毕业设计（论文）-基于Ansys的金属切削过程分析研究.doc

江苏科技大学本 科 毕 业 设 计（论文）学 院 机电与汽车工程学院专 业 机械电子工程学生姓名 班级学号指导教师 二零一五年六月江苏科技大学本科毕业论文基于Ansys的金属切削过程分析研究Research on metal cutting process based on Ansys江苏科技大学本科毕业设计（论文)摘要本文通过对金属切削过程进行深入的理论分析，以材料变形的弹塑性有限元理论为基础，建立了45号钢材料的正交切削有限元分析模型，借助大型商业有限元软件ANSYS强大的大变形分析功能，对45号钢材料正交金属切削过程进行了模拟分析。对切削过程中的两个重要部分：应力场、温度场进行模拟分析。由于在现有的ANSYS软件中，用于切削过程分析中的直接热结构耦合单元较少，且分析过程大多不稳定，难度较大，在本文中分别采用不同的单元类型和分析类型将应力和热分开分析，得到更稳定直观的分析结果。在应力场分析中，讨论了工件的残余应力、残余应变、切削过程中工件、切屑、刀具的应力分布，以及工件与切屑的接触类型，切削分离等问题。在温度场分析中，单独考虑工件与刀具的接触类型，为相对滑动，因此建立了两者的滑动摩擦分析模型，通过模拟切削过程中的摩擦生热，分析了工件和刀具在切削过程中的温度场分布。通过对金属切削过程的模拟研究，能得到直观的变量数据，对深入研究切削机理、设计和选用相关的切削工艺参数提供重要的理论指导和参考依据。关键词：ANSYS；金属切削；有限元；应力场；温度场AbstractMetal cutting process is theoretically analyzed in the paper，Based on the elastic-plastic finite element theory of material deformation，The FEA model of the orthogonal cutting of 45 steel materials is established，With the large commercial finite element software ANSYS powerful large deformation analysis function，A simulation analysis of the orthogonal metal cutting process of the 45 steel material is carried out.Two important parts of cutting process: stress field and temperature field simulation analysis.Because of the existing ANSYS software, the direct thermal structure coupling unit is less, and the analysis process is mostly unstable, and it is difficult to process.In this paper, the stress and heat of different element types and analysis types are separately analyzed, and more stable and intuitive results are obtained.In the analysis of stress field, and discusses the workpiece residual should force, residual strain, cutting in the process of workpiece and cutting chip, tool stress distribution, and the workpiece and chip contact type, the cutting separation.In the temperature field analysis, the contact types of the workpiece and the cutter are considered separately, and the sliding friction model is established,Through the simulation of friction heat in the cutting process, analyzes the distribution of workpiece and cutting tool in the cutting process the temperature field.Through the simulation study on the metal cutting process, intuitive variable data, in-depth study of cutting mechanism, design and selection of the cutting parameters provide important theoretical guidance and reference for.Keywords: ANSYS;metal cutting;FEA;stress field; temperature field目 录第1章 绪论- 11.1 研究的目的和意义- 11.1.1研究目的-11.1.2研究意义-2 1.2金属切削过程有限元模拟的国内外研究现状-21.2.1国外研究现状-21.2.2国内研究现状-3 1.3金属切削模拟技术存在的问题-3 1.4 ANSYS-41.4.1简介-41.4.2 ANSYS分析计算流程- 5 1.5本论文的主要工作-6第二章金属切削理论基础- 7 2.1金属切削变形理论-72.1.1金属切削过程概述-72.1.2金属切削变形的三个变形区域-7 2.2切削力的来源-8 2.3金属切削过程中的应力-9 2.4金属切削温度场理论-112.4.1切削温度场的概述-112.4.2切削热的产生与传出-12第三章 金属切削过程的有限元建模与分析-14 3.1金属切削应力场的有限元分析-143.1.1建立几何模型-143.1.2材料属性及材料的本构关系-153.1.3建立有限元模型与网格划分-163.1.4定义接触对-173.1.5求解设置-18 3.2金属切削温度场有限元分析-203.2.1建立几何模型-203.2.2定义材料属性-203.2.3建立有限元模型与网格划分-203.2.4定义接触对-213.2.5求解设置-22第四章 金属切削有限元分析结果-24 4.1金属切削应力场有限元分析结果-244.1.1切屑等效塑性应变分布-244.1.2切屑等效应力分布-264.1.3刀具的应力分布-29 4.2金属切削温度场有限元分析结果-32第五章 总结与展望-34 5.1总结-34 5.2未来展望-34致谢- 36参考文献- 37IV第1章 绪论1.1研究的目的和意义1.1.1研究目的在机械制造行业中，金属切削是一种非常重要的加工方式。数据表明，日本平均每年花费的切削加工相关费用为10000亿日元，美国每年花费在金属切削方面的为1000亿美元。目前，中国拥有各种类型的金属切削机床4000000多台，每年可生产高速钢刀具4.2亿件，在刀具制造过程中，硬质合金的使用量超过5300吨/年。由此可见，金属切削依然是目前世界上加工金属零件的重要手段。大约在1850年，科学家们把目光转移到研究金属切削的过程，逐渐开始了一系列的研究。因为金属切削的过程包含及其复杂的机械原理，其中，会运用到金属材料学、力学原理、物理学、弹-塑性理论、热力学、摩擦学等很多专业知识。而且大部分科学家在过去都会采取实验法来研究，虽然这个方法得出的结论是有一定可信度的，但是由于采用这种方法的实验周期长、成本费用高、稳定性差，长期使用有一定的困难。综合上述原因，可以看出对金属切削过程的研究在国内外的研究中都是难点和重点。切削工艺是根据相关图纸规格，借助刀具在材料表面切除多余不符的材料层，来加工出尺寸大小、形状、表面光滑度与预期符合的工件的一种加工方法。如何充分利用各种数据关系来有效精准的控制加工过程一直是众多学者和工作者研究的重点和难点，随着计算机技术逐渐应用到各种生产工艺中的这一趋势，有限元将会使这项研究有一个突破性的进展。近年来，切削工艺和切屑形成的有限元模拟在切削工艺中的应用表明，有限元方法可以帮助我们有效的分析切削机理，从而提高材料的切削精准度。随着时代的发展和非线性有限元技术的广泛应用，特别是在工程领域成功使用了的数值模拟技术后，使得工件切削过程的数值模拟也成为了可能。应用此方法可以得到比传统方法更为复杂的有限元计算模型。这些模型主要用于计算工件的残余应力、残余应变、温度分布以及预期的切削力等等。模拟切削的关键是切屑形成问题，通过ANSYS14.5中的粘结区模型（CZM），成功地解决了切削分离问题，且操作简便，对于切削分析具有借鉴意义。1.1.2研究意义本文运用相关理论对金属切削过程进行有效合理的分析研究，再通过在ANSYS软件中加入合理的参数进行实验，以材料变形的弹塑性有限元理论为基础，建立了45号钢材料的正交切削有限元分析模型，借助大型商业有限元软件ANSYS强大的大变形分析功能，对45号钢材料正交金属切削过程进行了模拟分析。对切削过程中的两个重要部分：应力场、温度场进行模拟分析。目前，在分析金属成形时，可以用的有限元软件比较多，可是还都不能够直接地模拟出金属切削过程。ANSYS软件是一种通用性很强的有限元分析软件，它具有很强大的前处理、后处理以及求解功能，但是在ANSYS软件中依旧没有能直接用于分析金属切削过程的专用模拟分析模块。本文在实例模拟分析中使用粘结区模型（CZM），成功地解决了切削分离问题。随着ANSYS软件的开发，使用有限元分析来研究相关问题已经是一种趋势、一种公认的研究方法。再加上实验设备种类多、费用大，不容易随意改变实验过程和数据。因此利用ANSYS软件在切削过程中对切削力和切削温度问题进行建模模拟和仿真研究是为研究切削问题提供了另一条简便且可行的途径。通过对金属切削过程的模拟研究，能收集到更真实可信的一系列数据，这样就方便了我们在生产过程中选用的切削工艺参数、设计工艺流程、研究切削机理。1.2金属切削过程有限元模拟的国内外研究现状1.2.1国外研究现状伊利诺伊大学的b.e.klameck（1973）通过大量的实验数据采集，根据大量前人的实验结果，在对金属切削过程的研究中首先提出了一个系统的讨论。同年，Lee和Kobayashi是最先把矩阵法和有限元数值模拟技术运用于在金属塑性成形过程的。TayStevenson和Davis（1974）首次通过正交切削有限元方法计算切屑、工件的温度分布；Zienkiewicz（1979）提出了粘塑性有限元法，并推导出粘塑性高温形成问题的有限元分析函数。从1980年至今，将金属塑性成形过程利用计算机进行模拟，逼近真实实验效果，从开始的电脑演练已经发展到今天的实用阶段，在金属切削过程分析的研究领域里，世界各地的研究人员都对有限元在金属切削分析中的应用进行了大量的研究和实践。1992年，Enkowski和Moon提出了能应用于金属切削模型研究的Euler方程。人们通过应用该方程来建立了金属切削有限元模型并进行了分析，其结果与实际切削过程中的测量值基本是吻合的。美国Ohio大学TAltan教授在塑性金属加工的研究实验和数据研究中，得到了不小的收获，目前该研究团队正致力于对刀具磨损机理和因素的有限元模拟分析。 Marusich和Ortizls（1994）用Lagrange模型对金属切削加工的过程进行了模拟仿真，并首次提到网格自动重划分技术在模拟金属切削过程中的应用，由其提出的方案能很好地解决模拟金属切削过程中网格畸变问题。2006年6月，美国俄亥俄州立大学的Altan带领其研究小组在CIRP举办的金属切削研究会议上，对金属切削的有限元模拟研究现状和成果做了详细的分析，并据此提出了金属切削未来的研究方向。1.2.2国内研究现状随着国外的各类有限元分析软件被引进到国内，以及许多国内专家学者们针对有限元理论和应用软件的研究，国内在金属切削理论的研究和有限元模拟技术在金属切削过程中的应用等问题上都有了很大的进展。国内许多学者在金属切削有限元分析研究中都取得了明显的成果，清华大学的方刚等人把已有的针对金属切削的Lagrange和Euler理论方法运用到对切削加工的有限元模拟分析中，实验结果表明该种方法比单独用其中任意一个原理得到的结果更加完善和准确。董辉跃、孙云杰、王涛等人用有限元法对用于航空的大型整体结构元件的加工变形机理、标准校正和加工时的残余应力进行了分析研究，该研究为实际生产过程提供了非常有价值的结果和参数。哈尔滨工业大学的庄文义、汤敬计等人用有限元法对精密微切削过程进行了分析研究，得到的结果与实际切削中的测量数据很相近，这就进一步证明了有限元法应用于金属切削分析研究的可行性。这些国内学者们的研究过程和成果极大地促进了国内金属切削有限元仿真模拟研究的发展，将已有的传统研究方法有限元法结合在一起，使我们对金属切削机理有了更深入的了解和认知，正是由于人们坚持不懈的分析研究，使当今的切削加工技术有了的飞跃发展和进步。1.3金属切削模拟技术存在的问题综合国内外关于有限元技术在模拟金属切削过程中应用的研究，得知其主要还存在以下问题:（1） 在进行金属切削加工过程的有限元模拟分析时，大多数人在建立有限元模型的时候会设立工件与切屑的分离线来引导工件与切削的分离，虽然用这种方法操作简便且能得到很稳定的分析结果，但其实这是不符合实际情况的。（2） 综合现有的金属切削有限元仿真，我们发现大多数学者都是建立的正交切削模型，而在实际切削过程中，刀具与工件接触并且会相对移动，这使得刀具与工件并不总是正交的，因此这就要求我们要对有金属切削限元模型做进一步完善，使其能更逼真地模拟出实际切削加工的过程。（3） 为了切削加工有限元分析的顺利进行，在设定参数时，我们会提出了各种假设，将切削过程进行了简化，实际上就是简化了许多条件，但这些被简化忽略的因素在实际切削时是会对切削过程产生一些不可忽视的影响的，因此，我们要进一步加深对金属切削机理的了解，能将那些被简化的因素量化并考虑到切削过程的有限元仿真中，以此来得到更真实的结论，才能用来指导实际生产。（4） 切削加工中，切屑形成过程的模拟中需要用到切屑分离准则，但是到目前为止，还没有总结归纳出适用性强的通用分离准则，并且就目前的研究现状来看，在这方面的技术还不够成熟，所以对金属切削过程的研究仍然有很长一段路要走。1.4 ANSYS1.4.1简介ANSYS软件是一个大型通用有限元分析软件。从最初的2.0版本到如今最新的16.0版本，它的功能也变得越来越强大。目前，ANSYS可用来分析结构静力学、结构动力学、结构非线性、动力学、热学、电磁场、流体动力学、声场、压电等等。并且它能与多数的制图软件完美对接，方便用户在绘制了需要分析研究的结构模型后能直接导入到ANSYS中对其进行分析。综合ANSYS覆盖到的分析类型，它可被应用于以下工业领域：航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。ANSYS软件里主要包括三个模块部分：前处理、分析计算和后处理。在前处理模块里，用户可以根据需要分析的材料及结构模型来进行实体建模的，再根据分析精度的需求来进行网格划分，在实际操作中，ANSYS软件还会对你的设置进行建议，人性化的设计使用户操作起来更方便；ANSYS的计算模块涵盖了众多的分析类型，其强大的分析功能也便体现在这里，用户可已根据自己的需要来设置分析类型；后处理模块是用来显示有限元计算结果的，其显示方式也很多，如彩色等效云图显示、梯度显示、矢量显示、立体切片显示、透明显示等，通过时间历程后处理器，还可将计算结果以图表、曲线形式显示出来，并且可以自己设定图表的各个坐标及需要显示的变量。1.4.2 ANSYS分析计算流程1.分析模型在进行有限元分析前，需要针对有限元模拟的问题进行一系列的分析。例如：分析需要用的几何是怎样的，可以根据分析的需要尽量简化几何模型来减少计算量，如果需要分析的实体模型为三维的，可以考虑能否将其简化为二维问题来进行分析。同时，还要明确分析模型材料的属性，比如是否要考虑非线性等。2. 选择单元 在第一步中，已经将需要分析的模型进行了分析，根据分析的类型，我们要选择合适的单元来进行分析，例如在本论文中，是建立的二维正交金属切削模型，故选用平面单元中的PLANE182。3. 定义材料参数 在第一步分析模型中，需要知道分析的模型里材料是否要考虑非线性，例如在本文中的金属切削模型中，刀具没有发生大变形，因此为线弹性，则只需要定力刀具材料的弹性模量和泊松比即可，而切屑是有很大的塑性变形的，因此要考虑其非线性，所以在定义工件材料时，除了弹性模量和泊松比，还需要定义它的屈服应力和切线模量。4. 建立模型 ANSYS中提供了多种建模方式，如实体建模，有限元建模，用户还可以从其他制图软件中将建立好的模型直接导入到ANSYS中，本实例中，我直接在ANSYS中定义几何参数来建立模型。5.网格划分在ANSYS网格划分中，一般主要有两种方法，即自由网格和映射网格。并且网格划分的合理与否会直接影响到分析结果，这需要用户根据自己需要来选择和划分。6. 确定分析类型 这一步中，用户由选择需要用到的分析类型，ANSYS中的分析类型有很多，比如静力学分析，瞬态动力学分析，谐响应分析等。7. 施加边界条件 在进行求解前，对有限元分模型施加边界条件是必要的一步，用户要根据分析实例中，模型的运动情况来施加力边界条件，如果还涉及到热分析，则还需要施加热边界条件，例如本文中的金属切削温度场分析中，就需要对模型施加热边界条件。8.求解在完成以上的几步操作后，就可以开始求解了，ANSYS包含多种求解方式，如直接求解，载荷步求解等，用户应根据需要进行合适的选择。9. 后处理 求解完成后，就需要进行后处理了，在这一步，可以根据需要将有限元分析得到的结果以不同的形式显示出来，比如本文中用了等效塑性变形云图，等效应力分布图，温度场分布图等。1.5本论文的主要工作金属切削的运动过程很复杂，尽管国内外许多的学者对金属的切削机理进行过大量的研究，但是，在对金属切削的研究上，仍然存在诸多问题需要人们去探索和解决，对金属切削的有限元仿真技术也需要更多的探索和研究。本文就是通过建立金属切削的有限元模型，在前人已有的研究基础上对金属切削相关问题进行讨论及研究。主要内容如下：（1） 查阅资料，对金属切削理论基础进行深入的了解和认知，明确在金属切削过程中涉及到的关键性问题，如切屑是如何形成的，切削过程中有哪些应力，切削过程中刀具与工件上切削热是如何产生和传出等。（2） 基于材料的弹塑性理论，合理地选择了模型金属切削的刀具及工件材料，模拟实际切削过程建立了几何模型及有限元分析模型。对二维正交金属切削过程进行了模拟分析，其中主要单独考虑了切削过程中，工件、切削以及刀具的应力场变化。（3） 建立了简化后的切削模型，单独考虑切削时刀具与工件之间的摩擦生热，分析了切削过程中工件和刀具上温度场的分布。（4） 对得到的有限元模拟结果进行总结分析，综合结果对整个切削过程中的应力场和温度场进行分析及过程中各种变化量的比对，得出研究结论。第二章 金属切削理论基础2.1金属切削变形理论2.1.1金属切削过程概述大量的实验和理论分析证明，金属切削过程中，切削层金属的变形过程即为切屑的形成过程。一般来说。金属切削过程中的材料变形有3至4个阶段，其变形顺序是：弹性变形(挤压阶段)塑性变形(晶体原子滑移)挤裂变形(断裂阶段）切屑与工件分离4个阶段，这是经过众多学者通过研究切削金属所得来的规律。当然，不同的金属材料以及不同的切削方式产生的变形过程会稍有差异。从金属材料即将被刀具切离工件变为切屑的那一瞬间，这4个变形阶段便已经完成了。通过对切削过程进行实验，观察和分析被切削下来的切屑实物，我们不难发现，金属材料是被刀具在切削力等作用下挤压而发生断裂的，并经过一系列复杂的材料变形之后，使之被切离工件而成为切屑。图21： 金属切削过程中的滑移线和流线示意图2.1.2金属切削变形的三个变形区域金属切削过程中，这些复杂的变形过程在工件上可用3个变形区域体现出来。这3个变形区域在实际切削加工中具有很重要的意义，因此，对其进行分析研究是必不可少的。根据可循的切削变形规律，在分析了切削过程中的变形情况后，绘制出了如图21所示的金属切削过程中的滑移线和流线示意图，流线即为被切削金属的某一点在切削过程中流动的轨迹。在实际研究中，整个切削变形区大致可以被划分为具体的三个变形区：(1) 第切削变形区域图21中已经标出了切削变形中的3个变形区域：标线所指示的区域是塑性剪切滑移区域，称为第切削变形区域，是切削过程中的重点变形区域，所以也一般将其称为主变形区域。主变形区域在切削过程中是消耗功率最多的，所以在这个区产生的切削热也是最高的，由于高强度的力及热的作用，这个变形区里刀具的主刀刃、刀具前角等磨损最严重。通过对切削实物主变形区的仔细观察，发现它是从图中的OA线开始塑性变形。在实际切削时，被切削的金属材料由于受到刀具挤压的影响，使材料内部晶间组织开始发生微量滑移，产生塑性变形，工件切切屑层表面温度急剧升高，一直到OM终处，整个剪切滑移过程就基本完成了。(2) 第变形区域 这一区域是即将切离工件的切屑挤排处，第变形区域是前刀面与切削之间发生磨擦最为严重的一个区域，切屑在经过了第一阶段的变形后，会从刀具的前刀面上滑过，在这个相对滑动的过程中，由于金属材料的切屑底层与前刀面发生摩擦和挤压，产生了切削热，切屑中与刀面接触的底层金属内部晶体结构，在受到刀具给予的切削力和切削热引发的温度变化的影响后产生纤维化变化，在这个过程中，晶粒被拉长变成纤维组织，形成的纤维组织的方向基本上与前刀面平行，有时，它的存在会使切屑排屑方向发生改变，这就在无形中使切削阻力变大了，这个现象影响到了排屑的顺畅性，同时也是使刀具磨损甚至受损的重要因素。(3) 第变形区域由图21可看出，第变形区域是就是后刀面与已加工表面的接触区域。在第变形区，刀刃由于切削过程中的各种因素而发生了变化后，会引起切削变形，并且会使零件的已加工表面产生一些对切削不利的物理现象，如加工硬化、工件变形等。这一区域带来的变化一般比较小，但是仍然不可忽视，因为想要得到合格的工件以及达到表面粗糙度等技术要求，都要考虑到这个变形区的影响。2.2切削力的来源 切削力是金属切削过程中极其重要的物理现象之一，它会对工件质量、刀具寿命、机床动力消耗等产生极大的影响，在机床、夹具、刀具的设计和校核中，切削力是需要着重考虑的要素之一。在金属切削过程中，金属切屑层之所以会产生变形，主要是因为刀具在切入时给予工件的力，这个力会使被加工材料发生变形，并使一部分材料与工件脱离成为切屑，它便是切削力。切削力在使切屑层的金属发生变形的同时，也消耗了功，产生了切削热，这就使得刀具在切削过程中会被磨损然后逐渐变钝，从而影响到被加工表面的质量和生产制造效率。对切削里进行研究，能让我们对清切削机理有更清晰的认知，对功率消耗的计算，和设计机床、夹具、刀具以及制定合适的切削用量，优化刀具几何参数等，都具有极其重要的意义。通过对切削机理的研究，我们得知切削力主要来源于以下三个方面： （1）克服被加工材料对弹性变形的抗力； （2）克服被加工材料对塑性变形的抗力； （3）克服切屑对前刀面的摩擦力和刀具后刀面对过渡表面与已加工表面之间的摩擦力。2.3金属切削过程中的应力切削过程中，切屑受到的力来源于刀具，在变形过程中，切屑受到刀具挤压的力，工件上的已加工表面以及切屑层都会产生塑性变形和弹性变形。与此同时，刀具的前刀面与切屑层之间，以及刀具的后刀面与已加工表面之间还会发生摩擦，因此在分析切削过程时，这两者是都要考虑到的。下面以图22为模型来讨论切削过程中各力的情况以及产生机理。图22切削力的分解在实际切削过程中，刀具与工件之间的力，方向其实并不是总能如假设那样恒定不变，但是在理论研究和分析实验结果时，为了便于分析计算，我们通常将切削合力进行分解，分解方向可分为三个：切削主运动方向、进给方向、切深方向，如图22所示，分别为图中的主切削力，进给力，背向力。即： （21）由现有的切削研究结论规律，我们已知了由切削合力分解来的三个分力中，主切削力是最大的，进给力次之，背向力是最小的。在实际应用中，主切削力是设计和使用刀具的主要依据，此外，主切削力还被用来校核床以及夹具里主要零部件的强度、刚度和机床的电机功率等等。背向力在实际切削过程中并不消耗功率，但是它会对被加工零件的变形以及加工质量产生至关重要的影响。进给力主要作用于机床的进给系统，它一般被用来校核机床进给系统里各个主要零部件的刚度和强度。切削过程中，除了要分析刀具上的力，还要分析作用在切屑上的力，下面以图23为模型，分析切削过程中切屑上的力。图23切屑的受力分析切削过程的本质是刀具与被切削材料发生相对位移，在这个过程中，切屑层会受到刀具给予的法向力和刀具前刀面与切屑层下底面的摩擦力，同时，切屑层在塑性变形时，会产生剪切力，如图23中(a)图所示，在这几个力的作用下，使得切屑层与工件分离并发生弯曲，从而完成切屑与工件的分离。在图23的（b)中，体现了剪切角与刀具前角的关系，同时，摩擦角也会对剪切角起到决定作用。根据材料力学平面应力状态理论: （22） 即： （23）由上式可知，切削过程中，若前角增大，则剪切角也随之增大，变形减小，这表明，在切削刃强度能得到保证的前提下，增大刀具前角可减少切削变形，对改善切削过程是有利的。与此同时，我们还能看出，摩擦角增大时，剪切角会变小，这说明，切削过程中，刀具与切屑之间的摩擦是会对切削性能产生影响的，因此，在对金属切削的研究中，如何改善这一现象带来的影响，一直是不可忽视的重点。2.4金属切削温度场理论2.4.1切削温度场的概述在论文前面，讨论了金属切削时的应力场，然而，切削过程中的另一个同样非常的物理现象也是必须考虑的，那就是切削热和切削温度，切削过程中的切削温度会直接对刀具及工件产生很大的影响，其中包括刀具的磨损和使用寿命，以及工件的加工精度和工件已加工表面的质量等。随着金属切削成为机械加工的主流方法之一，对切削温度的研究更是显得尤为重要。金属切削过程中的温度场是指被加工工件材料内部的温度分布情况和刀具表面的温度分布情况以及切屑的温度分分布情况。根据金属切削过程中三个变形区的定义，可将其分成三个部分，即：剪切区温度分布；切屑底层与前刀面的接触区温度分布；已加工表面与刀具后刀面的接触区温度分布。2.4.2切削热的产生与传出热的产生是由做功引起的，在金属切削中也是如此，前面提到了切削力来源于刀具，那么在研究切削温度时，其来源依旧是来源于刀具对工件做功，根据实际切削情况，及已有的研究结论，切削过程中切削热的产生和传出由三部分组成，如图24所示。 图24切削热的产生与传出这三部分由切屑层塑性变形，切屑底面与前刀面摩擦，后刀面与已加工表面摩擦组成，后两者属于同一类型，都是摩擦做功，因此在研究的时候将其归为一类一起考虑，所以我们将整个做功过程分为两部分：(1) 切削过程中，刀具使金属材料（工件）发生弹性变形和塑性变形时所做的功，我们称之为变形功。(2) 切削过程中，克服切屑与前刀面之间以及工件已加工表面与后刀面之间的摩擦所做的功，我们称之为摩擦功。在实际切削中，切削材料是多样化的，因此在研究切削热时，也会有一些差异。被切削材料为塑性材料时，就如上面的图例一样，其切削热主要来源于摩擦功和切削过程中材料的塑性变形。当被切削材料为脆性材料时，因为材料产生的塑性变形很小，几乎可以忽略，所以其切削热主要就只来源与摩擦功。切削过程中，单位时间里产生的切削热可用如下公式表示： （24）式中,为切削时产生的热量（），为主切削力（），为切削速度（）。在切削热产生后，这些热量会通过工件、切削和刀具以及周围的介质向温度比较低的地方传递。在切削过程中，具体的温度场分布情况，本文会在后面的章节建立有限元分析模型来具体分析，从而得到在切削过程中，温度的分布情况。第三章 金属切削过程的有限元建模与分析3.1金属切削应力场的有限元分析3.1.1建立几何模型在ANSYS中，给用户提供了很方便的操作界面，在文章前面已给出了ANSYS的有限元分析流程，第一步便是建立几何模型，在本文中将金属切削过程简化为二维模型进行分析，其几何模型如图31所示。 图31 切削分析的平面模型图31为切削分析的平面模型，该模型由加工的工件、切屑和刀具三部分组成。其几何尺寸如下：，刀具前角，刀具后角。在ANSYS软件中建立好几何模型后，如下图所示： 图32 ANSYS中的平面几何模型3.1.2材料属性及材料的本构关系在本实例中，我选用的刀具材料为YT15硬质合金，工件的材料为45号钢，需要用到的材料属性如下表：表31材料参数表参数材料刀具YT15硬质合金工件 45钢密度（）11.67.8弹性模量（）550210泊松比0.30.3室温(）30比热（）502466热导率（）7256摩擦系数0.2热膨胀系数6.5E-614.6E-6表面对流系数（）100300实例中的工件材料模型为45钢，在切削过程中，材料发生塑性变形后的应力-应变关系应符合线性等向强化模型，其中屈服应力为400，切线模量为15。根据金属切削的实际情况，工件与切屑的断裂应为型开裂，即张开型裂纹：裂纹受垂直于裂纹面的拉应力的作用，使裂纹面产生张开位移。如图33 中的所示。 图33 裂纹类型 因此，切屑与工件之间的粘结区模型只需要提供三个参数:最大法向接触应力360，完成分离处的接触间隙为0.003,人工阻尼为5E-4。在这个有限元模型的建立中，粘结区的创建是一个重点，由于在现有的ANSYS中，暂不支持该种材料模型的GUI操作，通过查阅ANSYS14.5的帮助文件，我采用了输入命令流的形式，采用的粘结区定义命令为：TB,CZM,3,2,CBDD。通过这种方法，可以将需要的三个参数成功定义，命令流为：TB,CZM,3,2,CBDD TBDATA,1,360E6,0.003,0,0,5E-4,3.1.3建立有限元模型与网格划分建立有限元模型时，首先要选择单元类型，单元的选择在有限元分析中是很重要的一个步骤，在ANSYS中，单元类型是根据研究对象不同的力学性能来定义的，本论文建立的是二维正交金属切削模型，故选用PLANE182平面单元，并将其设置为平面应变。与之相对应的，在定义切屑与工件之间的粘结时，选用适用于平面单元分析的接触单元CONTA171单元和目标单元TARGE169单元。按照表31中的材料参数建立材料模型，在单独分析金属切削过程的应力场时，只需用到表中刀具和工件材料的弹性模量、泊松比以及工件材料的屈服应力和切线模量。定义好材料属性参数后，便可以进行网格划分了。网格划分是有限元模型建立中至关重要的一个环节，网格的数量与质量会对有限元分析的精度产生很大的影响，更甚者，网格划分得不合理还有可能导致分析的失败。理论上来说，网格划分的越精细，得到的分析结果也会越精细，但是，这对存储空间及计算机的性能都会有更高的要求，其计算量也是剧增，所以，最合理的划分方式，应该是在保证必要的分析精度基础上，网格疏一些，使得整体网格数量少一些，便于计算分析。在本文中，我结合建立的几何模型，设置整体网格单元尺寸为0.0005，在保证分析精度的前提下，把网格数量降到了最少，便于后续的分析。 完成网格划分后的图形如图34所示。 图34 金属切削有限元模型网格划分图3.1.4定义接触对在分析金属切削的应力场时，需要创建3对接触，分别是：（1） 工件与切削之间的接触，这一对接触在前面设置了两者的接触后，便会自动生成为一个接触对。（2） 切屑层底面与刀具前面之间的接触。（3） 工件已加工表面与刀具后刀面之间的接触。基于本实例为二维金属切削模型，所以在定义接触对时，设置目标面均为（Lines) ,设置目标单元类型为柔性体（Flexibe),接触单元类型为面-面（Surface-to-Surface)接触。在此单独考虑应力场，故摩擦因数定义为0。完成接触对的定义后，可通过接触定义面板查看所建立的接触对并能对其进行修改，如图35所示。 图35 接触设置面板图3.1.5求解设置1. 设置分析类型ANSYS中，根据分析目的及材料性能的差异，提供了多种分析类型，如静力分析、模态分析，谐响应分析 、瞬态动力分析，谱分析等 ，在模拟金属切削过程时，应选用的分析类型为静力学分析，因此在分析类型设置面板中选择静力学分析（Static）。2. 设置分析选项金属切削中，金属工件材料会发生较大塑性变形，属于几何非线性，为了得到正确的分析结果，在这里必须要激活大变形选项，因此要在静态分析选项设置面板中勾选大变形选项（Large deform effects)。3. 定义边界条件金属切削中，其运动本质是通过刀具与工件的相对运动来实现切削加工的，对于本论文所做的金属切削模型，只需将工件底面与左端面固定，使刀具沿着X轴的负方向做匀速直线运动即可。因此，在有限元模型中，我将工件的底端和左端面全约束，并约束刀具右端面在Y轴方向(即竖直方向）上的位移。如图图36所示 图36 边界条件约束图4. 定义载荷在前文中已经说明了使刀具沿着负X轴方向做匀速直线运动即可完成切削动作，因此载荷的定义很简单，在约束了刀具右端面的竖直方向位移的基础上，给刀具施加沿负X轴的位移载荷，结合几何模型的尺寸，我给刀具施加的位移值为工件长度0.04。在GUI操作中，应选择约束类型为刀具右端面的UX方向，输入-0.04 。5. 定义载荷步（1） 控制输出计算结果：在后续的结果分析中，需要用到多个时间步的分析结果，因此在这里控制计算结果为输出每一步，即选择Every substep。（2） 设置计算时间和子步：在本次分析中，我定义的计算时间为1，子步数量为600，因此每个时间子步长为，这已经足够保证了分析的精度，并且计算量不算太大，因为要求刀具的运动为匀速直线运动，因此选择加载方式为斜坡加载（Ramped），并打开自动时间步。（3） 激活预测器：对于非线性问题的求解，每一个时间步开始时的位移，通常等于当前自由度求解，ANSYS中提供了预测器功能，它能使用以前的求解历史来推断自由度求解，以便能获得更好的下一步求解，因此，在这里，激活预测器功能。到这里，求解设置便全部完成了，接下来就可以开始求解了，根据设置的不同以及考虑到计算机的性能问题，需要的时间也各有差异。本实例在计算中，用时约三个小时。3.2金属切削温度场有限元分析3.2.1建立几何模型 在分析金属切削的温度场时，由于计算量的原因，在本论文中只分析了刀具和工件之间的摩擦热，而未考虑切屑的影响。因此将金属切削的几何模型简化为工件与刀具两者的摩擦模型，在实际切削过程中，刀具的刀刃是会产生微小的变形，从而形成一个很小的面，这个面与已加工表面相对滑动，符合摩擦生热的条件，与前面分析应力场时建立的几何模型相比，刀具的前角及后角以及工件几何尺寸都不变，只是在刀具的刀刃部分假设出一个微小的面，以此来建立的模型如图36所示。 图37 金属切削温度场分析几何模型3.2.2定义材料属性与前面单独分析金属切削应力场相比，这里要用到的材料参数相对较多，其中包括材料的密度、弹性模量、泊松比、比热、热导率、热膨胀系数、表面对流系数、初始温度以及刀具与工件之间的摩擦系数