研究所提出的“加工过程物理仿真技术研究”论文中，阐述了 切削力的仿真与分析是物理仿真的重要内容，提出了以具体工况的单位切削力与切削 面积的乘积作为力模型，分析切削面积变化是研究切削力波动和工艺系统动态变化的 途径之一。大连铁道学院的“虚拟数控车削加工精度预测研究”论文提出了加工质量 预测是虚拟制造实用化的重要标志之一，基于虚拟数控加工环境研究车削加工直径尺 寸形成机理，在对工艺系统运动误差和切削力变形误差检测与辨识的基础上，给出了 2 长春工业大学硕士学位论文 可视化交互式的仿真界面，实现对虚拟数控车削加工精度在线预测，通过试验验证了 预测模型的有效性。该研究方法可以用于其他切削加工方式的加工精度预测。西安电 子科技大学提出的“数控加工零件热场分布的虚拟仿真”论文中利用有限差分法对金 属零件在数控机械加工过程产生热量的分布进行了数值分析，为计算金属零件热应力 变形提供基础，是虚拟制造中机械加工工艺过程规划虚拟仿真的一种新方法。 在数控加工过程中，切削力直接影响切削热、刀具的磨损与耐用度、工件的加工 精度和已加工零件的表面质量。在物理仿真方面，由于数控加工过程物理行为的非线 性和不确定性，涉及工艺系统的各个环节，加工过程的物理模型十分困难，现有的研 究工作尚不够深入，还没有成熟的产品，但已引起国内外的高度重视。美国国家自然 科学基金会资助伊利诺依大学、西北大学、普渡大学联合进行机械加工过程模型研究， 研究内容包括车、铣、钻等加工，涉及切削力、振动、切屑形成、工件表面质量等诸 多方面。yst a r n ga n dwsc h a n g ”1 ，发表的论文“d y n a m i cn cs i m u l a t i o no fm i l l i n g o p e r a t i o n s ”通过仿真切削力从而达到预测机床振动、刀具磨损；h e r b e r t s c h u l z ，k l a u sb i m s c h a s ”，开发了o p t i m i z a t i o no fp r e c i s i o nm a c h i n i n gb y s i m u l a t i o no ft h ec u t t e r i n gp r o c e s s ，通过仿真切削过程来优化工件加工精度，他 主要对工件进行分析，利用有限元分析工件的弹塑性变形。 在研究切削力对加工过程的影响时，关键问题是切削力模型的建立嘲。在传统的加 工过程中，切削力模型的建立通常有实验方法、解析方法和机械和数值方法。早期的 切削力模型所依据的都是通过实验所建立的切削力的经验公式，认为切削力和材料切 除率有关。这在早期的文献中可以见到。但用材料切除率只能计算平均切削力而无法 求得瞬时切削力，而瞬时切削力在切削变形和加工误差分析中是很关键的。k a p o o r 建 立的切削力模型主要采用经验和解析相结合的方法，其特点是针对切削过程的各种影 响因素预先进行实验，总结出具一定精度的经验公式，该方法不能深入揭示切削过程 的动态力学性能参数。e l a n a y a r 在o x l e y 切削模型的基础上提出了考虑刀具磨损的切 削力模型，应用摩擦学理论分析了后刀面与工件的摩擦作用力，取得了较好的预报结 果。e n d r e s 对原有的切削模型进行了具有创新性的研究，提出了考虑刀具刃口的新切 削模型，并对后刀面的作用力进行了理论研究，这无疑是切削力建模的一个重要发展。 s t r e n o w s i k i 和c a r r o l l 最早将有限元建模方法引入数控加工过程进行了模拟仿真， 并将结果与实验作了比较，结果吻合得较好。我国学者在这方面也进行了大量的基础 研究，黄雪梅脚、杨国哲建立了考虑切削深度与工件硬度变化的瞬时切削力模型，但在 车削加工过程中，车刀一直未脱离工件。同时，在以上模型的建立过程中忽略了许多 影响因素，存在着不同程度的简化，从而也存在一定的误差。 m i c h i g a n 大学也试图利用有限元分析机床加工系统热分布所引起的误差从而建立 热误差预测模型，以便集成到m a t a m r 项目整体模型中。如果f 阴分析用大型商用软件 只能做到离线分析，要在虚拟加工集成环境中使用则必须有独立的快速算法，然而原 长春工业大学硕士学位论文 始数据的提供也是很复杂的问题。 国内学者杨建国、杨哲东等人通过对机床热行为测量“”，采集网络的学习数据， 训练神经网络得到温度作为输入热变形作为输出的预测模型较好地解决了机床复杂 热场因温度变化导致加工时产生热变形误差的建模和预测问题。尤其在温度场分布测 量时传感器的优化布置方面的研究大大减少了测量的工作量。由于这部分研究相对成 熟，如果把温度引起热变形的分布情况辨识成机床刀具运动位置的函数，可以很容易 地融入本系统的预测模型。 在切削加工时，机床和工件上复杂的温度场将使之产生热变形，该变形可以通过 热变形模型计算出来，如果已知某一点的实际温度，该热变形可以得到一定程度的补 偿。在淬硬钢和耐热材料的干加工及精加工中，用有限元法( f e m ) 求出刀具与工件接触 面间产生的热量对工件形成的仿真尤为重要。伯明翰大学的e g n g 等人通过对直角切 削淬硬钢的加工过程，采用商用软件f o r g e 2 ( 有限元法) 模拟切削力和切削热的分布， 其结果与实验数据有较好的一致性。 国内热变形理论的研究和应用始于五十年代中期，八十年代开始有了较大发展， 先后有十几个科研院所和高校从事不同方向的热变形研究。目前保持该领域研究的主 要有：同济大学的科研队伍主要从事切削加工中切削热对工件加工精度影响的研究， 对于分析切削加工中的热变形有指导意义；合肥工业大学以费业泰教授为学科带头人 的科研队伍在国家自然科学基金项目1 1 1 】“机械配合热变形误差的基础理论与应用技术 研究”，博士点基金等资助下一直从事精密仪器的热误差、材料热膨胀系数、机械零部 件热变形理论及应用方面的研究，对零件形体尺寸在热变形中的一般性影响规律进行 了深入研究、对热变形的计算方法及误差分析、获得材料精确热膨胀系数等方面得出 了重要的结果。 i 4 本文研究的主要内容 针对数控加工仿真系统中的虚拟加工过程，对影响加工精度的主要因素切削力和 切削热进行分析、计算、仿真和实验。在整个研究过程中，我们将以过去的工作为基 础，采用理论、仿真和实验验证研究方法相统一。本文研究的内容如下： 一、应用a n s y s 软件对金属切削过程进行二维动态仿真 i 建立刀具和工件的材料模型； 2 建立刀具和工件的有限元模型； 3 实现切削过程的二维动态仿真； 二、切削力对加工误差的影响 1 切削力的计算及实验研究； 4 长春工业大学硕士学位论文 2 工件受切削力变形的理论计算； 3 工件受力变形的有限元仿真； 4 工件变形加工误差的理论预测与有限元仿真对比分析。 三、切削热对加工误差的影响 1 刀具和工件热变形的理论计算； 2 刀具和工件热变形的有限元仿真； 3 工件热变形加工误差的理论预测与有限元仿真对比分析； 4 刀具热变形加工误差的理论预测、有限元仿真及实验研究的对比分析 1 5 本章小结 本章阐述了数控加工仿真技术的背景和意义，从而提出了发展虚拟制造技术的必要 性和方向。然后综合评述了国内外研究现状和发展的趋势，最后介绍了本文研究的主 要内容。 长存工业大学硕士学位论文 2 1a n s y s 简介 第二章有限元及相关的基本理论 a n s y s 是一种广泛的商业套装工程分析软件“。所谓工程分析软件，主要是在机 械结构系统受到外力负载所出现的反应，例如应力、位移、温度等，根据该反应可知 道机械结构系统受到外力负载后的状态，进而判断是否符合实际要求。一般机械结构 系统的几何结构相当复杂，受的负载也相当多，理论分析往往无法进行。想要解答， 必须先简化结构，采用数值模拟方法分析。由于计算机行业的发展，相应得软件也应 运而生，a n s y s 软件在工程上应用相当广泛，在机械、电机、土木、电子及航空等领域 的使用，都能达到某种程度的可信度，颇获各界好评。使用该软件，能够降低设计成 本，缩短设计时间。 2 1 1a n s y s 的基本功能 a n s y s 软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元软件，可广 泛的用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军 工、电子、土木工程、生物医学、水利、日用家电等一般工业及科学研究。该软件提 供了不断改进的功能清单，具体包括“”： 1 结构静力和动力分析 a n s y s 程序中的静力分析包括非线性，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接 触面。动力学分析包括模态、瞬态动力、谐波响应、响应谱及随机振动。 2 结构非线性分析 在静态和瞬态分析中，a n s y s 程序可考虑多种线性的影响，这些线性影响可分为： 材料、几何和单元非线性。 3 热分析 a n s y s 程序可以处理三种基本类型的热传递方式：传导、辐射和对流。可分析的类 型包括：稳态分析、瞬态分析、相变分析和热一结构耦合。 4 电场分析和压电分析 电场分析主要集中在电流密度、电场强度、电压分布、电流通密度等。压电分析 主要用力分析三维结构对a c 、d c 、或任意随时间变化的电或机械载荷的响应。 5 电磁场分析和耦合场分析 a n s y s 程序在这一方面主要分析高频或低频电磁场不同方面的问题。另外，在设计 受热、结构、流体、电、电磁场影响的部件时，经常用a n s y s 来分析这些场的耦合影 6 长春工业大学硕士学位论文 响。 6 流体流动分析 a n s y s 流体能力能进行计算流体力学分析。 2 1 2 本课题中所用的a n s y s 功能模块 金属切削过程的材料行为，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、加载和计算等都是围绕着非线性而开展的，非线性分析的基本步骤如下“： 1 建立模型 确定j o b n a m e ( 文件名) 、t i t l e ( 标题) 、u n i t ( 单位) 等工作环境。 进入p r e p t 前处理器，定义单元类型，单元实常数，材料特性和建立几何模型。 在建立模型的时候，金属切削过程包括两个阶段，所以需要建立两个切削模型： 切入状态模型和温度状态模型。 做好静力分析，必须注意以下两点： a 、单元类型可以是线性或非线性结构单元。 b 、材料特性，定义杨氏模量；若加热载必须定义膨胀系数。 划分网格，对应力、应变和变形等区域，单元应划分得密一些。如分析中包含 非线性因素，网络划分到适合反映非线性因素影响的程度。 2 加载并求解 进入求解器，定义分析类型及分析选项。加载：给模型加约束，位移和初始条件； 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；保存数据；求 解，如有必要可进行反复加载求解。由于切削过程包括应力场和温度场的耦合过程， 所以要进行应力场和温度场的耦合分析。首先进行温度场分析，然后将温度场分析的 结果应用于应力场分析。 3 检查结果 静力分析的结果写进文件j o b n a m e r s t ( 结果文件) ，结果由以下数据构成： 基本数据一节点位移，温度等。 导出数据一节点单元应力、应变、温度、温度梯度、热应力、热变形等。 可以用j p 傩r l ( 通用后处理器) 或p 傩r 2 6 ( 时间历程后处理器) 检查结果。，n 汀l 可以检查基于整个模型的指定子步( 时间点) 的结果；p o s t 2 6 用在非线性静力分析 追踪特定结果选项。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 果文件必须是可用的 7 长春工业大学硕士学位论文 2 2 有限元分析理论概述 2 2 1 有限元法的概念 有限元法是求解数理方程的一种数值计算方法，是解决工程实际问题的一种有力 的数值计算工具。它可以求解复杂工程和产品的结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力 响应、热传导、三维形体接触、弹性等力学性能的分析计算，以及结构性能的优化设 计等问题。有限元法的基本思想是：将连续的求解区域离散化，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按一定方式相互连接，然后根据变形协调条件 综合求解。由于单元和节点的数目是有限的，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。 有限元法进行工程分析的一般过程包括三个基本部分： ( 1 ) 前处理。主要完成系统原始状态的模型建立、单元类型、材料属性、有限元 网格划分； ( 2 ) 求解计算。完成仿真过程的基本分析运算，即节点的应力、应变、系统温度 场等的分析计算： ( 3 ) 后处理。对仿真的中间结果和最终结果进行数据处理、列表、曲线或图形化 显示。 2 2 2 有限元法在金属切削研究中的应用 在金属切削过程的研究中有限元法的使用由来己久，特别是随着计算机技术的发 展克服了用该方法在计算上的困难，使有限元技术成为研究金属切削过程的一个强有 力的工具。 早在七十年代，苏联的b a 奥斯塔费耶夫及日本的臼井英治“”等学者在弹、塑性 力学的基础上，采用有限元方法对正交切削过程进行了分析。1 9 8 0 年l a j c z o k 建立了 一个直角切削时简化的有限元模型，来计算工件己加工表面中的残余应力。1 9 8 4 1 w a t a “” 假定工件材料模型为刚塑性时，建立了一个直角切削时的有限元模型来分析低速、稳 定切削时的切削过程。但传统的研究方法是先工程建模，再编程计算，这样不仅费时， 而且精度不易控制。 近十年来，随着计算机技术及软件技术的不断发展，出现了对金属切削过程进行 造型建模，然后利用大型有限元软件进行有限元仿真的新方法，美国、韩国、日本的 学者分别采用该方法对金属切削过程进行了有限元分析，这种方法由于具有方便、快 捷、精度高等特点，目前被各国学者广泛地应用在不同工程问题的分析中。如1 9 9 6 年 8 长春工业大学硕士学位论文 k i m 和s i n 用此方法建立了一个有限元的切削模型来预测切削中切屑的流动、切削区中 的应力和切削温度，这样就可以不用借助于具体的切削实验就可以预测切削过程中的 一些参数。1 9 9 8 年美国j q x i e 使用有限元方法建立一个二维的金属切削模型，并使 用修正后的平面应变条件的拉格朗日公式，来预断切屑形成、剪切角、切削力等参数， 并将计算结果和实验数据进行了比较“”近年来，人们还采用分子动力学的方法来对 纳米尺寸范围内的超精密切削过程进行模拟，以便更好了解切削过程的变化。 目前应用有限元仿真技术来进行金属切削过程的研究处于起步阶段，关于切削区 的磨擦及切屑分离判据等问题还需要进一步研究，而且人们往往只研究稳定时的切削 过程，对刀具切削起始阶段的切削过程研究不多，同时对利用金属切削过程仿真模拟 出的结果，来对刀具进行有限元分析和其几何参数优化方面的研究进行的也不多，我 国在这方面的研究目前还较少，因此进行该方面的研究具有十分的重要性与紧迫性。 可以相信，在计算机技术飞速发展的今天，有限元仿真技术将成为金属切削过程研究 领域中一个更为有效的手段，它将在金属切削过程的有限元仿真、刀具的仿真设计及 机床的静、动态特性的研究等方面发挥愈来愈重要的作用。 2 3 弹塑性变形理论 塑性是一种在某种给定载荷下，材料产生永久变形的材料属性，对大多数的工程 材料来说，当其应力低于比例极限时，应力一应变是线性的。另外。大多数材料在其应 力低于屈服点时，表现为弹性，也就是说，当移走载荷时，其应变也完全消失“”。 由于屈服点和比例极限相差很小，因此在a n s y s 程序中，假定它们相同。在应力一 应变曲线中，低于屈服点的叫做弹性部分，超过屈服点的叫做塑性部分，也叫做应变 强化部分。塑性分析中考虑了塑性区域的材料特性。 路径相关性：路径相关性是指对一种给定边界条件，可能有多个正确的解一内部 应力、应变分布的存在，为了得到真正正确的结果，我们必须按照系统真正经历的加 载过程加载。 率相关性：塑性应变的大小可能是加载速度快慢的函数，如果塑性应变的大小与 时间有关，这种塑性叫做率无关性塑性；相反，与应变率有关的塑性叫做率相关塑性。 塑性材料的数据一般以拉伸的应力一应变曲线形式给出。材料数据可能是工程应 d ，dr1 、 力( ) 与工程应变7 “- ) ，也可能是真实应力( 专) 与真实应变( l 。l i ) a o o 4 k o ) 大应变的塑性分析一般采用真实的应力、应变数据。而小应变分析一般采用工程的应 力、应变数据。 弹塑性材料进入塑性的特征是当载荷卸载以后存在不可恢复的永久变形，因而应 力应变之间不再存在唯一的对应关系，这是区别于非线性弹性材料的基本属性。以材 9 长春工业大学硕士学位论文 料的单向受力情况为例，如图2 - 1 ( a ) 所示，只是加载时应力应变呈非线性关系，还 不足以判定材料是非线性弹性还是弹塑性。但是一经卸载立即发现两者的区别，非线 性弹性材料将沿原路经返回，而弹塑性材料将依据不同历史状况卸载后产生不同的永 久变形。 o e ( a ) 非线性弹性与塑性 ( b ) 理想塑性 0 ( c ) 应变硬化塑性 图2 - i单轴状态 e 许多材料显示出一种理想塑性状态，这时存在一个确定的屈服应力c r 时，假设材 料具有线性( 或非线性) 弹性的应力应变关系，图2 - 1 ( b ) 示出了这种状态。更为 精密的塑性模型是硬化塑性材料，如图2 - 1 ( c ) ，这种材料的屈服应力取决于某种参数 k ( 例如塑性应变占。) 2 3 1 屈服准则 对单向受拉试件，我们可以通过简单的比较轴向应力与材料的屈服应力来决定是 否有塑性变形发生然而对于一般的应力状态是否到达屈服点并不是明显的。 屈服准则是一个可以用来与单轴测试的屈服应力相比较的应力状态的标量表示因 此知道了应力状态和屈服准则程序就能确定是否有塑性应交产生。屈服准则的值有时 l o 长春工业大学硕士学位论文 候也叫作等效应力，一个通用的屈服准则是v o nm i s e s 屈服准则，当等效应力超过材 料的屈服应力时，将会发生塑性变形。 可以在主应力空间中画出m i s e s 屈服准则，见图2 - 2 。 图2 2v o nm i s e s 屈服准则 0 1 在3 - - d 中，屈服面是一个以0 5 = o 2 = 0 3 为轴的圆柱面，在2 - - d 中，屈服面是 一个椭圆，在屈服面内部的任何应力状态，都是弹性的，屈服面外部的任何应力状态 都会引起屈服。注意：静水压应力状态( c 六= 0 2 = 0 3 ) 不会导致屈服：屈服与静水 压应力无关，而只与偏差应力有关，因此，e t , = 1 8 0 ，历= 0 3 = 0 的应力状态比 仃，0 2 = 0 3 = 1 8 0 的应力状态接近屈服。m i s e s 屈服准则是种除了土壤和脆性材料外 典型使用的屈服准则，在土壤和脆性材料中，屈服应力是与静水压应力( 侧限压力) 有关的，侧限压力越高，发生屈服所需要的剪应力越大。 2 3 2 流动准则 流动法则规定塑性应变增量的分量和应力分量以及应力增量份量之间的关系， v o nm i s e s 流动法则假设塑性应变增量可从塑性势导出，即： dp：旯丝(2-1) v a 盯 式中：d e 。塑性应变增量： a 正的待定有限增量。它的具体数值和材料硬化法则有关： q 塑性势函数，一般说它是应力状态和塑性应变的函数。 对于稳定的应变硬化材料，q 通常取与后继屈服函数f 相同的形式当q = f 时， 这种特殊情况称为关联塑性；否则称为非关联塑性对于关联塑性情况，流动法则表 示为： 长春工业大学硕士学位论文 d f ：a 望 ( 2 2 ) ，9 a 口 从微分学知道，娑定义的向量正是沿应力空间内后继屈服面，：o 的法线方向， o o - 所以v o nm i s e s 流动法则又称为法向流动法则。 2 3 3 强化准则 强化准则描述了初始屈服准则随着塑性应变的增加是怎样发展的。 一般来说，屈服面的变化是以前应变历史的函数，在a n s y s 程序中，使用了两种 强化准则。 等向强化是指屈服面以材料中所作塑性功的大小为基础在尺寸上扩张。对- l i s e s 屈服准则来说，屈服面在所有方向均匀扩张。见图2 3 。 、一一一一 图2 - 3 等向强化时的屈服面变化图 由于等向强化，在受压方向的屈服应力等于受拉过程中所达到的最高应力。 随动强化假定屈服面的大小保持不变而仅在屈服的方向上移动，当某个方向的屈服应 力升高时，其相反方向的屈服应力应该降低。见图2 4 1 2 长春工业大学硕 学位论文 0 2 s u r f a c e e q u e n t s u r f a c e 图2 4 随动强化时的屈服面变化图 在随动强化中，由于拉伸方向屈服应力的增加导致压缩方向屈服应力的降低，所 以在对应的两个屈服应力之间总存一个2 a l 的差值，初始各向同性的材料在屈服后将 不再是向同性的。 2 4 应用a n s y s 软件对二维金属切削过程的求解 基于前述的理论分析，在对金属切削过程全面分析的基础上，接下来核心就是如 何具体实现金属切削过程的有限元仿真。传统的有限元分析是先数学建模、再编程计 算，不论是计算精度还是计算规模都受到限制。现在的大型有限元软件不仅提供了大 型计算所需的数据库结构，而且提供了使仿真更符合实际且更精确的分析选项，结果 也更丰富，一次计算可为用户提供包括各节点的应力、应变、温度、位移等很多数值。 为了使仿真结果更直观更具有说服力，a n s y s 后处理器为用户提供了各种数据列表、变 形曲线和彩色云图显示，对于整个切削过程还可以生成一个动态的过程模拟动画。所 有这些都为正确、可靠地实现二维金属切削的数值模拟提供了强有力的手段。 2 4 1 基于塑性