倒角刀刃切削过程的有限元模拟毕业论文.doc

本科毕业设计（论文）说明书 倒角刀刃切削过程的有限元模拟 摘 要 本文主要介绍了刀刃倒角参数的变化对切削温度、应力等切削因素的影响。由于切削过程复杂，传统的分析方法很难进行定量的分析和研究，应用计算机有限元模拟方法来研究切削加工过程与刀具各种几何参数之间的关系成为现今最有发展前景的方法之一。所以，本文将在DEFORM-2D软件平台上应用有限元法来模拟分析倒角刀刃切削过程。有限元法是把整体分割成有限个单元所组成的组合体的分析方法。有限元法能够方便地分析各种工艺参数对切削过程的影响，它将复杂的形状和受力的情况变成相对简单的单元受力、位移情况，再找出合适的函数来描述这些单元的变化规律，对各个单元组成的整体进行分析。本文先对模拟实验需要用到的理论基础和DEFORM-2D软件作了简介，对模拟中的条件参数设置作了说明；之后应用DEFROM-2D软件建立模拟切削模型，进行模拟切削，将实验数据以图表形式列出；在得到模拟实验数据后，用分析对比的方法，研究刀刃倒角角度、倒棱投影长度变化对切削温度、应力、应变等切削因素的影响，并对倒角刀具与无倒角刀具在切削过程中的部分优缺点作了比较。模拟实验结果表明，切削温度、应变随刀刃倒角角度和倒棱投影长度的增大而增大，有效应力几乎不受倒角参数变化的影响；在切削过程中，倒角刀刃比无倒角刀刃更适于切削硬质工件材料。关键词：倒角刀刃，有限元模拟，切削过程AbstractThis paper mainly introduces the effect of chamfered cutting tool on cutting parameters such as cutting temperature, effective stress. Due to the complexity of cutting process，the traditional analysis methods are difficult to give a quantitative analysis and research, the computer simulation of the finite element method is used to study the relationship between the cutting process and tools various geometric parameters which becomes one of the most promising methods now. Therefore, the finite element method will be used to simulate the cutting process of chamfering edge with the DEFORM-2D software platform in this article.The finite element method is an analytical method which splits an overall object into limit consisting units.By finite element simulation,technological parameters influence on cutting process can be analyzed convenierntly, the situation with complex shape and force are changed into a relatively simple case of units force and displacement, and then a suitable function will be found to describe the changes of these units, finally the combination of various units will be analysised.In this paper, a introduction is first made to introduce the theory of foundations in the simulation experiment and the DEFORM-2D software, the conditions of the simulation parameters are also described; and then the DEFORM-2D software is applied to establish cutting simulation model to simulate cutting, experimental data will be listed in the chart; after the experimental data is got, analysis and comparison methods will be used to study the variation of tool edge chamfer angle and chamfer width on the impact of cutting temperature, stress and strain factors, and compare the advantages and disadvantages of chamfer edge and sharp edge.Results of the simulation show that, with the increase chamfer width and chamfer angle, both the cutting temperature and effective strain increases, the effect of chamfer angle and chamfer width on the effective stress was insignificant; in the cutting process, chamfer edge is more comport than sharp edge to cutting rigid workpiece.Keyword:chamfer edge, finite element simulation, cutting process 目 录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1引言11.2研究背景与国内外研究现状11.3本课题研究的价值、意义31.4本课题研究的主要工作4第二章 理论基础52.1本研究应用到的金属切削理论基础52.2有限元模拟的理论基础92.3 DEFORM-2D软件简介11第三章 倒角刀具切削过程有限元建模123.1切削参数的选定123.2有限元分析网格的建立133.3实验数值的选择14第四章 倒棱投影长度变化的模拟实验数据和分析164.1各次模拟实验的其它条件164.2切削温度164.3有效应力194.4有效应变及应变率194.5数据分析224.6本章小结28第五章 倒角角度变化的模拟实验数据和分析295.1切削温度295.2有效应力315.3有效应变及应变率325.5数据分析355.6本章小结40第六章 无倒角刀具与倒角刀具的对比分析416.1无倒角刀具的模拟实验416.2与倒角刀具的数据对比分析43结 论45参考文献46附 录48致 谢50第一章 绪论1.1引言切削加工是机械加工制造应用最多的加工方式之一，它可以应用在几乎所有的机械加工制造行业当中，是国民生产的重要支柱。各国对于此领域的投入都颇为巨大，例如美国的年投入经费就超过3000亿美元1。而一个产品的加工精度高低、质量好坏取决于整个加工系统的性能，不是单一依靠某个环节的，包括了机床、夹具、刀具等。在全球化激烈竞争的背景下，特别是机械制造业技术水平突飞猛进的今天，提高切削加工尤其是精密和超精密切削的生产效率和加工质量，就成为了必须重点研究的课题，需要深入地研究切削机理、切削加工和切屑形成理论。但研究切削过程也是一个非常复杂的课题，它不但涉及到多个学科的理论知识；切削的质量又受到刀具几何参数、工件材料、温度分布、应力和刀具磨损等影响；在切削加工中，切削表面的残余应力和残余应变又能严重影响了工件的精度和疲劳寿命。所以，利用传统的解析方法，很难对切削机理进行定量的分析和研究，都局限在经验化范围内，这严重影响了切削加工的效率，并导致加工成本高、加工过程中错误甚至事故的频繁发生。随着计算机仿真技术在机械制造行业中应用范围的不断扩展，一些学者将其引入到切削加工领域，从而形成了仿真技术，使得利用有限元仿真方法来研究切削加工过程以及各种参数之间的关系成为可能。通过应用一些商用有限元软件，工程师和研究人员可以定量分析这一过程，降低了切削过程分析的成本同时也提高了分析的质量。通过应用有限元软件进行仿真模拟分析得出的数据与通过实验得到的数据基本吻合，说明仿真模拟具有很高的可靠性，可以作为研究设计的依据。根据最新的资料显示，目前的研究主要集中在以下几个方面2： (1)一般材料去除与切削过程的研究；（2）特殊加工过程的计算机模拟的研究；（3）切削过程的几何与过程参数的研究；（4）加工过程中的热研究；（5）加工过程中残余应力的研究；（6）加工机床的动力学研究与控制；（7）机床磨损与误差的研究；（8）切屑形成机理的研究；（9）最优化与其他主题的研究。本文将采用有限元法研究切削过程中刀具倒角几何参数的变化对整个切削过程的影响。1.2研究背景与国内外研究现状计算机模拟加工过程是制造工程领域的重要成果之一，由于使用了计算机模型对所需切削力、切削温度、切削形成过程等进行仿真，大大简化了整个研究中试验过程，减少了反复试验，节约了研究成本和人力，具有很高的价值。研究该领域的学者，都倾向于应用有限元进行切削过程分析建模，有限元法的优点是让计算机能够自动模拟整个切削的复杂过程。几十年来的深入研究，人们对于计算机模拟已经有了比较全面的了解，建模方法已经从最初的简单剪切平面法发展到更加复杂的有限元方法，而有限元方法是最新趋势的代表。有限元法有着强大的应用能力，可以包含几乎所有金属切削过程的各个方面，可以同时解决在刀屑接触面摩擦的应力平衡方程、应力应变增量关系式、热传导方程、材料本构方程和应力特性方程。这个方法可能比其他方法更细致地揭示金属切削过程2。国内外的研究者在有限元分析法上都做了细致的研究，取得了很多卓越的成果，可也还是留下了一些发展的空间，让我们后人去探索。MerChant3，4、Piispanen5和Leeandshaffer6是最早应用分析模型的学者，他们利用了切屑角模型来分析切屑在生成过程中的角度与刀具前角的关系。1960年Clough7在他的论文“平面分析的有限元法（The Finite Element Method in Plane Stress Analysis）”中最先引入了有限元（Finite Element）这一术语，一提出就引起了广泛的关注。1982年Usui和Shirakashi8第一次提出刀面角、切屑几何形状和流线等概念，得出了一个稳态的正交切削模型，应用此模型对切削过程中的应力应变和温度等参数进行了预测。2003年方刚和曾攀9针对典型的正交切削工艺建立了平面应变模型，应用DERORM-2D软件对所建模型进行有限元分析，并将部分结果与文献中的介绍实验结果做了比较，发现两个结果吻合，证明了应用商业软件对切削过程进行有限元模拟分析的可靠性。2003年10月华南理工大学的邓文君10，12、夏伟10等学者提出了一个预测倒角刀刃切削过程中切削力大小的有限元分析模型，综合考虑了切削加工过程中的大应变、应变速率和温度函数，采用不同切削条件下切削力的测量结果对有限元分析结果进行验证，还分析了刀刃的几何参数对切削力的影响。2004年合肥工业大学的谢峰和刘正士11有限元法及弹塑性变形理论对二维金属切削的变形过程进行有限元分析，指出了金属由弹性变形到塑性变形时单元刚度矩阵变化的规律。2004年邓文君10，12等学者采用热力耦合、平面应变、连续带状切屑的切削模型模拟了高强度耐磨铝青铜的正交切削加工过程。采用增量步移动刀具的方法，结合有限元分析软件MARC的网格重划分功能，模拟了刀具从初始切入到切削温度达到稳态的切削加工过程，获得了不同切削深度和切削速度下的切屑形态、温度、应力、应变和应变速率的分布。2005年胡韦华、王秋成、胡晓冬和刘云峰13针对有限元方法在切削加工过程中得到越来越广泛的应用，研究了切削加工过程数值模拟的研究进展情况，并对切削加工过程数值模拟的发展方向进行了展望。2006年华南理工大学的何振威、全燕鸣和乐有树14用DEFORM-2D软件建立了典型的正交切削模型，研究了高速切削中切削热在切屑、工件和刀具部分的量化分配规律。但是所得的结果只是停留在模拟实验阶段，没有与实际试验做过比较。2009年李泽文、罗洪波、端正强和肖华军15对三角形刀片的切削过程进行了有限元分析，获得了不同切削用量对切削力、切削温度、刀片应力的影响，以选择合理的切削用量来延长刀具寿命。通过以上的了解，对于切屑形成过程的有限元模拟方面，国内的2-D模拟发展相对3-D模拟较快，甚至能够对塑性较差的工件材料的切削进行2-D模拟；国内的仿真主要停留在2-D领域，不仅视觉效果不够理想，而且模拟的能力仅局限于正交切削范围，其它大部分的切削情况都不能模拟，如包含斜刃切削的车削、刨削、铣削、钻削等切削加工情况。以上学者们的研究各有特点，都是考虑了加工过程的某个或某几个因素，并且在自己研究成果的基础上编写了相应的有限元程序。我们可以看出，对于本身就复杂的切削过程，一个有限元程序的编写也是一个非常繁重的任务。对于本科生来说，自己编写一个基于考虑某几个因素的有限元程序几乎不可能在有效时间内完成，更别提再用其进行相应的分析研究了，所以有效地应用现有的软件进行切削数值仿真就显得尤为重要，现在的许多商用软件都提供了这个平台，本论文将主要使用DEFORM-2D来实现切削过程的有限元模拟。1.3本课题研究的价值、意义随着全世界越来越多的研究学者和工程师的努力，有限元法分析已经变得成熟和可靠，他们通过计算机所进行的大量的模拟科学研究，获得了大量宝贵的资料和成果。由于传统的研究方法难以定量分析切削机理，一旦面对高速、超精密切削加工等工艺，实验的方法便很难获得所需的相关参数，反而虚拟制造技术能够缩短开发周期、降低成本、提高产品质量，从而提高产品的市场竞争力。对切削过程进行虚拟仿真，研究金属切削变形等物理现象的影响因素，可以帮助合理选择参数工艺中的切削速度，背吃刀量及进给量;对刀具几何结构(前角，后角和断屑槽等)进行优化设计，进而可以采取措施减小切削力，提高金属切除效率并改善加工表面质量，优化加工工艺等。所以，采用计算机模拟技术研究切削过程中的金属变形及其温度分布等是目前最有发展前景的研究方法之一。利用有限元模拟方法能够方便地再现各种工艺参数对切削过程的影响，为优化切削工艺和提高产品精度与性能提供理论和实用的手段。在以往的研究中，研究人员出于研究的方便，常常将刀刃的形状抽象成理想刚性的、不可磨损的，但是在实际的切削过程中，刀刃切削工件在各种因素的共同作用下将不可避免地有损坏特别是切削硬度高的材料，那种理想的情况并不存在，也带来了数据与现实结果的一定偏差。而出现磨损的刀刃不但会严重影响加工的尺寸精度，也会影响已加工表面的质量。在这种情况下，有必要采用带倒角的刀刃进行切削。对于倒角刀刃的有限元法模拟，国内外的研究还比较少，对于它的切削过程了解也不多，所以本论文将通过DEFORM2D软件采用有限元法对倒角刀刃切削过程进行模拟，了解其切削过程，分析其倒角刀刃几何参数对切削力、切削温度等因素的影响，为刀具的实际选择提供一定得理论依据。通过阅读文献了解相关研究背景和国内外研究现状，我对于应用有限元法模拟切削过程有了更清楚的认识，本课题能够全面地考量我在本科阶段的分析动手能力、对于新理论的应用学习能力以及对于问题的探索研究能力，能够完成本课题将是对我整个本科阶段的最佳总结。1.4本课题研究的主要工作主要的研究目标是使用金属切削理论和有限元理论，应用DEFORM2D软件建立切削模型对倒角刀刃切削过程进行有限元模拟，获得切削过程中的切削力、切削温度等参数，并分析所得参数对于现实机械加工工艺的意义。具体工作如下：（1） 学习金属切削理论，全面了解切削过程的应变特点及刀刃的运动特点。（2） 初步了解有限元理论，建立正确的倒角刀刃切削模型，并能对切削过程进行有限元模拟，获得相应的实验数据以供分析。（3） 学习DEFORM2D软件的使用方法，掌握其仿真模拟的相关操作，利用DEFORM2D进行实验，记录实验数据。（4） 探讨倒角刀刃在切削过程中的切削情况，利用所得的实验数据来分析其几何参数变化对于切削过程的影响，研究造成这种影响的原因及影响的因素。第二章 理论基础2.1本研究应用到的金属切削理论基础 2.1.1切削中的金属变形在切削时，由于刀具对于金属的切入和挤压，金属会发生变形，通过图2-1我们可以看出，金属的变形大致分为三个区：（1）第一变形区 从OA线开始发生塑性变形，到OM线晶粒的剪切滑移基本完成。这一区域（）称为第一变形区（2）第二变形区 切屑沿前刀面排出时进一步受到前刀面的挤压和摩擦，使靠近前刀面处金属纤维化，基本上和前刀面相平行。这部分叫做第二变形区（）（3）第三变形区 已加工表面受到切削刃钝圆部分与后刀面挤压和摩擦，产生变形与回弹，造成纤维化与加工硬化。这一部分的格子变形也是较密集的，称为第三变形区（）16。图2-1 金属切削过程中的滑移线和流线示意图同时金属晶体结构在切削中发生滑移，晶粒沿着纤维化的方向伸长，与剪切面形成了一个夹角，在一般的切削速度范围内，第一变形区的宽度很小，可以用一个剪切面来代替。根据上述的变形过程，塑性金属的切削过程可以粗略但很形象地模拟为图2-2的情况，被切削材料如同一沓叠好的卡片（表示为剪切面）1,2,3.刀具切入后，卡片被挤压到1，2，3.的位置，发生了滑移。从图中也可以看出，刀具切削部分的几何参数例如：前角、后角、刀刃是否是倒角或钝圆等会影响到金属滑移的情况，也会使切削结果发生变化。图2-2 金属切削过程示意图2.1.2切削刀具的几何参数切削过程是工件和刀具相互作用的过程，刀具在切削中去除一部分的金属，往往是通过两种运动：（1）主运动 是工件和刀具产生相对运动以进行切削的最基本运动。这个运动的随度最高，消耗功率也最大。（2）进给运动 是主运动能够继续切除工件上多余的金属，以便形成工件表面所需的运动，称为进给运动，它消耗的功率比主运动要小。切削加工的方法有很多种，所以相对应的切削刀具也有很多，但是这些刀具在参加切削的部分在几何特征上却都具有共性，图2-3给出了外圆车刀的切削部分几何形状，它可以看作是各类刀具切削部分的基本形态。 图2-3 外圆车刀的切削部分前刀面（Ay）：流出切下的切屑的表面；主后刀面（Aa）：与工件上切削表面相对的表面；副后刀面（Aa）：与已加工表面相对的表面；主刀刃：前刀面和副后刀面相交的棱，形成工件的切削表面，主要完成金属切除工作副刀刃：前刀面与副后刀面相交的棱，协同主刀刃完成金属切除工作切削过程中还要考虑刀具的切削角度，以表示刀具的切削部分各表面的空间位置，这些角度的确定需要选择适当的参考平面来作为坐标基础。图2-4显示了刀具角度坐标平面的选择和刀具的切削角度确定，以基面Pr和切削平面Ps作为坐标平面，在N-N平面视图上角可以看到yo是刀具前角，o是刀具后角。图2-4 切削刀具的参考平面2.1.3切削力金属切削时，刀具切入工件，使被加工材料发生变形成为切屑所需的力，称为切削力。切削力是研究切削过程的一个重要的物理因素，它能被加工材料、切削用量、刀具几何参数、刀具材料、切削液和刀具后刀面磨损等影响。在本文中，切削力也是一个重要的实验分析数据，将用来分析不同倒角参数在切削中的切削性能。从图2-5可以看出，切削力来源于三个方面16：1. 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. 克服切屑对刀具前刀面的摩擦力和刀具后刀面对加工表面和已加工表面之间的摩擦力。图2-5 切削力来源2.1.4切削热和切削温度切削热是切削过程中必须考虑的一个重要的物理因素，因为切削温度能够改变前刀面上的摩擦系数，改变工件材料的性能，影响已加工表面质量的提高。所以，国内外研究金属切削方面的人员在切削温度的理论计算和实验技术方面，都进行了大量的研究工作。切削时所消耗的能量，除了12%用以形成新表面和以晶格扭曲等形式形成潜藏能外，有9899%转换为热能17。由于很少一部分的能量转换成潜藏能，我们可以近似地认为切削时消耗的能量全部转换为热能。在前面我们已经知道，被切削的金属在刀具的作用下会发生塑性变形，这是切削热的一个重要来源。除了切削作用，摩擦也是产生大量热量的原因，像切屑与前刀面、工件与后刀面之间都会发生摩擦。因此，切削时共有三个发热区域：剪切面、切屑与前刀面接触区、后刀面和切削表面的接触区16。如图2-6所示，箭头表示的是热传导的方向，在剪切面区域发生了强烈的塑性变形，有最大的热量传导到切屑和工件，是引起切屑和工件的温度升高主要原因，这些热量是由于金属发生塑性变形产生的，是第一个发热区域；后刀面与切削表面的接触区也有较大的热量传导，工件已加工表面因为这部分热量而有明显的温度提升，这部分热量的产生时由于刀具后刀面与切削表面摩擦所产生的，是第二个发热区域；切削与前刀面接触区是第三个发热区，相比较前两个发热区域，这个区域的热传递要小得多，且只在刀具与切屑之间传导，对工件没有影响。图2-6 切削热的产生与传导在切削过程中，热从切削区域向外传导主要依靠的是切屑、工件和刀具。在不用切削液时，向周围介质直接传出的热量非常小，在总热量比例的1%以下，在分析和计算中可以忽略不计，本文的有限元模拟切削情况也不考虑周围介质的热传导情况。一般来说，切削温度是指前刀面和切屑接触区域的平均温度。切削温度对工件、刀具和切削过程存在一定得影响：首先，到切削温度是刀具磨损的主要原因，它将限制生产率的提高，使已加工表面产生残余应力以及其它缺陷；然后，切削温度的升高会使工件本身受热而膨胀，直径发生变化，降低加工精度。刀具本身也会受热膨胀，致使切削时的实际切削深度增加成品直径变小，这些影响在精加工和超精加工时会特别突出。所以，研究分析切削温度，掌握并控制切削温度变得非常有必要。2.2有限元模拟的理论基础2.2.1有限元模拟概述 有限元法顾名思义，基本的原理就是化整为零，把要分析的连续体离散化，把一个完整的物体分割成有限个单元所组成的组合体，这些有限个的单元相互关联又彼此独立，它们之间通过结点来达到连接和制约。当连续体受到外力作用发生变形时，在有限元的角度上看，组成它的各个单元也要发生变形，因而各个结点要产生不同程度的位移，这种位移称为结点位移，这些结点位移就是基本的未知量。并对每个单元根据分块近似的思想，假设一个简单的函数近似地表示单元内位移的分布规律，再利用力学理论中的变分原理或其他方法，建立结点力与位移之间的力学特性关系，得到一组以结点位移为未知量的代数方程，从而求解结点的位移分量。然后利用插值函数确定单元集合体上的场函数2。具体的分析过程如下:l、将连续体离散化首先，选择最能完满地描述连续体形状的单元，不同形状的连续体有不同的选择方式，所以应该根据连续体的形状来进行选择。常见的单元有:杆单元，梁单元，三角形单元，矩形单元，四边形单元，曲边四边形单元，四面体单元，六面体单元以及曲面六面体单元等等。其次，进行适当的单元划分，包括单元数目，单元的疏密程度，要依据模拟的情况做好调整，不能一成不变。单元划分完毕后，要将全部单元和结点按一定顺序编号，每个单元所受的荷载均按静力等效原理移植到结点上，并在位移受约束的结点上根据实际情况设置约束条件。2、分析有限元单元根据模拟条件和情况，建立式子来表达各个单元的结点位移和结点力之间的关系。3、分析整体在有限元单元分析基础上对各个单元组成的整体进行分析。目的是揭示结点外荷载与结点位移的关系，需要建立起一个线性方程组，从而用来求解结点位移。2.2.2有限元法求解的分析步骤有限元法的求解步骤很多，也涉及到复杂的函数计算，由于借助了有限元分析软件，所有的计算都在计算机中完成，所以具体的函数方程和求解将不在本文中列出。用有限元法求解的一般分析步骤如下18:(1)建立有限元模拟初始模型，包括工件网格划分、材料模型、模具型腔几何信息及其运动和边界条件等各方面的信息;(2)构造或生成初始速度场;(3)计算各单元刚度矩阵和残余力向量，并进行斜约束处理;(4)形成整体刚度矩阵和残余力向量，并引入速度约束条件消除奇异性:(5)解整体刚度方程得到节点速度增量，修正节点速度并检查收敛情况，若收敛转入第6步，反之重复(3)一(5);(6)由几何方程和弹塑性本构关系求出应变率和应力场;(7)确定增量变形时间步，并对工件构形、应变场和材料性能进行更新，同时检查工件接触边界并更新之;(8)若预定变形未完成，则重复(3)(7)步，直到变形结束。2.3 DEFORM-2D软件简介本课题的有限元模拟研究将使用美国Battelle Columbus实验室开发的有限元分析软件DEFORM-2D，经过从上世纪八十年代早期到现今二十多年的发展完善，以及有限元技术本身的日益成熟，DEFORM软件在现代工业生产中变得越来越实用而可靠。DEFORM分为DEFORM-2D和DEFORM-3D两个兄弟软件，它们的模块结构基本相同，都由前处理器、模块处理器和后处理器三大模块组成，不同的是DEFORM-3D能够用于分析三维变形。考虑到模拟中不需要模拟三维变形，所以我选择了DEFORM-2D来进行倒角刀具切削中一个平面切削情况的模拟分析。主要功能19:DEFORM用来分析变形、传热、热处理、相变和扩散之间复杂的相互作用，在各种现象之间相互耦合。（1） 成形分析 a.冷、温、热锻的成形和热传导耦合分析，提供材料流动、模具充填、成形载荷、模具应力、纤维流向、缺陷形成和韧性破裂等信息； b.刚性、弹性和热粘塑性材料模型，特别适用于分析残余应力和回弹问题，烧结体材料模型适用于分析粉末冶金成形； c.完整的成形设备模型可以分析液压成形、锤上成形、螺旋压力成形和机械压力成形； d.温度、应力、应变、损伤及其他场变量等值线的绘制使后处理简单明了。（2）热处理a.模拟正火、退火、淬火、回火、渗碳等工艺过程b.预测硬度、晶粒组织、成分和含碳量c.可以输入各段淬火数据来预测最终产品的硬度分布d.可以分析各种材料晶相，每种晶相都有自己的弹性、塑性、热属性和硬度属性。混合材料的特性取决于热处理模拟中每步各种金属的百分比。第三章 倒角刀具切削过程有限元建模3.1切削参数的选定 为了能够最大程度地得到符合实际情况的模拟数据，在参考了切削研究的相关文献后，我选定了几组常用切削参数，模拟实验采用的切削条件如下： （1）模拟实验时假设刀具为理想刚性，材料选用WC。倒角刀刃简化结构如图3-1所示，刀具形状由L1、L2、B和C四个参数决定，由于刀具理想刚性，L1和L2的大小不影响模拟的结果，刀具前角B =15，后角C =10，刃倾角 =0；刀刃形状由W和A两个参数决定，其中A为倒棱与前刀面的夹角，W为倒棱在进给方向上的投影长度。在本文中，A取20、30和45三个数值，W取0.1mm、0.15mm和0.2mm三个值，并且还会另外模拟一次锋利刀具的切削情况，作为W=0mm和A=0特殊条件倒角刀具的切削情况，来参考和对比分析。 图3-1 刀具结构图（2） 切削速度：Vc =1000mm/sec,切削深度h =0.5mm，进给量f =0.1mm/sec，切削室温T =20C（3） 工件材料选用塑性材料AISI1020钢，相当于国内的20钢，成分如表3-1。表3-1 AISI1020钢成分成分CMnPS含量(%)0.170.240.250.60Max0.04Max0.053.2有限元分析网格的建立对复杂的工艺过程进行模拟，模拟的时间会达几个星期甚至几个月，是很不经济的。为了加快模拟运算速度，提高效率，必须对模拟过程做适当的简化，以期在较短的时间里获得所需的主要信息，确定适当的网格数目，合理的分配网格密度就是其中一种方法。网格数目过多或者过少都不利于有限元的模拟计算，可根据零件变形情况，适当的预设定网格数目，并对变形剧烈的区域预先实行细划分，可大大减少计算时间20。在本文中，使用DEFORM-2D建立的有限元分析模型如图3-2所示。刀具划分1000个平面应变单元；工件形状截面为3mm2mm矩形，初始时划分为3000个平面应变单元。从图中可以看到，刀具刀刃处和工件与刀具接触的区域网格比较密集，其它地方比较稀疏，这是由于DEFORM-2D具有自动调整应变单元疏密程度的功能，根据切削模拟情况能够重新重划网格，在发生力的作用集中、剧烈的区域应变单元会变密，其它区域会变疏，以节省计算机运算资源，所以不需要另行设置应变单元参数。在图3-3中，显示了已经切削了一段的有限元模型状态，可以看到网格被重新划分，疏密程度与最初的时候不同。在模拟中，默认限制了刀具的y方向位移和右侧边界的x方向位移，限制工件的y方向位移，工件向右侧运动相当于刀具从右往左切削工件材料。刀具看成理想刚性，没有变形磨损，仅考虑刀具上发生地热传递。图3-2 应用DEFORM-2D建立的有限元分析模型示意图图3-3 切削一段时间后的模型状态3.3实验数值的选择前面章节已经提到，倒角刀具的刀刃形状由倒棱在进给方向上的投影长度W和倒棱与前刀面的夹角倒角A来决定。所以，为了分析出倒角刀具对于切削过程的影响，必须要改变W和A的数值，通过它们的变化我们可以直观地发现倒角刀具几何参数与其它切削变量的关系，以及倒角刀具与无倒角刀具的不同。一般在实际生产中，W的取值介于00.2mm之间，而倒角角度A的取值范围则是 2045之间。为了能够有效率地模拟分析倒角刀具的切削情况，我从中选择了有代表性的W和A的值：W取0mm、0.1mm、0.15mm、0.2mm四个参考值；对于倒角A,我选择了0、20、30、45。由于W和A范围较广，这样的选择还是有许多遗漏，不能代表所有的倒角刀具的特点，但是由于时间和能力上的限制，对所有情况进行模拟实验是不可能的，通过选择最大和最小值以及中间值，也保证了一定得变化梯度和连贯性，使所得数据能够尽量反映大部分的倒角刀具切削过程情况。 模拟时，我将通过固定倒角角度A在预先选定的某一个值上，使W长度在参考值中改变的方式来进行实验，将会有9组不同的倒角刀具切削实验数据，再加上W=0mm和A=0的无倒角刀具切削数据，最终将一共有10组数据作为分析研究的依据。在分析中，倒角变化和倒棱投影长度变化对切削参数的影响将会分开阐述。 在每次实验中，我将记录下切削过程中的工件有效应变、工件有效应变率、工件切削温度和切削力四个有特点的数据来分析，不记录其它的切削因素，如：刀具磨损、摩擦力等。第四章 倒棱投影长度变化的模拟实验数据和分析4.1各次模拟实验的其它条件根据最初选定的倒角A的值和倒棱投影长度W的值，组合排列后一共需要进行十次模拟实验。本章中，主要分析在倒角角度固定的情况下，改变倒棱投影长度W，对于切削参数的影响。在应用DEFORM-2D软件模拟时，所有其它切削条件都是相同的，刀具摩擦系数设为0.5，热传递系数为40N/SEC/mm/C,为了加快模拟的时间，提高实验效率，加工模拟步数控制为500步以内，每10步保存一次,在参与切削的刀尖和切削刃处加密网格，网格在切削过程中自动改变疏密情况。模拟完成后，进入后处理模块查看结果，相对应的结果以图形形式输出：其中切削温度和有效应变采用线图和曲线图结合的形式；有效应力和有效应变率采用曲线图的形式。通过对比各倒角角度下，倒棱投影长度W变化所得的模拟实验数据，我发现它们的特点相似，所以没有必要再文章中一一展示。我选择以倒角角度A=20时的模拟情况作为例子介绍，但在数据分析一节中会加入倒角角度A=30和45条件下的实验结果来全面分析。4.2切削温度 由于网格图不够清晰，我将切削温度区域用线条的形式表示出来，得到了图4-1的线图。从图4-1中我们可以看到，切削温度受到了倒棱投影长度变化的影响，由于最初选定了室温为20C，所以切削最低温度为室温，最高温度则各个倒棱投影长度都有所不同。最高切削温度区域大概是H线段所围成的范围，随着W的增加而有向上偏移的趋势，从W=0.10mm时大部分位于倒角面上端一直上升到W=0.20mm时的大部分位于前刀面，说明倒棱投影长度W已经改变了倒角刀具切削重心，W越大前刀面切削作功越多，致使前刀面附近的工件材料达到最高切削温度。切削温度随着倒棱投影长度W的增加而增加，从0.10mm时的最大值422C上升到0.15mm时的最大值471C，0.20mm时最大切削温度为489C，所以W在0.10mm至0.15mm的最大切削温度增幅比较明显。第一变形区内的切削温度和分布范围大致相同，没有随W而出现明显改变，切削温度大致维持在120至137C。这是因为这一区域主要是变形发热，受工件材料和切削速度等条件影响较大。由于第二发热区域的影响，已加工表面很大范围的温度也有一定的上升，并没有随变形结束而冷却到室温。上：W =0.10mm 中： W =0.15mm 下：W =0.20mm图4-1 各种倒棱投影长度下的切削温度分布图图4-2是切削温度变化曲线图，反应了切削温度随时间的变化情况，可以看到，随着倒棱投影长度W的值的增大，由于最大切削温度的增大，切削温度到达稳态的所需时间越长，W为0.10mm时到达稳态的时间大致为6.310-4s，W为0.20mm时到达稳态的时间则增加到了1.4910-3s，但是增长曲线表现得更平滑。 (a):W =0.10mm (b):W =0.15mm(c):W =0.20mm图4-2 各种倒棱投影长度下的切削温度变化曲线图4.3有效应力刀具倒角A=20时的有效应力情况，图4-3分别显示了W=0.10mm、0.15mm和0.20mm三种长度下模拟得到的有效应力，从图中可以看到倒棱投影长度W对于切削有效应力几乎没有影响。三段曲线显示的变化非常相似，在大概1.0310-4 s时切削有效应力变化达到稳态，维持在1230MPa左右。 (a):W=0.10mm (b):W=0.15mm(c):W=0.20mm图4-3 各种倒棱投影长度下的切削有效应力变化曲线图4.4有效应变及应变率刀具倒角A =20的有效应变情况如图4-4所示，从图中看到，在A=20时随着倒棱投影长度W的增加，有效应变也会增大。在A =20模拟实验中，W=0.10mm时最大应变为3.08mm/mm，而在W=0.20mm时最大应变增加到3.46mm/mm，说明在A =20的倒角刀具切削中，W的增大能够增加刀具在前刀面的切削刃长，给于工件更多的切削作用，使工件的应变增加。(a):W=0.10mm(b):W=0.15mm(c):W=0.20mm图4-4 各种倒棱投影长度下的有效应变变化曲线图通过图4-5我们也可以直观地了解到切削中倒棱投影长度W对有效应变的影响，应变主要发生在与刀具刀刃接触的区域，随着W的增大，倒角刀刃处的应变越剧烈和明显，数值也在上升。 (a)(b)c.(c)(a):W=0.10mm (b):W=0.15mm (c):W=0.20mm图4-5 各种倒棱投影长度下的有效应变变化图 从上图中我们还可以看到，切削过程的有效应变主要发生在切屑与刀刃接触的地方，刀具由于是理想刚性，所以没有发生变形。在工件材料的第一变形区内，切削开始一段时间后，有效应变趋于稳定，维持在一定得数值。刀具倒角A =20时的有效应变率，与有效应变的情况相似。从图4-6可以看出，有效应变率的变化规律从开始时的达到最大有效应变率之后振荡下降到一个稳定值。W的增大能够使曲线振幅减少，在W=0.20mm时振幅最小，曲线表现得更加平滑，说明W的增大可以改善应变情况，使切削过程更加流畅，有助于提高已加工表面质量(a):W=0.10mm (b):W=0.15mm(c):W=0.20mm图4-6 各种倒棱投影长度下的有效应变率变化曲线图4.5数据分析4.5.1倒棱投影长度变化对切削温度的影响 通过模拟实验，在倒角角度固定的情况下，切削温度随倒棱投影W的长度增大而有明显增加。图4-7、图4-8、图4-9分别显示了当倒角角度A固定在20、30、45时的切削温度变化情况，每幅图中都汇总了三种W值的折线图，以方便对比。对于时间点的选择，我考虑了模拟得出的温度曲线图，切削温度从O逐渐上升到稳态基本经历了两段比较明显的过程，所以我选择了这两段曲线的端点3.1610-4s、6.2810-4s和1.510-3s三点作为特殊点，它们连成的两段折线可以近似反应出其变化总体情况。 图4-7、图4-8、图4-9虽然倒角角度不同，但反应的变化情况基本相似。在固定倒角角度后，倒棱投影长度越小，切削温度在初始切削极短时间（3.1610-4s）内上升过程速度越快，到达稳态的时间越短，但是其稳态切削温度也会越小；倒棱投影长度越大，其切削温度在初始切削后较短时间内（1.510-4s）上升幅度较大，稳态切削温度也会越大，由于稳态切削温度的增大，其到达稳态的时间会增加。说明切削温度与倒棱投影长度成正比关系。图4-7 20倒角切削温度随时间变化图图4-8 30倒角切削温度随时间变化图图4-9 45倒角切削温度随时间变化图图4-10显示的是最大切削温度的变化情况，汇总了三种倒角角度20、 30和 45的折线情况做比较分析。从图中我们可以看到，倒棱投影长度的变化影响最大切削温度。随着倒棱投影长度W的增大，最大切削温度也在增大，当W从0.10mm变为0.15mm时，最大切削温度增加最明显，增幅最多：20倒角时从422C增到471C，增幅达49C，其它角度也有40至50C的增幅；W从0.15mm至0.20mm这一段的长度变化中，最大切削温度虽然也有增加，但是增加不多：20C倒角时从471增到489，增幅只有18C,其它倒角的增幅也只是在12C至33C之间。所以在需要控制最大切削温度变化的切削加工时，0.10mm至0.15mm倒棱投影长度这一范围的倒角刀具应该要慎重选择，否则最大切削温度可能会有超出设定值的增加，从而影响到加工的尺寸精度和质量。图4-10 不同倒角角度下的最大切削温度变化图4.5.2倒棱投影长度变化对切削有效应力、应变及应变率的影响（1）在前面4.3的实验数据对比中，已经发现倒棱投影长度对切削有效应力几乎没有影响。无论倒