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铝合金切削工艺有限元仿真研究 摘要 本文针对一款精密、多层、微孔的铝合金a l 6 0 6 l 薄壁零件加工过程中 刀具的静态和动态的模态特性，切削参数对切削力、切削温度和有效应力 等物理量的影响、薄壁件加工过程出现的切削变形以及在微钻孔过程中出 现的小孔偏差等问题进行了理论研究与实验验证。采用了模态分析的方法 分析了1 7 2 m m 钻头和m 3 0 h u n 盘铣刀在静态和动态的模态特性，同时用 有限元方法建立了铝合金a 1 6 0 6 l 切削过程的2 d 有限元模型，研究了铝合 金a 1 6 0 6 1 在切削过程第一、二、三变形区切削力、切削温度、有效应力等 物理特性；在2 d 有限元的基础上了研究了铝合金3 d 切削加工有限元模 型，分析了铝合金a 1 6 0 6 1 钻孔加工过程中切削力、第一、二、三区切削温 度和有应力的分布规律以及薄壁件件加工过程中的变形。 主要研究结论如下： ( 1 ) 对1 7 2 m m 钻头和m 3 0 n u n 盘铣刀进行了不同悬伸量的静态与动态模态 分析。通过模态分析模拟结果显示，两种刀具的振动形式有单一弯曲 变形、双弯曲变形、弯曲扭转变形；刀具的频率随悬伸量的缩短反而 增大；不是刀具的悬伸量越小，切削时切削振动就越小或是刀杆的悬 伸量越长，切削时的振动就越大，而是刀具的悬伸量在最小值与最大 值之间有个合理的悬伸量值。 ( 2 ) 有预应力1 7 2 m m 钻头和3 0 姗盘铣刀比对应的只在静态m 1 7 2 m m 钻头和m 3 0 h h n 盘铣刀频率高，这是由于预应力增加了刀具的刚度。 ( 3 ) 建立了二维切削有限元模型，对刀具前角、后角、切削深度、有效应力 进行了研究。仿真结果表明：随着刀具前角、后角的增加，切削力和 切削温度降低；切削力和切削温度随切削深度的增加而增加；有效应 力对刀具前角、后角和切削深度影响不太显著。 ( 4 ) 建立了钻孔和薄壁件三维切削有限元模型。仿真结果表明：随着钻孔进 给速度增加，切削力和切削温度也随之增加；有效应力的大小与周期 对于薄壁件变形有直接的影响，有效应力值较小且周期均匀时，薄壁 变形比较小。 ( 5 ) 用实验验证三维切削的模拟仿真结果。实验结果表明，切削力的有限元 模拟值与实验实测值存在一定偏差，但偏差在允许的误差范围内，这 表明建立的有限元模型的可靠性高。 关键词：模态分析二维仿真切削钻孔模拟薄壁件变形仿真有限元 i l r e s e a r c ho nt h ea l u m i n u mf i n l t ee l e m e n t s i m u l a t i o no fc u t t i n gp r o c e s s a b s t r a c t t h i sp a p e rc o n d u c t e dat l l e o r e t i c a l 咖d ya n de x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o no n m e p r o c e s s o ft h i n - w a l l e d p a r t w i t ht h e c h a r a c t e r i s t i co f h i 曲一p r e c i s i o n ，m u l t i l a y e ra n dm i c r o p o r o u sm a d eb ya 1 u m i n u ma l 6 0 6 l ， i n c l u d i n gt l l es t a t i ca n dd y n 锄i cm o d ec h a r a c t e r i s t i c so f l ec u t t i n gt o o l s ，t h e i r n p a c to fc u t t i n gp a r a m e t e r so nc m t i n gf o r c e ，c u t t i n gt e m p e r a t u r ea n de f f e c t i v e s t r e s s ，c u t t i n gd e f o m l a t i o na n dm i c r o p o r o u sd e v i a t i o n t h es t a t i ca n dd y n a m i c s t r e t c hm o d a lc h a r a c t e r i s t i c si sd o n ew i t ht h em e t h o do fm o d a la n a l y s i s 2 一d f i n i t ee l e m e n tm o d e l i nt h ep r o c e s so fa l u m i n u ma l 6 0 61w a se s t a b l i s h e dw i t l l t h em e t h o do ff e m s t u d i e st 1 1 ep h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c si nm e f i r s t ，s e c o n da n d t h i r dd e f o n i l a t i o nz o n es u c ha sc 毗i n gf o r c e ，c u t t i n gt e m p e r a 时ea n de f f e c t i v e s t r e s s s t u d i e st 1 1 ed r i l l i n ga n dt h i n - w a l l e dp a r t sf i n i t ee l e m e n t3 一dm o d e lo nt h e b a s i co f2 - df i n i t ee l e m e m m o d e l a n a l y s i s t h e c u t t i n gf o r c e ，c u t t i n g t e m p e r a t l l r ea n de f f e c t i v e s t r e s sd i s t r i b u t i o ni nt h e f i r s t ，s e c o n da n dt h i r d d e f o n n a t i o nz o n e a n ds i m u l a t ed e f o 咖t i o i no f t h i n - w a l l e d p a r t s t h em i a ni n v e s t i g a t i o nc o n t e n t sa r el i s t e da sf o l l o w i n g ： ( 1 ) u s i n gt h ed r i l lo f 1 7 2 m ma n d 3 0 m mp l a t em i l l i n gc u t t e rt op r o c e e d s t a t i ca n dd y n 锄i cs t r e t c hm o d a la n a l y s i sw i t hd i f f e r e ms u s p e n s i o n 锄o u n t s 1 l i 7 r h em o d a la i l a l y s i ss i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ev i b r a t i o nf o 姗o ft h et w o l ( n i v e sh a v es i n g l eb e n d i n gd e f o m a t i o n ，d u a lb e n d i n gd e f o n n a t i o na n dt h e t o r s i o nb e n d i n gd e f o n t l a t i o n ；w i t ht h ed e c r e a s eo fs u s p e n s i o no fe x t e n d e d l e n g m st o o l6 e q u e n c yi n c r e a s e s ，n o tt i l es m a l l e ra m o u n to ft o o ls u s p e n s i o n ，t 1 1 e s m a l l e rc u t t i n gv i b r a t i o n ，o rm el o n g e ro ft o o ls u s p e n s i o n ，t h el a r g e rc u 钍i n g v i b r a t i o n ，b u tm e 锄o u n to ft o o ls u s p e n s i o no 、v n sar e a s o n a b l es u s p e n d e d s t i e t c hq u a n t i 够b e t w e e nm i n i m u ma n dm a x i m u m ( 2 ) f r e q u e n c yo fp r e s t r e s s e d 1 7 2 m md r i l l i n ga n d 3o m mp l a t em i l l i n g c u t t e ri sl a r g e rt 1 1 a nt 1 1 es t a t i c ，t h i si sb e c a u s ep r e s t r e s si n c r e a s e st o o lr i g i d i t ) ， ( 3 ) 2 一df i n i t ee l e m e n tm o d e lw a u se s t a b l i s h e df o rc u t t i n g ，r a k ea n g l e ，r e l i e f a n g l e ，c u t t i n gd 印m ，e f f e c t i v es t r e s sw e r es t u d i e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a t ，w i t l lt l l ei 1 1 c r e a s eo fr a l ( ea n g l ea n dr e l i e fa n g l e ，c u t t i n gf o r c ea n dc u t t i n g t e m p e m t u r ed e c r e a s e d ；c u t t i n gf o r c ea n dc u t t i n gt e m p e r a t l l r ea sc u t t i n gd e p t h i n c r e a s e s ，e f f e c t i v es t r e s sh a sl e s ss i g n i f i c a n te f f e c t i o nt oc u t t i n g ，r a k ea n g l e ， r e l i e fa n g l ea l l dc i m i n g d e p t h ( 4 ) e s t a b l i s h e dm ed r i l l i n ga n dt h i n w a l l e dp a r r t sf i n i t ee l e m e m3 一dm o d e l r h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a t ，w i t l lt h ei n c r e a s eo fd r i l l i n gs p e e d ，t h ec u t t i n g f o r c ea n dc u t t i n gt e m p e r a t u r ea l s 0i n c r e a s e ；t h es i z eo fe f f e c t i v es t r e s sa n di t s c y c l eh a v en od i r e c te f f e c tt od e f o n n a t i o no ft h i n w a l l e dp a n s ，w h e ne f f e c t i v e s t r e s sv a l u ei ss m a l l e ra n dh a sb a l a n c ec y c l e ，d e f o m a t i o no ft h i n w a l l e di s s m a l l e r ( 5 ) u s i n ge x p e r i m e n tt ot e s ts i m u l a t i o nr e s u l t so ft h r e e d i m e n s i o n a lc u t t i n g i v e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a tm ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nv a l u eh a sac e r t a i n d e v i a t i o nw i t he x p e r i m e n t a lv a l u e s ，b u ti t sa l l o w a b l e ，i ti n d i c a t e st h a tm e e s t a b l i s h e df m i t ee l e m e n tm o d e lh a sh i g hr e l i a b i l i t ) ， k e yw o r d s ：m o d a la n a l y s i s ；t w o d i m e n s i o m lc 眦i n g ；d r i l l i n gs i m u l a t i o n ； t h i n w a l l e dp a n sd e f o r m a t i o ns i r n u l a t i o n ；f e m v 符号表 符号名称( 英文名称) 单位 热容( h e a tc 印a c i 够) 材料密度( m a t e r i a l d e i l s i t ) r ) 热传导系数( 1 1 1 e n i l a lc o n d u c t i v i t y ) j l g k k g m 3 w m 1 k l 泊松比( p o i s s o n sr a t i o ) 热交换系数( n l e n l l a ld i 觚s i v i 劬 砰s 1 热功当量系数( m e c h a m c a le q u i v a l e n to f h e a tc o e m c i e n t ) 弹性模量( e l a s t i cmodulus)gpa 铣刀直径佃o ld i 锄鼬e r ) 咖 切削合力( t o t a lc u t t i n gf o r c e ) n 最大切削力( m a x i m a lc u t t i n gf o r c e ) n x 方向的切削力( c u t t i n gf o r c ei nt l l ed i r e c t i o nx ) n y 方向的切削力( c u t t i n gf o r c ei nm e d i r e c t i o ny )n z 方向的切削力( c u t t i n gf o r c ei nm ed i r e c t i o nz ) n 前刀面刀屑接触长度( c h i p t o o lc o n t a c tl e n 舢o nt 1 1 e t o o lr a k e r 姗 f a c e ) 前刀面滑移区域刀- 屑接够孳度! c h i p 。t o o l c o n t a c tl e n g t ho nm e m m s l i d i n gr e 百o no t 。t l l et o o lr a k et a c e ) 前刀面粘结区域刀屑接触长度( c h i p - t o o lc o n t a c tl e n g t h0 n 恤n l l i l s t i c k i n gr e g i o no f t h et o o lr a l ( ef a c e ) 剪切摩擦系数( s h e a r 衔c t i o nc o e f j f i c i e n t ) 主轴转速( s p i n d l er o t a t es p e e d ) r m i i l 刀尖半径( t o o lnose砌mus)mm 工件的表面温度( t e m p e r a t l 鹏i nt l l es u 而c eo fw o r k p i e c e ) 室温( r o o mt e m p e r a t u r e ) 熔点( m e l t i n gp o i n tt e m p e r a t u r e ) 参考温度( r e f e r e n c et e m p e r a t u r e ) 切削速度( c u n i n gspeed)删hin 刀具与工件的相对速度( r e l a t i v e 、v o r k p i e c e ) 迸给速度( f e e ds p e e d ) 径向铣削深度( r a d i c a ld e p t ho f c u t ) 轴向铣削深度( a ) ( i a ld e p t ho f c u t ) 刀具前角( r a l ( ea i l g l e ) 等效应变( e q u i v a l e ms t r a i n ) 应变率( s t r a i nr a t e ) v e l o c i t y b e t w e e nt o o l觚d 州m i n n u n z m m n u n d e g 前刀面上的正应力( n o 加a js 仃e s so nt h et o o l 础ef a c e ) 最大正应力( n l em a x i m u ms 仃e s s ) v i s e c 1 m p a m p a 墨 ， 憎 g 户 见 y 孝 j e d f r b r k k b p n r r r k l v 石如却口万毒 o 材料的流动应力( n o ws t r e s so f 、0 r km a t e r i a la tt h ep r i m 哪s h e a r m p a z 0 n e i 粘结区域的摩擦应力( f r i c t i o n a ls 仃e s si ns t i c k i n gr e 西o na tt h et o o l m p a r a k et a c ej 剪切应力( s h e a rs 仃e s so nt l l es h e a rplalle)mpa 剪切区域的摩擦应力( f r i c t i o n a ls t r e s s0 nt h es h e a rz o n e ) 接触面上的剪应力( s h e a rs 仃e s so nt l l ec o n t a c ts u r 矗l c e ) 剪切屈服应力( s h e a ry i e l ds 仃e s s ) 铣刀半径( t o o lr a d i u s ) 准静态条件下的屈服强度( q u a s i - 蚴i cy i e l ds 慨n g m ) 应变强化强度( s t r a i n - l 删e i l i n gs t r e n g t l l ) 应变率强化参数( s t r a i nr a t es 吮n g t h e i l i n gp a 瑚1 e t e r s ) 热软化参数( t 1 1 e m a ls o r e n i n gp a r 锄e t e r ) m p a m p a m p a n h n m p a m p a v n l b 勺 0 0 h k 尺a b c m 铝合喧n 才削工艺有隈元仿真研究 1 1 本课题研究背景与意义 第1 章绪论 广东的硬盘驱动器磁头驱动架年出口量约占世界总产量的l 3 以上，是诸如s e a g a t e ， w d ，m a ) 【t o r 以及i b m 等众多世界知名硬盘制造商的最主要的供给来源和行业的领头 羊。硬盘驱动器磁头驱动架是一种精密、多层、微孔的铝合金薄壁零件，加工容易变形， 微钻孔尺寸小，要求精度高。由于壁厚很薄，所以在加工的过程中容易产生切削变形， 厚度尺寸精度很难得到保障。同时这种薄壁零件还需要微钻孔，在加工过程中由于钻孔 的直径小，其钻头刚度弱，钻孑l 参数不适当，导致容易在钻孔的过程中发生钻头的偏移使 钻孔出现超差现象，位置精度很难得到保证。 一直以来，在硬盘驱动器磁头驱动架加工的刀具设计和使用上，主要凭技术人员的 经验和多次反复试验来判断其合理性和实用性，在解决加工变形问题通过大量的实验来 确定加工参数，缺乏指导性和预见性等系统性分析，其后果是消耗大量生产成本，很大 程度上降低了公司效益。 面对全球市场的快速变化，企业只有不断把最新的技术运用到企业中，不断提高产 品的质量和降低成本才能赢得千变万法的市场。如何全面地分析刀具结构对切削过程的 影响，为刀具设计提给可靠的理论依据；同时，通过对各种新技术预测不同的切削参数 对薄壁件钻孔和切削变形的影响规律，从而优化薄壁件加工工艺参数。最终获得稳定的 加工质量和较低成本的加工工艺，是企业急需解决的重要问题之一。 随着计算机技术的发展，有限元切削技术仿真已成为高速切削过程机理研究的重要 手段。数值切削模拟技术是通过离散发的技术把连续的切削加工过程分散成许多的微小 的有限单元来进行计算，然后把这些微小的单元进行叠加来得到所需要的结果。通过有 限元数值模拟可以获得切削加工很多有价值的参数如：切削力、切削温度、切削形态等， 这些参数对研究加工过程发生的现象很有参考价值。通过数值模拟仿真的结果就可了解 那些切削参数是否正确，刀具的角度设计是否合理，为切削加工参数优化和刀具设计提 给理论依据。此外，有限元数值仿真具有成本低、模拟结果可靠、可以大大的缩短产品 的开发与生产周期，通过有限元数值仿真优化c n c 刀具设计及c n c 加工工艺将提高相 关加工技术研究的水平，增加企业的产品竞争力。 铝舌1 吻朋工艺有限元仿鼻研究 因此本论文根据生产实际需求，采用有限元仿真的方法，对铝合金硬盘驱动器磁头 驱动架薄壁件的加工方法，对刀具进行模态分析，分析孔加工加工振动问题进行深入分 析；对加工过程进行二维切削和、三维切削有限元仿真，通过对高速切削机理的深入研 究，对加工切削力、温度等进行分析；通过上述系列研究，为刀具设计、加工工艺参数 选择提供直观有效的技术方案，减少实验成本，降低研发周期。 本研究为企业提供系统的切削过程仿真和工艺参数优化方法，对于提高企业产品质 量，降低加工成本，获得更高的市场竞争力，具有重要的应用价值；同时，为丰富铝合 金高速加工仿真技术和加工理论，提给新的成果。 1 1 1 铝合金a l 6 0 6 1 的机械性性能与应用状况 硬盘驱动器磁头驱动架材料采用铝合金a l 6 0 6 1 ，a l 6 0 6 1 质量轻、强度高、加工性 能好而且很柔软，容易加工。它是a l m g 系等元素组成的铝化合物，可以通过添加c u 、 m n 等元素可以获得更加优良的机械性能。a l 6 0 6 l 具有中等强度、良好的抗腐蚀性、可 焊接性，氧化效果较好。有时添加少量的铜或锌，以提高合金的强度，而又不使其抗蚀 性有明显降低；当做导电材料时，添加少量的铜，可以抵销钛及铁对导电性的不良影响。 在m 啦s i 固溶于铝中，使合金有人工时效硬化功能，它的加工性能及氧化效果极佳可焊 性与抗腐蚀性电镀性高。这种材料被运用于广泛，在航空航天、工业产品、家庭生活用 品方面都有广泛的用途。如在飞机上用来制造机翼上翼面蒙皮、大梁、发动机零件、接 头；在汽车发动机、轮毂、车身板件、薄挂零件、保险杆、隔热板等都有广泛的运用， 图1 1 是铝合金a l 6 0 6 l 在工业生产中应用实例。 慰叠豳瓣 图1 1a l 6 0 6 l 铝合金在生产中的应用 f i g 1 - 1t h ea p p l i c a t i o no f a l 6 0 6 la l u m i n u ma l l o yi np r o d u c t i o n 1 1 2 铝合金a l 6 0 6 l 加工变形的研究现状 铝合金a l 6 0 6 虽然质量轻、强度高、可加工性好，但加工过程中容易变形从而导 致加工精度降低，特别是在加工薄壁件的时候更容易发生变形。 2 铝合盘刁刖工艺有限j 己，仂r 真研究 国内对铝合金a l 6 0 6 薄壁件加工变形从不同的方面进行了研究，文献【l j 认为引起加 工变形的主要原因是工件被加工后内应力的分布发生了重大的改变即工件内部微观组 织发生不均匀的变化，材料内部组织是处在一种不太稳定的状态，有一种要回复到没有 内应力的趋势状态，并且认为这种具有内应力的零件处在一种相对平衡的状态，一旦内 应力平衡被打破，零件就容易发生变形。文献【2 l 对铝合金切削过程的变形从力学模型进 行了探讨，通过对三个力学模型：i n e 平均力模型、w b n s o oy u n 单位切削力模型、 机械加工工艺手册切削力模型进行了分析比较得出了预测切削变形的切削力模型，得出 了切削参数对切削变形的影响比重，认为轴向深度对切削变形最大，其次是径向切深、 影响最小的切削速度。文献【3 1 分析了薄壁件加工变形跟薄壁件自身结构和切削参数的关 系，提出了增加切削速度和进给速度同时用分步走刀方法可以有效的减少变形。文献【4 】 认为毛胚的的初始残余应力是产生切削变形的主要原因，并比较了薄壁件两端变形的大 小程度，得出了切削过程中的末端比开始切削端变形要大。文献【5 】从切削力模型对薄壁 件变形进行了分析，从力模型中推导了法向力、摩擦力、切削平均厚度之间的关系，认 为切削厚度与切削力不完全成正比，切削厚度越薄，单位切削力反而越大。文献【8 】建立 了薄壁件加工有限元模型，得到了工件变形规律，并对仿真变形结果与实验切削结果进 行了比较，结果表明了该模型的可行性，可以预测薄壁件加工变形。 国外对铝合金a l 6 0 6 薄壁件加工变形也有不少的研究，文献【6 】建立了薄壁件切削力 模型，把切削面积简化成离散的微单元面积来分析切削力。文献【7 】建立了切削薄壁件平 底铣刀力学模型，它把切削力分散成切削刃上微小切削力之和，提出了切削薄壁件切削 力与厚度之间的尺寸效应关系。文献【9 】从刀具路径的补偿方面进行了研究，认为工件是 刚性体而刀具是弹性体，当刀具切削工件时由于刀具是弹性体会发生切削让刀现象从而 产生加工变形。认为这种变形通过附加c n c 数控程序来补偿让刀产生的误差，即简单 又有效。文献【lo 】分析了端铣刀切削薄壁件的变形过程，得出了如果作用在在薄壁件上的 切削力维持不变变形将不可控制，如果随着切削的进行，切削力在每切一层安一定的比 例递减将会得到一个比较小的变形。文献【l l 】建立了薄壁件有限元模型，从有限元仿真角 度对薄壁件的切削过程进行了分析，得出了切削力在开始的最大、中间最小、切出时次 之，变形量与切削力相一致；然后用做变形切削实验对比，其仿真结果与实验结果比较 一致，证明了有限元模型的有效性，其有限元模型如图1 2 所示。 餐咱蚴削工艺有限元仿真研究 。二 图l 2l i ug 锄g 薄壁件有限元模型 f i g 1 2l i ug 锄g f i n i t ee l e m e n tm o d e lo f t h i n - w a l lp 挑 1 1 3 刀具模态分析研究现状 对刀具的模态分析有高庆伟、刘辞英建立了二刃球头立铣刀有限元模型，分析了在 球头刃上加载静力作用下的刀具的模态分布情况。通过摸态分析，考察了球头铣刀不同 结构的振动特征，得出了球头铣刀的前四阶固有频率分布特征，前两阶模态是密集区， 后两阶是模态稀疏区【1 4 】。刘杰辉等对刨铣转子刀进行了模态分析，采用了s o l i d 9 2 固体 单元，分析了前1 0 阶刀具的固有频率和振型，得到了刀具在切削过程中容易发生共振 的频率范围区域【l 引。李小雷等研究了刀具在高速切削过程频率和动态响应，分析了在载 荷作用下系统的固有频率和振型，得到了激振频率对刀具振动位移的响应程度较低【1 6 】。 石岚等研究了不同直径的立铣刀模态特性，经过分析得出了立铣刀的悬伸量为整个刀具 长度的5 0 6 0 是最好的优化参数【1 7 1 。王贵成等对h s k 盘类工具进行了固有频率、模 态振型的分析，并对分析结果进行了实验验证，证明了有限元仿真的可靠性i l 酊。 t - 均e l l b e r g 等人研究了小直径刀具的模态分布规律，通过分析得出了刀具的悬伸量不是 越小越好而是在一定的悬伸量下刀具受到的切削振动最小，这个悬伸量跟整个切削系统 激振频率有判1 9 1 。王宾分析了在超高转速微钻孔钻头模态过程，分析不同悬伸量的刀具 频率与振型、不同过渡长度对刀具的频率和振型的影响、不同直径比对振型的变化规律 等等，得出了随悬伸量的增加固有频率降低，同时分析得出钻头最佳悬伸量在最小值与 最大值之间【2 。范文冲等用a n s y s 对刀杆进行了模态分析，以分析的结果即刀具固有 频率作为约束条件对刀具的悬伸量进行了优化设计，并通过实验验证了模态分析的可行 性【2 0 】。 1 1 4 切削加工二维有限元仿真研究 金属切削过程是切屑被刀具从工件材料被中去除的切削过程，这切削过程中是个三 维的切削的特征，当径向切削深度比轴向切削深度大于5 倍以上的时候这种切削过程就 4 甓名蚴削工艺有限j 己仿真研究 可以简化成2 d 平面应变问题瞄】，这样就可以简化切削过程。对一般的问题如刀具的角 度和切削参数的优化都可以通过2 d 切削仿真来实现的。 图1 3z i e n “e w i c z 模型【2 3 】 图1 41 w a t a 等效应变分布【2 4 】 f i 辱l - 3z i e n k i e w i c zm o d l ef i g 1 41 w a t ae q u i v a l e ms t 隐i nd i s t r i b u t i o n z i e n l 【i e 谢c z 运用有限元仿真分析铝合金切削过程材料的小位移变化，随着切削有限 元仿真技术在机械加工过程的运用，很多学者进行了各种各样的有限元的切削过程的仿 真分析【2 3 j 。s h i 础溅t 建立了刚塑性仿真模型，模拟了切削形状、应力和切屑厚度， 还做了对比的切削实验，其实验结果也比较好的验证了数值仿真的可信度【2 5 】。 m a e l b e s t a 丽【2 6 】模拟了稳态切削过程的有限元仿真，在本次有限元仿真过程中运用了 e u l e r i a i l 算法。c h u z l l o y 鲫建立了以铁素体为研究对像的数值模型，仿真了铁素体在不 同条件下的应变程度和锯齿状的切屑形态。m a e k a w a 【2 8 】在研究c h n d y 正交切削的有限元 模型的基础上过渡到三维有限元切削模型，通过对铝合金的切削实验发现了实验跟有限 元数值模拟出来的切削力与温度一致性比较好。h u a i l g 【2 9 】等人所作的工作是验证不同的 切削有限元数值仿真断裂准则的可靠性，发现当切削状态在稳态的时候断裂基准对应 力、应变率并没有很显著的影响。s h e t 【3 0 】在二维切削过程中运用了更新的c o u l o m b 摩擦 方程，采用的分离基准是应力准则，分析了不同切削参数条件下的切削力、温度等的分 布规律。 国内研究有限元金属切削仿真起步比较晚，但近年来研究比较快，也在切削仿真方 面做了不少的工作。南京航空航天大学的张华在研究国外其他人二维切削有限元仿真的 基础上对断屑槽进行了二维数值仿真，切削断裂基准是建立在塑性应变的分离准则；模 拟了切削过程中的应力、应变率的变化过程作分析，并绘制了应力等值线图，还仿真了 切屑流角、侧卷半径，通过模拟验证了刃倾角和流屑角跟斯坦布勒法则是相一致的【3 l 】。 刘加富等运用a b a q u 运用二维金属有限元切削分析了切削过程中的应变、应变率、切 削力的规律【3 2 1 。朱江新等运用d e f 0 肌软件对4 5 号淬硬钢进行了正交切削仿真，改变不 同的刀具前角和摩擦系数来模拟对切屑形状的影响特征，并对切削仿真结果进行了实验 铝合盘力朋工艺有隈元仿，l 研j 宅 切削实验，实验结果跟切削仿真结果比一致【3 3 】。谭阳等建立了刚塑性有限元切削模型， 对刀具在加工过程中应力的分布进行了分析，得出了刀具在刚切入工件的时候出现了应 力峰值，随着切削的进行，刀具的最大应力值在不断的减小，经过一段时间的波动后慢 慢趋近于某一值，最大的应力值在刀尖附近，当前角增大的时候，在刀尖后刀面的应力 值增大非常快【3 4 1 。曹自洋等利用限元分析软件a b a q u s 对刀具带有刃钝圆半径进行了 二维热力耦合的切削仿真【3 5 1 ，结果表明刃钝圆半径是发生加工切削细微尺寸效应的主要 原因；同时也研究了切削温度与细微加工的影响关系，建立了细微仿真模型，并进行了 二维热力耦合切削仿真，得到了切削厚度减少反而引起切削力的增大，通过分析认为是 由于材料的切削厚度的减少导致截切强度加强所致【3 6 】。李伟等建立直角数值模型，通过 改变不同的刀具前角来分析前角对切削力、刀具应力、切削温度的影响规律，为刀具设 计提供有用的参考价值并对加工表面质量的改善提给理论依据【3 7 1 。刘敏等研究了高硬度 的g c r l 5 材料，对切削刃采取三种不同的刃口形式与切削力、残余应力、温度的关系进 行了有限元数值仿真，仿真的结果表明：倒棱刃口切削工件所产生的切削热转到工件和 刀具表面很少p 引。蔡玉俊等【3 9 】运用a b a q u s 有限元分析软件对淬硬钢进行了高速切削 仿真。材料类型采j 0 h i l s o n c o o k 模型，仿真的结果出现锯齿状切屑；同时，分析了锯齿 状切屑和刀具前角与切削力的关系并做实验与之对比，实验结果与仿真结果一致性比较 好，再次证明有限元数值仿真的可靠性【3 9 】。盆洪民【钧】利用m s c m a r c 和a b a q u s 对淬 硬钢g c r l 5 二维数值仿真模型，在有限元模拟过程中出现了了锯齿状切屑和连续切屑， 并在出现锯齿状切屑时，随切削宽度扩大切削力增加明显，但温度随切削宽度的增加只 有少许增加。吴红兵等研究了高速切削钛合金锯齿状切屑的形成过程，对铝合金有限元 的仿真过程采取绝热和热力耦合分析，通过两种不同的有限元仿真发现铝合金带状切屑 的形成过程【4 l 】。谢峰等人模拟了a 3 钢的二维切削仿真，研究了切屑的形成、应力、应 变的形成过程，并用有限元方法计算出来剪切角1 4 2 j 叶玉刚等运用m a r c 对j o l l l l s o n c o o k 模型的5 个参数进行数值仿真，并与有限元软件本身系带的进行比较，得出修正的模型 仿真精度比软件提供的更耐4 3 1 。赵丽丽等研究了二维薄壁件有限元仿真，仿真得到了切 削力、切削温度对薄壁件的影响规律，并得出了切削力对薄壁件中间位置的变形影响最 大【5 7 1 。 6 铝噶蚴削工艺有豫元仿，l 研究 1 1 5 切削加工三维有限元仿真研究 三维数值仿真比二维数值仿真要晚很多，主要三维数值仿真比二维复杂很多技术要 求比二维要求高很多。在过去先很多有限元仿真都是二维开始切削数值模拟导致三维发 展比较慢。在三维方面比较早的研究是g a i l gf a i l g m 】运用d e f 0 咖进行了斜角切削数值 仿真，分析了斜角切削对切削力、切削温度、应力和应变率的研究。n 舢u n e d 【4 5 】也建立 了三维车削数值切削模型，研究了不同参数条件下刀一屑温度场的分布情况、切削力、 应力的变化趋势，并对切削温度和切削宽度的关系作了比较深入的探讨如图1 5 所示。 国内近年来对三维切削有限元仿真进行了比较多的探讨，对车削、切削、钻削等都 做了不少的研究。杜云芝m l 用d e f o i 洲3 d 分析了钻孔的过程，分析了钻孔加工过程 的切屑形态，刀具所受的温度、应力、应变、以及刀具的扭矩，不同切削参数下工件所受 的应变和温度变化的趋势；并预测了在切削加工过程中的钻头的应力和变形( 图1 6 ) 。 姜孟鹏等【4 7 】也是利用d e f o r m 3 d 有限元软件来模拟切削齿轮过程，主要模拟了切削 力和切削温度，并对仿真模拟的结果进行试验验证，结果证明仿真结果与实验结果相一 致的。 肆镥嗣? ； 纛 簟； 图1 5n a h m e d 有限元模型【4 2 】图1 - 6 杜云芝钻孔有限元模型【4 3 】 f i g 1 5n a h m e df i n i t ee i e m e n tm o d e lf i g 1 6d u n y u nz h id r i l l i n gm o d e l 刘伟等【4 8 j 建立了三维车削有限元模型，主要对低碳钢在高速加工刀一屑之间的切削 温度、切屑变形系数、切削力等数值仿真。辛顺强等对航空薄壁件的切削过程进行了有 限元模拟，主要目的是对薄壁件加工变形的切削参数如切削速度、切削深度和摩擦系数 进行数值仿真分析，获得了切深和切削速度对切削力的影响规律，得出了切削力的变化 规律是随切深的增加而增大，切削速度的增大而减少【4 9 】。王苏东对钛合金进行了切削仿 真研究，主要对切削参数切削深度、进给速度、切削速度对切削温度和切削力的影响规 律，得出切削速度对刀屑温度影响最大，切削深度对切削力影响最大【5 0 1 。盆洪等【5 l 】运 用a b a q u 对淬硬轴承钢进行了切削加工，模拟的带状和锯齿状切屑，并得到了切削宽 度对切削力、切削温度的影响规律，发现随着切削宽度的增加切削力也随着增加，但切 7 甓；合蕾力削工艺有限j ；朝方真研究 削温度增加的幅度不是太大只是稍有增加。梁良旧研究了球头铣刀高速切削斜面的有限 元数值模拟，分析了不同的走刀方式和切削角度对切削力和切削温度的影响，并得出了 切削角度在7 5 度的时候切削力最小。唐德文【1 3 1 对淬硬钢高速切削进行了数值仿真，对 第一、二、三变形区的有效应力、应变率、工件温度和一、二、三变形区的温度进行了 分析并得出相应的规律。 1 2 切削仿真在铝合金切削过程的研究 1 2 1 材料本构模的构建方法 材料的切除过程是切屑从工件中被分离的过程，在这个过程中存在高温、高应变与 高应变率，常规的实验方法很难得到材料的真实动态力学性能。因此，获得材料自身力 学性能的本构关系不但是研究加工过程中材料内部发生相关的塑性变形理论的重要研 究内容，同时也是机械切削数值仿真的基本前提条件，常采用的材料本构模型是 j o l l l l s o n c o o k 模型，它能比较准确的描叙材料流动应力与应变、应变率和温度之间材料 的力学性能【1 2 1 。该本构模型各个参数的确定都是需要相关的实验来确定。目前，一般常 采用高速压杆实验来得到各种待定的参数。这个模型能够比较好的体现物体切削过程高 温、高应变、高应变率的本构方程。 1 2 2 材料分离、断裂原则 材料的加工过程是前刀面挤压工件使工件在第一变形区产生塑性变形，当材料的塑 性变形超过屈服极限时就脱离材料而变成切屑。在有限元仿真过程中需要定义材料的断 裂准则后材料才能从工件中分离出来形成切屑，只有准确的定义断裂准则才能正确的仿 真材料真实的物理切削过程。在数值仿真中有各种各样的切屑断裂标准，主要分成物理 分离准则和几何分离准则【1 2 】。 1 2 2 1 几何分离准则 几何分离准则简单明了，判断方法又有两种情形。一种情况定义在加工线路上刀尖 和紧邻刀尖的距离来判断是否达到了分离的极限距离，当刀尖与紧邻的单元节点小于设 定的距离时，则该节点单元被分离成成两个节点单元，这两个单元的被分离后一个沿前 刀面向上运动形成切屑另外的一个被保留在工件表面上形成已加工表面【1 2 】，形成过程如 8 铝舌拗削工艺有豫元仿真研究 下图1 7 所示。工件被划分网格后与切屑层之间就先前设定一个分离基准直线，在刀具 尖点c 点处工件与切屑重合点作为切削的开始起点【1 2 】，切削分离准则就是建立在切屑起 点c 与其点距离为b 值的d 点当距离b 值小于设置的临界值时节点单元不被分成两个 单元，当c 点与d 点的距离超过我们设定的极限值时，节点单元就会被分离成两个节点 单元一个单元沿前刀面向上形成切屑，另外一个节点单元留在工件表面形成已加工表面 【l 羽。这个判断基准看起来很简单，但是在实际的切削过程中刀尖与切屑分离d 点的距离 很小，这个距离小到几乎接近到零值。在有限元数值仿真中b 值不可能为这个值【1 3 】，那 样的话计算无法进行下去，所以这个值的设定是很难估计的，所以这种几何判断标准有 很大的局限性。 图1 7 切屑几何分离示意图【l 圳 f i g 1 7c h i p sg e o m 硎cs 印a r a t i o ns c h e m e s 另一种分离标准就是现在比较流行的判断标准：网格重划分标准。这种几何划分的 方法是刀尖穿透工件网格距离达到设定值的时候触发工件网格重划分。这种有限元切屑 分离的分离准则是常用的几何分离准则5 2 5 3 1 。当网格被重划分的时候原来的节点有关的 参数保持不变，在被穿透的节点单元网格被重划分，如图1 8 所示。通过这