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金属切削加工有限元模拟技术发展现状分析摘要：随着科学技术的突飞猛进，人们对金属切削的掌握能力越来越高，同时也有了更高的要求，要求更高的效率，更高的精度，在这种情况下金属切削的有限元模拟技术应运而生，它的成本更低，操作更方便，对金属切削有很大的价值。本文初步介绍了有限元法以及有限元法的当前发展，讨论了金属切削过程中有限元模型的类型，对所涉及的网格划分，刀-屑接触，以及分离准则等关键技术进行了研究。关键词：金属切削：有限元法：刀-屑接触：有限元模拟IIAnalysis of development status of finite element simulation technology for metal cutting processAbstract: With the rapid development of science and technology, people grasp of metal-cutting more and more, but also have higher requirements, requiring higher efficiency, higher accuracy, in this case the finite element simulation of metal cutting technology came into being, its lower cost, more convenient operation, the metal cutting is of great value.This paper introduces the current preliminary finite element method and finite element method, discussed the type of metal cutting process finite element model of the mesh covered knife - key technologies chip contact and separation criteria were studied.Keywords: Metal Cutting；Finite Element Method；tool-chip contact；Finite Element SimulationII目 录摘要IAbstractII目录III1 引言11.1 研究目的及意义11.2 有限元法的简单介绍21.3 本文主要研究内容21.3.1 有限元的建模方法21.3.2 AdvantEdge软件31.3.3 DEFORM软件41.4 国内外相关技术发展现状51.4.1 国外有限元模拟研究51.4.2 国内有限元模拟研究现状72 金属切削过程有限元模拟关键技术研究82.1 正交切削时建立模型82.2 网格加密以及重划分82.2.1网格细化92.2.2 网格重划分92.3 修正刀-屑接触区的摩擦模型112.4 金属切屑分离的准则选择132.5 小结143 案例分析研究153.1 DEFORM的Ti-6Al-4V切削过程中有限元求解以及分析153.1.1 钛合金TC4的相关物理性能以及化学成份153.1.2 有限元切削仿真软件DEFORM153.2 DEFORM切削过程中模型的建立以及相关技术16III3.2.1 材料模型163.2.2 几何模型的建立183.2.3 网格划分和自动重划213.2.4 刀具的磨损234 总结与展望25参考文献26致谢29IV1 引言 机械制造工业对整个国家经济的发展有着重大的影响。全世界工业发达国家几乎都有十分先进的机械制造工业。美国的宇航与航空工业,日本的汽车工业都是例子。金属切削加工在机械制造工业中有着突出的地位。因为要把毛坯表面高低不平的缺陷层去除掉,以获得高精度的表面及完整的零件,切削与磨削加工是最常用的方法1。据统计,全世界工业发达国家(包括前苏联),在上世纪80年代中期每年用于切削加工的费用就超过2500亿美元。随着我国经济的快速发展和国防事业的稳步向前,我国的机械制造工业也迎来了快速发展的时代,同时我国每年用在切削加工方面的费用也在不断攀升。 金属切削简单来讲是通过必要的运动和一定动力条件下提供切削机床的过程，第一步刀具接触工件，第二步工件上作相对运动，在刀具的作用下，因为有了较大的应力使得工件内产生破裂，多余的部分被分离作为切屑，加工出成品的新表面的所需形状的部分。在这个过程中，它会被切割的变形，切削力，切削热和切削温度，工具的磨损和耐久性相伴，等现象发生，并这些现象严重影响生产，包括质量和成本。在实际研究中，切削过程本身是一个特别繁琐的过程，涉及到很多学科和各种跨学科的内容，如弹性，塑性，断裂力学，热力学，摩擦学之类的相关学科。金属切削关联较多的科学与学科，相比之下，各国为了对质量以及相关的成本做出最好的优化以及最少的投入，同时还可以得到尽可能高的效益，在本国企业中都加大了投资的力度，关于人力，物力以及金钱的投入都做出了自己的努力，其目的都是为了更快更好得掌握关于金属切削中所存在的各种现象，用这些规律去进一步得促进本国发展。1.1 研究目的及意义在机械制造业当中，金属切削时一个非常重要的课题，它在整个机械制造业里有举足轻重的地位对于我国经济的发展以及科学技术的发展有很重要的影响。事实上金属切削加工简单来讲就是工件与刀具之间相互产生的作用用在了刀具用来切除工件上多出来的金属层，从而拥有了形状、表面质量和精度全部符合规定的工件的过程。就在这个过程里与此同时会有很多的作用同时出现，比如说切削力、切削热、切削内部出现的变形、刀具产生的磨损、以及刀具的耐用程度等情况，而且出现这些现象对工件最后的质量以及生产所用的成本有着严重的影响。切削过程就是工件与刀具间产生相互作用，在刀具的挤推以及摩擦下切削层产生了塑性变形，导致了最终的断裂2。其实整个过程就是金属的热-弹-塑性的形成过程，有限元法可以计算整个过程的力能消耗，也可以组织相关的生产，还可以计算变形的应变分布，这些都为金属的流动规律选出了相关材料。它可以对整个的加工进行模拟3。有限元方法可以解决关于塑性学以及热力学的问题，目前有限元法已经成为模拟金属切削过程中重要工具4。1.2有限元法的简单介绍在现如今的科学领域，对于力学以及物理学方面的问题，研究者们已经总结出了相应的基本方法和定解条件。但是能用这种方法得出比较准确的求解方程还是不够成熟，在关于几何形状问题的解决中，在很多问题里，由于某些非线性的特征或者几何图形本事比较复杂，导致无法正确求解，所以研究者们在很长的时间里找到了另一种新的求解方法，数值解法。今年来，随着计算机的迅猛发展和广泛的应用，数值分析模拟技术已经逐渐成熟。数值模拟方法是数值模拟技术中重要的作用。有限元法是机械工程技术中关于数值模拟时使用的一种方法，也是最常用的一种方法。通俗来讲，有限元法是最为高效，普遍的计算方法。现如今有限元法的发展，可以应用于各种物理场中前提是以微分方程描述，不需要将泛函的极值问题与此类的物理长有任何联系，现如今在金属切削过程中最有效的方法已经是有限元法。有限元法就是把求解问题的连续区域离散成有限的，各种基本形状的小块区域，这些有限元的小块区域称为有限单元，简称单元。这些单元的组合往往能够非常理想地逼近复杂问题的求解区域，在有限元分析中，将原来的无限自由度问题离散成有限自由度问题，求解离散的单元节点状态值后，利用插值函数可以确定整个连续区域的场函数。1.3 本文主要研究内容1.3.1有限元的建模方法有限元的建模形式有两种，分别是Euler和Lagrange。这两种方法都是对物质的运动所形成的两种不同的表述，但是本质上是相同的，只是各自选用的自变量不一样，所以形成了两种不同的特点。计算时就是通过的空间网络决定了材料的性质。有限元模拟流程如图1.1所示。Lagrange的理论依据是Lagrange力学所描述的有限元法。所用的方法就是将参考构形采用初始构形的方法，然后再将网络划分的方法用于工件中，在整个工件变形时，有两个点之间没有相对运动，一直都有重合，就是网格点和物质点，所以Lagrange充分简化了所描述的控制方程，对于自由界面的刻画更精确，类似的优点还比如说物理场量的更新更方便。与Euler不同的是Lagrange在模拟的时候，整个切削过程可以是初始状态，也可以是稳定状态，也可以对工件切削时的形状以及残余应力等参数进行提前预测，只是现在运用这种方法的同时需要结合切屑分离准则，从现在来看，整个金属切削时关于有限元的模拟中，绝大多数用的是Lagrange法。用有限元软件来模拟金属切削的目的是为了更好得近似地重现切削时的过程，用来得知我们所关心的变量的变化趋势，比如切削力、温度变化、应力改变、应变能力、残余应力以及切屑时的一般形态和尺寸等，可以代替了一些纯理论研究，同时也省事了一部分实验研究。所以可以得到，为了可以准确地预测我们所需要的内容，就需要制定一套准确的模拟方法。本章的主要内容就是得出一套这样的模拟方法。在有关有限元软件的选择方面，软件的分析能力以及质量是重要因素。在金属切削当中，对模拟结果影响最大的两个参数就是摩擦系数和流动应力曲线，对金属切削的精确度以及可靠性有很大的影响。可以采用专用的软件AdvantEdge进行研究，这是金属切削中的专用软件。并且可以通过实验修改摩擦系数，让模拟后的结果与实验结果更接近。1.3.2AdvantEdge软件 由于在金属切削中专用的软件是AdvantEdge，首先说一下这一软件的工作时的基本流程。 它可以完美结合有限元技术以及金属仿真建立的用户图形界面，功能强大为金属切削的专用，它包括了设计、建立、改善等加工工艺。对各种不同的加工类型都可以进行模拟仿真，车削、钻孔、切槽等均可以，可以使用户对加工参数以及刀具配置等进行准确加工，从而降低金属切削时的加工变形一类的损耗，减少实验经费节约时间。 AdvantEdge最大的功能在于模拟，可以对金属切削过程里的多对象耦合里的大变形以及热特性进行分析。仿真的时候，可以全自动的对有限网络自适应网格进行重划，分析第一变形区以及第二变形区这种重点区域；工件以及刀具的热传导作用还有惯性作用进行分析；金属切削多种物体的接触摩擦以及切削时相关的界面热传导分析；对于残余应力的计算；稳态分析；切削时断屑槽的分析以及过程中刀具产生的磨损仿真等。 AdvantEdge通过实验以及相关数值计算验证可以不断拓展刀具的材料模型，开发出了描述切削过程中对于材料的性质相关的材料模型。它可以自己定义一部分材料力学性能，例如弹性、应变强化等，同样可以自己定义材料的输入功能，不仅如此，还可以描述工件的硬度变化等功能。1.3.3 DEFORM软件 DEFORM软件也是产自美国，由美国一家公司开发的一款商业软件，专门用于体积已经成型的有限元工艺模拟。在用于计算的有关方面性能很好。 DEFORM软件利用的是刚塑性关系，这个方法可利用速度积分就能避开几何非线性，正是由于这样，它不可以像弹塑性有限元那样利用应力一类的已知信息去求解，所以每次计算的时候在每一步的增量步长就应该选取得稍微大一些，当然也可以在处理塑性较大的变形问题时采用小变形的计算方法。与大变形的弹塑性有限元对比时，DEFORM的计算模型以及计算的过程都相对简单，而且效率高，它的精度以及可靠性都全部满足制作的要求。DEFORM由有限元的模拟器，前后处理器以及用户处理器这四个部分构成。现在DEFORM软件普遍应用在有比较复杂的较大变形的金属切削过程中，原因是它主要有以下特点： 1. 具有自定义的网络高强密度窗口，可以实现相关特定区域的一些网格细化。 2. 本身有强大的技术，可以使得网格自动再划分，高效得解决了很多问题，比如网格畸变和网格与模具的干涉判断：网格生成器可以自动地针对已经成形的工件进行划分，划分包括有限元网格的划分以及变形过程中的划分，工程中自动生成边界条件，这样保障了产生的数据快速可靠。 3. 拥有成熟的模拟引擎可以准确分析出金属在形成的过程中有关几个关联对象同时偶合的作用的变形以及热特性。 4. 可以自主完成关于有限元产量信息的表达，可以精确的控制体积的损失，确保场量可以高速有效继承。 5. DEFORM一2D当中为使用者们提供了切削模块，这样可以使得在切削模拟时更加方便快捷。 6. 在后期处理过程中，包含的一定的网格变形跟踪以及点迹示踪，云图。矢量图等一些功能，可以直观得表现模拟的结果。 前面提到的AdvantEdge软件，举例模拟切削不锈钢的基本流程。模拟过程中第一步为仿真设置，其中包括定义仿真工艺、定义工件几何和材料、定义刀具几何和材料、定义切削参数。此时属于前处理过程，设置没有问题了以后递交求解，通过求解计算过程，从而得出一系列结果，例如温度、应力等，这些结果紧接着在后处理中进行处理，最终显示并且输出。 有限元模拟的流程与金属切削专用的软件分不开，熟练运用可以跟好的帮助了解。1.4 国内外相关技术发展现状 当今, 国外在有限元切削方面研究成果较高，但国内的水平稍微欠佳。1.4.1 国外有限元模拟研究 金属切削加工的过程本身很复杂，工作的条件也不好，过去的研究方法主要是通过试验，相对会很麻烦。如今，有限元法已经普遍被应用，与过去的方法相比，大大提高的结果的准确性，现在国际上对此类方法的研究很深入，从最初的简单剪切平面发展到更为复杂的方法。20世纪40年代左右，由于航天航空事业迅猛发展，所以对飞机的结构有了更高的要求，要求质量更轻，强度更高，刚度更好，于是人们开始进行更精确的设计以及计算，为了迎合高速的发展，在生产中产生了矩阵力学分析法。 1955年，德国出版了一本说明结构分析内部的书，奠定了以后研究有限元的基础。 图1.1有限元模拟流程图自20世纪70年代起，Okushima5、Kiamichi6和Tay7等人开始应用有限元法进行加工过程模拟研究，有限元切削过程模拟技术已经取得了巨大进展，其中，Kiamichi最早在切削过程建模中引入了有限元技术，系统地分析了金属切削中切削形成的原理，Tay使用有限元方法分析在二维正交切削中第一变形区和第二变形区的温度分布情况。在1980年，Lajczok 8在对切削加工中的一些主要问题的研究中采用有限元方法来分析切削工艺。Usui等人9首次提出刀具几何形状，变形流线、刀面剪切角等来预测一些参数，如应力、应变和温度等。Carroll10,Strenkowski【11,和Tyan12等人首先在稳态金属正交切削仿真中使用了Euler有限元模型。近些年来，有限元切削过程模拟技术已经取得了巨大的进展，Sekhon13、Marusich14等人应用修正的拉格朗日法和网格重画分来模拟切削形成过程中刀尖周围材料塑性流动，避免使用人为的材料分离准则，并且简化了材料分离机制。Shet等人15运用临界应力分离准则和节点分离来模拟初始切削形成状态的切削过程。Guo等人16建立了三维斜切削加工有限元模型，模拟了硬车削AISI 52100钢的加工过程，合理的预测了切削几何形状，切削温度，切削力和残余应力分布。Soo等人17采用ABAQUS有限元软件模拟了三维球头刀铣削过程，分析了在不同切削速度下,Inconel 718材料的切削力和切削温度分布情况，对其切屑进行了模拟。上述文献在切屑形成过程中是采用损伤失效的切屑分离准则，而Ceretti18和Ozel19等人在切屑形成上使用的动态网格重划分技术。1.4.2 国内有限元模拟研究现状在金属切屑加工领域，相比国外来说，有限元仿真技术引入国内较晚，近十年才得到较快的发展。方刚等人20建立了二维SAE4130材料切削有限元模型，采用有限元软件DEFORM-2D模拟了正交切削中的切屑形成过程，切削力，温度和残余应力分布情况。黄志刚等人21基于切削加工的热弹塑性有限元方程和有限元关键技术，采用ABAQUS有限元软件建立了热力耦合模型，对材料40CrNiMoA进行切削仿真，分析了切削力，温度及其表面残余应力分布，并对切削力与实验数据进行比对验证。艾兴等人22基于热弹塑性变形有限元理论，模拟了航空铝合金7050-T7541的切屑形成形态，对切削力，切削热分布进行了预测。李明等人23建立了AISIS4340钢在高速切削下有限元模型，研究了切屑情况及刀具几何参数对切削力的影响。路冬等人24建立了航空铝合金7050-T7541材料的两个切削刃切削力模型，分析了三个方向的切削分力及切屑的形状，并通过实验验证切削力的合理性。 2 金属切削过程有限元模拟关键技术研究 有限元的方法用在金属切削方面，这件事开始以来，研究者们就开发了很多有限元的模型用来使用，被用在很多地方，比如预测加工工件的应力，应变能力以及温度的分布。为了更加方便构造更为科学合理的相关于有限元的模型，对于有限元模型计算的时候其准确度和效率可以提高，目前关于金属切削过程有限元模拟的关键技术主要涉及正交切削建模、网格加密重组、修正刀-屑接触区的摩擦模型等。2.1 正交切削时建立模型 为了是使切削模型相对简单，在研究金属切削机理时，一般采用正交切削模型用来研究和观察变形区域里的很多现象，这样可以把实际的切削形式替换为二元的正交切削过程用来考虑。 在金属切削过程中工件在发生剧烈变形时一般是在部分的小区域内，正交切削的有限元模型时一般是在数值模拟被采用来研究，在切削过程中工件的硬度远不如刀具的硬度，所以假设刀具为刚性体，就可以只对弹性分析，工件采用塑性体：切削的宽度大于背吃刀量的时候，就可以确定在切削区域的地方是平面应变状态。在正交切削过程中最具有代表性的模型如图2.1所示图2.1正交切削过程中的力2.2 网格加密以及重划分 为了确保有限元模型在建立的时候正确合理，在划分网格的时候一些基本原则需要考虑到。2.2.1 网格细化 网格如果划分得越细，所产生的节点越多，使计算的结果更加精确。在边界的曲折处，集中的载荷作用点，应力变化较大的区域加密网络，分布载荷比较突出的点和约束支承点都需要设置相应的结点，与此同时，时机，费用效率等都需要同时考虑到。随着网格机密越来越多后计算的精确度不会有明显的提高情况，对于应力的变化比较平缓的区域没有一定要细分网络，在DEFORM有限元的软件里拥有自定义网络密度窗口，使用者可以针对自己得需求对有用的区域进行细致区分，这样可以使得其他的区域保持不变。2.2.2 网格重划分 相对于金属切削里类似这类变形较大的问题，在用有限元解觉时一般采用增量法，也就是增量加载法。每一个增量进行加载的时候，会把塑性的问题近似得处理为准静态变形问题，简单理解为在增量开始的时候，把初始的状态看作是变形参考中的计算增量值，而且在不停得更新后续增量的相关参考状态。尽管用这种方法有不少的优点，但是在实际的切削分析过程中有刀具与工件的干涉和部分的单元畸变会使得模拟的精度大大降低，严重的还会导致计算不收敛。原因是在切削加工时的初期，在形成原始工件的状态相对简单，在网格里的可控制的部分就是单元形状和密度，但是同时随着变形在不断得发展，原始工件的几何形状会变得越来越复杂，并且各个部分的变形都不相同，这就会导致与原始工件发生了同样的变形的有限元网格单元的形状会变得越来越坏，甚至会发生畸变的情况，如图2.2所示。 如果把这类已经畸变的网格形状用作参考增量的分析以及参考状态，会导致计算的准确性降低，如果说单元的畸变越来越严重的以后，比如出现了单元折叠，四边形的单元内角已经大于180度等，这些都会使得矩阵的形式列大于零，从而不满足要求所以不能再继续计算。 还有一种情况，在整个变形的同时，工件与切削刀具的表面之间有着较大的相对运动，这样会使得工件的一些边界网络与切削刀具产生边界摩擦或者干涉，如图2.3所示，将会导致模拟结果产生一定的误差。所以说，关于涉及到金属切削过程变形比较复杂时，几乎不可能只用一成不变的网络就把整个的变形过程模拟完全。 图2.2网格畸变 图2.3工件与刀具产生干涉 为了解决这个问题，从而提高有限元在模拟复杂的大变形问题的精度，为了防止会出现检验不过关的单元形状，在进行有限元的模拟计算时一定要对网格的即时重新进行划分，这也就是所说的自适应网络技术。它的优点就是可以在模拟的同时动态地实现对比较敏感的切削区域内部的网格再一次生成。 DEFORM软件可以提供四种不同的网格重划分得准则，分别是接触穿透准则，最大的行程增量准则，最大的时间增量准则以及最大的增量步准则。这四类准则可以组合起来使用也可以单独使用。如图2.4所示为切削刀具的接触穿透示意图。在图中弧线代表刀具的外轮廓，四边形代表工件的单元，工件单元边被刀具进入的距离b大于穿透的极限时，通常认为发生了接触穿透。此时就需要网格的重新划分。 图2.4接触穿透准则示意图 论文里，为了尽可能减少计算里出现的误差，在工件里的局部变形的地方网格需要划分得比较细。在整个模拟的过程中运用了包含网格密度定义的专门的跟踪技术，网格密度的窗口采用自定义，如图2.5所示 图2.5网格划分 离窗口1较近的刀刃跟着刀具一起移动，离窗口2远的刀刃保持不动。随着刀具的运动，位于刀尖较前端的加工区域网络会自动形成加密，在已经离切削区较远的已加工的表面或者是已经刀具分离的切屑，网络已经变疏，达到了动态性的网络技术把密集的网格全部集合在关心的区域里求解。2.3 修正刀-屑接触区的摩擦模型金属切削的过程中，塑性的金属材料层经过第一个变形区后沿着前刀面而排出。摩擦产生的部分热量会使得刀-屑的接触面温度变高，切屑温度会被它产生的切削热量直接影响，也包括刀具和工件里的温度应力等，此类的物理量都会被重新分布，从而刀具间的耦合作用直接影响着材料的塑性变形。模拟金属切削加工时用有限元的方法模拟时，对预测的结果有重大的影响的是两个因素，分别是在切削区工件材料产生的流动应力性质和刀-屑的接触表面产生的摩擦特性。通过大应的变速率和温度的变形可以获得工件材料的流动应力，这样会使得它的不确定性对整个模拟过程的影响大幅降低。如图2.6所示图2.6刀具前刀面上正应力和摩擦剪应力分布情况示意图 一般的摩擦情况下，如果正应力增大，相对应的摩擦力也会增大。从刀-屑接触的接触应力所分布的特点来说，一般的摩擦理论不能准确的描述刀-屑的真实摩擦状况。通过大量的实验说明，前刀面上的应力分布都是不均匀的，如图所示，位于前刀面上的正应力从刀尖开始直到分离点都在逐渐减少，存在较大的分布梯度：摩擦剪应力靠近刀尖的地方显示的是均匀的分布，在AB处以比较大的幅度逐步下降。那么整个刀-屑接触的区域可以用公式描述 (2.1) 式中 此类的摩擦模型可以在大多数的有限元的模拟切削过程中得到应用。大多数的研究者在这类模型的基础上重新得出了新的摩擦模型，但是相比较下模拟出的结果与实验后的结果出现的较大的区别，大概有百分之15到30。这篇在过去的研究者们结论的基础上，重新进行的一部分改动，将模拟得到的切削力，进给抗力经过与实验结论的对比，最终使粘结摩擦区和滑移摩擦区得到改进，最终实验结果与模拟结果的差异控制在百分之5以内，流程图如图2.7所示 图2.7修正刀一屑接触区摩擦模型流程图从定义摩擦窗口，从刀-屑的接触面上重新创建了一个粘结摩擦区以及滑移摩擦区，如图2.8所示，采用库仑摩擦条件在窗口1的滑移摩擦区，它的摩擦系数为固定值，查设计手册，从而得到没有涂层的硬质合金刀具与AISI的摩擦系数是0.35：粘结摩擦区用窗口2表示，摩擦剪应力以及最大剪应力的大小在不同的接触点上进行比较，可以确定节点是否在粘结的摩擦范围。2.4 金属切屑分离的准则选择切削加工就是被加工的材料逐渐去除的过程，这个过程中，它从工件的工作中不断得分离：产生分离后，还会产生连续的塑性变形，有的切屑是锯齿状的断裂。所以切屑在一定的分离准则下从工件上分离出来，所以成功完成切削加工选取一个切削分离很重要。目前，关于切屑的分离准则很多都在切削形成中被提出，分为物理准则和几何准则两类。 图2.8摩擦区的定义 当前，研究者们对这两种方法还没有确定出选择哪一个定位标准。在实际的应用当中，刀尖达到了应该分离的节点位置，但是物理值并没有达到标准，所以导致分离失败。几何标准的模型相对比较简单，只是它不基于分离物理条件，导致几何标准找不到一个通用的标准，来适应加工中存在的不同材料以及不同工艺的情况。所以为了解决这两个类型面临的问题，研究者们提出了几何-应力切屑分离准则。这个用物理准则作为判断依据，刀尖距离分离点小于几何值时，就可以强迫节点分离。2.5小结 我们简单分析了有限元的几个典型的建模类型和模拟的方法，对刀-屑接触区摩擦模型进行了简单的研究和更改。讨论了切屑的两种分离标准，动态自适应网格的划分，还有刀-屑表面问题的基础技术分析，这些技术对我们理解有限元在金属切削里的运用非常普遍与重要。3 案例分析研究3.1 DEFORM的Ti-6Al-4V切削过程中有限元求解以及分析3.1.1 钛合金TC4的相关物理性能以及化学成份纯钛的强度和韧性不如合金，所以应用范围较小。一般会选用合金材料，钛合金密度小、强度高、耐腐蚀，化学性能和物理性能都不错，因此它的应用范围非常普遍，尤其是在航天航空工业的运用很重要。钛合金的种类较多，其中TC4的使用量最大，是整个钛合金的一半以上。切削TC4时，材料本身的变形不严重但是温度很高，材料粘结刀面的现象比较严重，刀具的磨损较多，所以说过去的切削方式，采用的速度都非常低，导致加工效率也很低。钛合金Ti-6Al-4V的化学成分以及物理性能如3-1、3-2所示 3.1.2 有限元切削仿真软件DEFORMDEFORM主要功能一个是可以进行材料成型的仿真分析和热处理加工。第二个就是分析材料的变形以及热效应的变化，流程如图3.3所示 图3.3切削仿真流程图3.2 DEFORM切削过程中模型的建立以及相关技术DEFORM由2D、3D两个平台组成，2D常用于Windows平台上应用，可以整合比较先进的分析技术，对生产以及科研研究有很大的积极作用。3D一般为UNIX工作平台，可以分析较复杂的三维流动模型和较难的平面模型。3.2.1 材料模型刀具的强度，硬度都高于被加工的材料，所以研究时将刀具作为刚性体，切削的过程中，需要考虑到摩擦、热传导等问题，不需要考虑弹性的变形问题，所以材料可以看成刚粘塑性模型，切削工件是钛合金TC4，刀具材料是WC硬质合金，参数如3.4所示 表3.4 TC4（Ti-6A1-4V）的物理力学性能经常用的模型有Oxley模型、ERC模型、EI-Magd模型和Maekawa模型25等。应用DEFORM对钛合金TC高速切削仿真使用的本构模型的方程为26： 刀具与工件的材料都来自于DEFORM的材料库，如图3.5所示 3.5 材料库由第三方软件定义，输入DEFORM中。工件的材料是Ti-6Al-4V-machiningSFTC即钦合金TC4，密度p =4430kg/m3,弹性模量E =117GP，泊松比u=0.3。为了方便使用者，也可以自主定义材料，比如关于各个参量的选择，都可以自己操作，如图3.6，3.7所示3.6材料自定义3.7材料自定义3.2.2 几何模型的建立和其它有限元分析软件一样，DEFORM中几何模型的建立也有两个途径,是从其它CAD软件中生成DXF ( 2D)或是STL ( 3D)导入到DEFORM-2D或DEFORM-3D中。二是DEFORM本身也具有简单的造型功能，特别是在建立车削、铣削等分析模型的时候，可以直接生成，简单方便,如图3.8所示3.8 工件几何模型建立如图3.9上所示，3D中已经有各种基本模型，刀具的圆角、刀片厚度等可以自己输入，过程简单时，可以自己完成，运算量也较小，刀片参数定义如图3.9下所示 3.9 刀具几何模型建立 3.9 刀具几何模型建立 在DEFORM - 2D中仅能控制刀具的前角和后角的变化。若需要观测主偏角与刃倾角对主切削力的影响，则需要在DEFORM - 3 D中建立模型。在DEFORM-3D软件中，设定刀具的角度是通过改变刀具其及夹具来确定的。如图3.10所示3.10 刀具角度确定3D软件出自美国，中国与美国之间的定义有差距，所以角度的确定不一样，于是用一个公式进行转换。换算表达式27如下 (3.1) 工件系统自动生成5mm立方长条，在2D、3D中生成切削模型如图3.11所示3.11 切削模型3.2.3 网格划分和自动重划 网格划分是用有限元方法分析问题步骤中犹为重要的一部份，其过程其实就是有限元分析过程中一个由合到分的过程。网格的大小、数量可以由用户自己定义。网格划分的量数越多，大小越小，计算结果的精度也将越高，但计算的复杂程度也就越高。平衡计算结果精度以及计算机性能，需要多方面决定网格划分时具体状况。 DEFORM中对网格可以有两种方法进行划分，可以使用绝对尺寸对其进行化分，也可以制定出单元网格总数量。本文采用网格尺寸控制法对工件和刀具行网格划分，网格的类型为四面体常应变单元，在场变化较大的地方网格密度较高，反之则较稀疏。本文中划分网格将刀具划为30000，然后网格大小依据于绝对尺寸来定义，其值的大小是给进速度的百分之30。 在本次仿真中，刀具与工件的工作区为应力、温度的集中区域，所以划分密集，如图3.12所示切削变形较大，刀具附件的网格会发生扭曲，所以计算时会出现0或者负数28，导致计算出错。网格的畸变有两种，如图3.13所示3.12 网格划分 3.13 网格畸变3.2.4 刀具的磨损 切削过程中，有两对非常剧烈的磨损，分别是刀具的前刀面与脱离下来的切屑和刀具后刀面以及工件新生成的表面之间，它们之间相互挤压、从而产生剧烈摩擦，产生较高的温度，在两处将同时发生严重的磨损，在刀具前刀面上形成的是月牙洼磨损，而在刀具后刀面上形成磨损带状磨损。刀具在切削热、挤压、化学等多方面因素的共同作用下被磨损。原因有磨料磨损、粘结磨损、扩散磨损等。 如图3.14所示为DEFORM中切削过程中刀具的磨损Usui模型，适用于金属切削扩散磨损起主要作用的连续加工工艺，其表达式为: (3.2)在本仿真分析中，a, b的取值为系统默认缺省:a=le-OS b=1000 图3.14仿真控制 4 总结 本文在参阅了大量国内外文献的基础上，阐述了金属切削有限元模拟的发展历程。基于金属切削理论以及前人的研究成果，本文围绕金属切削有限元模拟的方法进行了探索性研究，提出了相应的有限元模拟方法，并通过切削实验验证了该有限元模拟方法的有效性和合理性。本文提出的有限元模拟方法可以快速、有效地对金属切削过程进行模拟预测，可以缩短研究周期，从而提高工作效率，符合现代工业发展的要求。 本文利用有限元DEFORM软件平台对钦合金TC4进行切削加工仿真，同时对切削参数进行优化，最后进行试验验证。本文完成的主要工作有以下几个方面: （1）对有限元技术、金属切削加工理论、遗传优化算法进行阐述，并将它们应用于TC4材料的切削加工分析中。 （2）分析了在有限元仿真与切削模拟问题中的关键性技术包括:模型的简化、网格的划分与重划技术、接触摩擦模型的建立等。参 考 文 献1 蔡在直.金属切削原理M.上海:同济大学出版社,1994:19一46.2 杨荣福,董申.金属切削原理!M.北京:机械工业出版社,1988:45一73.3 王祖唐,关廷栋,肖景容,雷沛,霍文灿.金属塑性成形理论M.北京:机械 工业出版社,1989:333一3754 5.Kobayashi.TheRoleoftheFiniteElementMethodinMetalFormingTechnology,AdvaneedTeehnologyofPlastieisy,1984,Vol.ll5 Okushima K,Kakino Y.The residual stress produced by metal cuttingJ.Annals of the CIRP,1971,20(1)：13-14. 6 Klamecki B.E. Incipient chip for mation in metal cutting-a three dimension finite analysis D.Urbana:University of Illinois at Urbana-Chanpalgn,1973,1-10 7 Tay A O,Stevenson M G,David G V.Using the finite element method to determine temperature distributions in orthogonal machining J.Proceedings of the Institution of Mechannical Engineers.1974,188:627-638.8 Lajczok M.R.A study of some aspects of metal cutting by the finite element method D,NC State University,1980,1-20.9 Usui E,Maekawa K,Shirakashi T.Simulation analysis of the built-up edge formation in maching of low carbon steelJ.Bull Jan Soc Process Eng.1981,15(4):237-242.10 Carroll III J.T,Strenkowski J.S.Finite element models of orthogonal cutting with application to single point diamond turning J, International Journal of Mechanical Sciences. 1988,30:899-920.11 Strenkowski J.S,Moon K.J,Finite element prediction of chip geometry and tool/workpiece temperature distributions in orthogonal metal cutting J,Int J. Eng.Ind 1990,112:313-318.12 Tyan T,Yang W.H.Analysis of orthogonal metal cutting processesJ,Int. J.Numer Meth.Eng.34(1992)365-389.13 Sekhon,G.S; Chenot,J.L,(1992)Some simulation experiments in orthogonal cutting.Numerical Methods in Industrial Forming Processes J,Rotterdam ,The Neth
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