金属切削仿真有限元解决方案.doc

金属切削仿真有限元解决方案来源：开关柜无线测温 随着数值计算技术的不断发展，数值仿真已经向多学科方向发展，数字化仿真技术在各个行业的应用也不断向纵深发展，产品切削加工仿真技术在刀具设计、航空航天、汽车行业的应用也逐渐深入。 切削加工仿真技术是研究解析切削加工过程中的物理现象，通过数值仿真得到切削过程中的切削力、应变、应变率、切屑、刀具温度等数值，对切削参数及刀具进行DOE研究和刀具磨损研究，以及基于切削力、温度等仿真数值对NC程序进行优化。成立于1993年的Third Wave Systems公司，主要业务是开发和销售有限元切削加工仿真软件，响应了加工市场的这一需求。其产品AdvantEdgetm FEM采用有限元方法对切削加工过程进行模拟；另一产品Production Moduletm擅长于工艺分析，并基于切削力、温度等仿真数值对NC程序进行优化。 AdvantEdgetm FEM软件1 原理和特点 AdvantEdgetm FEM采用有限元法进行切削过程的物理仿真，作为切削条件输入的内容包括：工件材料特性、刀具几何、刀具材料特性、切削速度、冷却液参数、刀具振动参数、切削参数等。软件通过有限元分析后，获得切削加工过程中的切削力、切屑打卷、切屑形成、切屑断裂、热流、刀具工件和切屑上的温度分布、应力分布、应变分布、残余应力分布等物理特性输出结果。图1所示为3种刀具的切削仿真及切削力比较；图2所示为不同切削参数的切屑形成及温度分布情况。 图1a 3种刀具切削仿真图1b 3种刀具切削力比较AdvantEdgetm FEM拥有丰富的材料库，包括120种从铸铁到钛合金的工件材料，100种从Carbide、金刚石到高速钢的刀具材料，TiN、TiC、Al2O3、TiAlN涂层材料；可进行丰富的工艺分析，如车削、铣削(含插铣)、钻孔、镗削、拉削等，冷却液侵入、喷射等方式。其刀具磨损仿真主要采用日本的Usui算法；同时具有切削速度、进给量、前角、切削刃圆弧半径参数DOE研究；切削速度、进给量、变换刀具DOE研究；具有丰富的后处理功能。1 效益分析 在刀具的设计开发中，使用AdvantEdgetm FEM软件可以研究刀具的涂层、形状、材料，并为刀具推荐切削参数。在实际切削加工中，不照搬刀具厂提供的推荐切削条件，在软件分析的基础上，就能选择出最佳的刀具和切削参数。通过仿真分析提高材料的去除率，优化切削力及温度、切屑形成，减少金属切削中工件的扭曲变形、降低残余应力，提高零件质量和刀具性能，减少现场试切的试验次数和成本。仿真技术帮助企业提高产品质量、延长刀具寿命、完善加工工艺，显著降低产品制造成本。Production Moduletm软件1 原理和特点 Production Moduletm软件是一个工艺分析软件。通过对工件、刀具、材料数据及NC程序的综合分析，可以得到整个加工过程中的切削力、温度等数据。然后，通过优化NC程序中的进给及切削速度来优化加工过程中的切削力、温度等参数。如图3所示。 图2 不同切削参数切屑形成及温度分布通过Production Moduletm优化分析后，可以改进加工过程中切削力、温度，实现负载平衡，降低振动，缩减加工周期。优化后的NC程序可以直接进行加工。1 效益分析 Production Moduletm软件中的数据库都是通过试验或AdvantEdgetm分析获得的。输入工件、工件材料特性、刀具参数、G代码/APT代码、机床控制文件，对这些参数进行解析后，能够得到整个加工过程中的切削力、温度、功率等结果。然后，通过自动优化CNC程序功能或优化进给及切削速度参数，优化切削力、温度及加工周期，从而提高生产效率。NC程序优化前后切削力及加工周期的比较，如图4所示。图3 通过对工件、加工路径、NC程序的综合分析得到整个加工过程中的切削力图4 NC程序优化前后切削力及加工周期比较(红色为优化前，绿色为优化后)结束语随着数值计算技术的不断发展，数值仿真已经向多学科方向发展，数字化仿真技术在各个行业的应用也不断向纵深发展，产品切削加工仿真技术在刀具设计、航空航天、汽车行业的应用也逐渐深入。为满足国内企业对金属切削加工有限元仿真