基于有限元的金属切屑过程仿真研究.doc

基于有限元的金属切屑过程仿真研究第26卷第3期2008年05月佳木斯大学(自然科学版)JournalofJiamusiUniversity(NaturalSciemEdition)V01.26No.3May2008文章编号:10081,ur2(20o8)o3030103基于有限元的金属切屑过程仿真研究周俊,邢蕾(佳木斯大学机械工程学院.黑龙江佳木斯154007)摘要:阐述了金属切削有限元仿真的优势和理论方法.基于大变形有限元理论,建立了金属切削的有限元模型,利用通用的商业有限元软件实现了切屑形成过程的仿真.通过仿真结果,可以比较直观看到应力,温度等在切屑形成过程中的分布和变化.关键词:金属切削;有限元分析;仿真中图分类号:TH161文献标识码:AO引言切削加工是工件材料在刀具的剪切挤压作用下.首先发生弹性变形,进而发生塑性变形,产生应变硬化,最后撕裂,沿前刀面流出,形成切屑,是一个复杂的物理化学过程.金属切削机理的研究一直是国内外研究的重点和难点.以往通常采用实验对其进行研究,但金属切削的工作条件十分恶劣,物理过程的跟踪观测非常困难,而且观测设备昂贵,实验周期长,人力物力消耗大,综合成本很高.切削加工模拟在计算机中再现工件和刀具相对运动的全过程,动态显示热流,相变,温度和应力等分布,使其突破试验等研究方式的缺陷,成为研究切削机理的有效方法.随着高性能的计算机的出现和数字技术的发展,数字方法已经被广泛应用于切削加工仿真领域,例如,有限元方法,有限差分方法,人工智能方法等,在这些方法当中,有限元方法已经发展成切削过程仿真的强大工具.切削过程中的各种变量,例如,切削力,切削温度,应变,应变率,应力等,都可以在仿真工程中表达出来,其中包括那些通过实验很难测量到的参数.1有限元法的优势对全世界55个重要的切削加工仿真研究机构进行调查,发现43%研究经验模型,32%研究分析模型,18%研究数字模型,而在数字模型的研究中,有限元仿真技术的运用占有绝对优势.与实验法和分析法相比较,有限元法应用与切屑形成的仿真有以下几个优势:1.在应力,应变率和温度方程中材料的性质作为个参数,可以得到体现;2.切屑和刀具之间的相互作用可以被模拟成粘结和滑动;3.可以描绘和运用切屑的自由表面等非线性的几何边界;4.除了获得象切削力,进给力和切屑形状等全局变量,还能获得局部应力,温度分布等变量.2有限元仿真技术的发展状况这个领域已经有了巨大的发展,其中包括:拉格朗日法被用于切削过程的仿真,包括描述切屑形成的初始时刻;模拟节状切屑的形成来仿真高速切削,硬态切削和大负前角刀具的切削,三维仿真用来分析斜角切削.同时,在有限元模拟当中,各种刀具材料,各种工件材料都可以应用.其中,刀具包括:涂层刀具,非涂层刀具,CBN刀具,金属陶瓷刀具,陶瓷刀具和金刚石刀具;工件材料包括:碳素钢,复合材料,高合金刚,铸铁和延性铁.刀具形状对仿真过程的影响也被列为研究对象,主要研究了前角的变化和刀具形状对仿真过程的影响.研究内容主要有:尖角,负倒楞,圆角,切屑断裂和刀具磨损.从加工形式来看,有限元仿真研究涉及车削,铣削,钻削,微细切削和单粒的磨削.Klamecki,ok,andTayetalE4在70年代早期已经把有限元方法应用与切削加工的模拟.随着处理器存储能力和计算速度的提高,几何收稿日期:20080422作者简介:周俊(1974一),女,黑龙江富锦人,佳木斯大学机械工程学院讲师,在读博士.302佳木斯大学(自然科学版)2008年建模和计算的问题在一定程度上得到了解决,使得大型商业有限元代码应用与切屑形成的仿真,包括:NI,ABAQUS/StaI,MARCTM,DE.FORM2,FORGE2D1M,ALGORTM,FLUENrI.删,ABAQUS/ExplicitTM和LSDYNATM.图1研究趋势3金属切削有限元仿真首先要建立金属切削的实体模型,然后按照实体模型的大小对其划分一定数量的有限元网格,再通过施加各种边界条件而把实体模型转变成有限元模型.建立实体模型的质量与网格划分,边界条件设置有关,网格划分和边界条件设置直接影响计算过程能否连续进行下去以及能否得到预期的结果,这也是能否实现切削仿真的关键所在.在建立仿真模型时,刃口部分建模的质量,直接影响工件材料在刃口附单元的变形大小.因此,刀具切削刃钝圆半径是应该着重考虑的因素,要求该处表面与前,后刀面过渡要光滑,单元划分疏密均匀.有限元仿真分析的精度很大程度上依赖于材料本构模型的精度.材料本构关系反映材料物质本性的变化,是金属切削有限元模拟成败的关键因素.在材料微观组织结构给定的情况下,本构关系可以表示为流动应力同温度,应变,应变率之间的数学关系式J.切屑的分离也是金属切削模拟中切屑形成的个重要问题.一般来说切屑分离包括两个方面:分离准则和分离模型,其中分离准则又是一个主要难题.当前所使用的分离准则有两种,一种是几何准则;一种是物理准则.几何准则是先定义一些几何参数距离,在切屑形成过程中,一旦在切削刃附近工件的某些几何参数距离的值超过给定距离的最小值时,切屑分离就发生了.而物理准则则依靠某些物理量.例如应力,应变等,在切屑形成过程中,一旦这些物理量超过极限值,切屑分离就发生了.通常在金属切削过程中,刀具和被切削材料相比硬度较大,而被剪切工件硬度较小,因此,刀具往往被视为刚性体,只进行弹性分析.而工件被视为塑性体,要进行弹塑性分析.而且工件的变形也由弹性变形开始,然后根据其受力大小决定是否进人塑性变形.因此,在建立数学模型时,应区分弹性变形阶段和塑性变形阶段,并根据选定的屈服准则判断何时进人塑性阶段.仿真时工件材料选择不锈钢,刀具材料选择硬质合金.对刀具和工件施加的边界条件如下:工件的下表面各节点沿,y,z轴方向的自由度设为0,右侧端面各节点沿y方向的自由度设为0.刀具以一定的速度沿y轴方向运动,其他方向的自由度都予以固定.由于计算过程中,考虑了温度的影响,因而定义工件和刀具的初始温度均为20,还要将刀具和工件的外表面与外界介质问的热传导考虑进去.i(c)t=O.175ms(d)t=0.200ms图3切屑形成过程中温度场分布第3期周,俊,等:基于有限元的金属切屑过程仿真研究3034仿真结果仿真结束后,通过某些可视化的工具,我们可以看到一些参数的变化及分布.利用有限元法可以有效地模拟出高速切削过程中温度场的分布情况.在实际切削加工过程中,切削是在三维变形区域内进行的,目前三维有限元的切削模拟技术还没有完全成熟,处于探索阶段,最近几年国外文献才有报道,因此,对切削加工进行三维有限元仿真是很有必要的,也是今后发展的重点.参考文献:1iDg)(ieE臼m0nOfTwodimensmToolWearBOnFmiteElementhletbodD.博士论文.2,B.E.,bcipiIChip咖0ninMetalcIl岫口gaThIeeDiFiniteElementAl岫D.Ph.D.cfisseaalion,U曲岫mlnois,1973.30lm,K.,IIdm,Y.,11llIlaIStressProducedbyMet-alcu吐J.Ann.衄【IP(1)(1971)l3一l4.4,A.O.,Smmson,M.G.,David,G.V.,u她theFiniteElementMethodtoDetemline珥暇血|leDi出ibI|吐inhalMliniDgM.Proc.Imt.Mech.Eng.188(1974)627638.5黄焱华.切削力学M.jE京:机械工业出版社,1988.1一l13.ThesimulatingInvestigationofMetalCuttingProcessBasedonFEMZHOUJun,XINGLei(School0fM.cl蛐bl?啦,Jismnd咖憎鲫,Jismnd154007,珏灿q扣唱,)Al】sl托ct:Timadvantage,theoryandmethodofFEMsimulationinchipd击册ingpmcewerediscumedinthispaper.BasedontIbigddonmtionFEMtheory,theFEMmodelofmetalcuttingwa8built.Thesimulationofchipdeformingpmcew硇establishedinall