基于DEFORM-3D的金属切削毛刺仿真分析

2012 届本科毕业论文（设计）论文题目：基于 DEFORM-3D 的金属切削毛刺仿真分析学生姓名： 所在院系： 机电学院所学专业： 机电技术教育导师姓名： 完成时间： 2012 年 5 月 18 日摘要 毛刺是指金属切削加工过程中在切削力作用下，产生晶粒剪切滑移，塑性变形使材料挤压撕裂，导致工件表面过渡处出现各种尖角、毛边等不规则的金属部2分。毛刺既降低了工件的加工精度，还影响了零件的使用性能。成 为影响自动化加工，柔性制造和精密加工发展的关键问题之一。对切削毛刺进行有限元仿真，研究金属切削变形，可以帮助合理选择切削参数。对刀具几何角度（前角，后角和断削槽等） 进行优 化设计， 进而可以采取措施减小切削力，提高金属切削效率并改善加工表面质量，优化加工工艺等。其仿真结果为生产实践中切削用量的优化选择提供理论依据。本文对 Deform 软件进行介绍并简单说明怎样安装，简单描述此软件的模块结构。然后建立了车削加工的有限元模型，并基于 Deform 有限元软件对车削加工中的毛刺进行数值模拟，最后分析影响毛刺的主要因素是切削厚度和进给量。得出结论：选择合适的切削深度，可以有效控制毛刺的形态和尺寸，减小毛刺的厚度和高度，使毛刺尺寸控制在允许范围之内。随着进给量的增大，毛刺的厚度和高度也在增大。因此适当选择较小的进给量可以有效减小毛刺的大小。本文也有许多不足之处，比如没有具体介绍毛刺的测量过程。在以后的学习中要进一步深入研究。关键词：车削、Deform-3D、毛刺、有限元仿真AbstractBurr is to point to in the process of metal machining in cutting force function, produce grain shear slip, plastic deformation make materials extrusion to tear, and lead to the surface in transition appear all sorts of cutting edges, burrs and irregular metal parts.Burr which decrease the machining precision of the workpiece, still affect parts performance.Be influence automation processing, flexible manufacturing and precision machining one of the key problems of the development.For cutting burr for simulation, research of metal cutting deformation, can help the cutting parameters reasonable selection of cutting speed, optimizing the quantity and feed back.For tool geometry Angle (former Angle, and after cutting groove Angle broken) optimization design, then can take measures to reduce the cutting force, improve the metal cutting efficiency and improved processing surface quality, optimize the processing technology and so on.The simulation result for the production practice of cutting parameter optimization choose to provide the theory basis.This paper introduces Deform software and explain how to install, simple describes the software module structure.A cutting processing finite element model, and based on the finite element software to Deform turning processing of burr by numerical simulation, and finally analyzes the main factors of influence burr is cutting thickness and feeding.Choose appropriate cutting depth, can effectively control the shape and size deburring, reduce the burr and thickness of height, make burr size control the scope of the permit.Along with the increase of feed, burr and thickness of highly will increase，so proper selection of smaller feeding can effectively reduce the size of the burr.Key words:Turning、Deform-3D、Burr、Finite element simulation目录1 、绪论 .52、关于 Deform-3D.642.1 Deform-3D 简介 .62.2 Deform-3D 的安装 .62.3 Deform-3D 软件的模块结 构 .63、有限元模型建立 .74、Deform-3D 软件仿真 .84.1 Deform 前处理器的设置 .84.2 Deform 模拟运行过程 .94.3 后处理毛刺仿真阶段 .95、毛刺的测量 .136、影响毛刺的因素 .13总结 .16致谢 .17参考文献 .181 、绪论 毛刺是指金属切削加工过程中在切削力作用下，产生晶粒剪切滑移，塑性变形使材料挤压撕裂，导致工件表面过渡处出现各种尖角、毛边等不规则的金属部分。毛刺产生的原因是：(1)剪切刀刃变钝，间隙过大或安装不当；(2)冲头磨损或安装不当；(3) 火焰切割操作不当；(4) 焊接制度不规范。防止和消除毛刺的办法有：(1)正确安装剪切、锯切和冲孔装置；(2)及时更换磨损的刀刃、锯片和冲具；(3)加强产品切割操作的管理；(4) 调整焊接制度。 毛刺是金属切削过程中存在的普遍现象之一，也是金属切学理论研究中迄今为止尚未解决好的两大难题（毛刺的生成与控制，切屑的处理与控制）之一。它涉及材料科学、弹塑性力学、断裂力学、机械 动力学和精密加工工程学等多个学术领域。毛刺既降低了工件的加工精度，还影响了零件的使用性能。成 为影响自动化加工，柔性制造和精密加工发展的关键问题之一。切削毛刺有三种类型：进给方向毛刺、切削方向毛刺和工件两侧方向毛刺。其中进给方向毛刺对工件性能影响较大，后两者较小，所以本文只研究进给方向毛刺。在不同的模拟切削条件下，车削进给方向毛刺有一次毛刺和二次毛刺两种形态。一次毛刺直接影响了工件的加工精度，因此必 须抑制和减小。二次毛刺是在一次毛刺根部厚度较小处断裂、脱落后形成。车削 过程中不可避免出现毛刺，由于二次毛刺尺寸较小，因此希望形成二次毛刺。毛刺形成有四个阶段：（1）正常切削阶段， （2）端部变形阶段， （3）继续切削阶段，（4）毛刺形成阶段。金属切削毛刺形成过程的研究传统方法是“ 实验法”，这种基于实验的方法往往要经历反复修正的过程，从而造成了大量的人力、物力及时间浪费。伴随 传统的技术和现 代计算机技术全方位的密切结合，传统的经验设计方法已逐渐被数值模拟方法所代替。数值模拟方法不需要建造物理模型，并可以提供工件和刀具在成形过程中的各物理量的详细参数。目前有限元软件如 DEFORM 、ANSYS、ABAQUS 等已广泛应用到金属切削成形加工过程的数值模拟之中。毛刺形成过程是一个非常复杂的非线性变形过程。运用计算机进行有限元仿真研究具有系统性好、继 承性好、可延 续性好等优 点， 还不受时间、空间和地域的控制，一旦获得较好的仿真效果，则可大大缩短工 艺设计的时间和成本。Deform-3D 仿真 还可以获 得许多用实验方法难以获 得或不能获得的信息，能够再现毛刺形成过程的变形和温度的变化。利用仿真技术能够方便的分析各种工艺6参数对毛刺形成过程的影响，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，为更好地研究切削理论提供了极大的方便。本文选择三维有限元分析软件 Deform-3D，以 WC 硬质合金刀具切削 45 调质钢作为研究对象，对切削 过程中毛刺形成过程进行仿真，得出在不同阶段毛刺形态。2、关于 Deform-3D2.1 Deform-3D 简介Deform-3D 是一套基于工 艺模拟系统的有限元 软件，专门设计用于分析各种金属成形过程中的三维流动，提供极有价值的工艺分析数据，及有关成形过程中的材料和温度流动。典型的 Deform-3D 应用包括 锻造、 挤压、墩头、轧制，自由锻、弯曲和其他成形加工手段。Deform 的理论基础是经过修订的拉格朗日定理，属于刚塑性有限元法，其材料模型包括刚性材料模型、塑性材料模型、多孔材料模型和弹性塑性模型。Deform 软件根据不同的材料性能可以选择不同的计算方法。同时该软件提供了丰富的材料库，几乎包含了所有常用材料的弹性变形数据、塑性变形数据、热能数据、热交换数据、精粒长大数据、材料硬化数据和破坏数据。2.2 Deform-3D 的安装1.运行 Deform-3D 的安装程序，会出现 Deform-3D 安装提示和法律警示，然后出现安装启动对话框。单击【next】按钮进行安装。2.按弹出的安装途径对话框直接单击【next】按钮进行安装，询问用户是否修改安装途径。3.弹出询问需要安装的附加组件对话框，单击【next】按钮进入复制安装文件过程。4.出现安装完毕对话框后，单击【finish】按钮，软件安装结束。5.复制 deform.pwd 文件到 deform 安装目录下的 v5-0 文件夹中后软件就安装完毕了。图 2-1 是安装成功后进入软件的主界面。图 2-1 deform 的主界面2.3 Deform-3D 软件的模块结 构1.前处理器包括三个模块：数据输入模块、网格的自动划分与自动再划分模块、数据传递模块。 2.求解器真正的有限元分析过程是在模拟处理器中完成的。3.后处理器后处理器主要是对有限元计算产生的大量数据进行解释，用于显示计算结果。3、车削有限元模型建立本文仿真车削过程中毛刺的形成过程，车削原理如图 3-1 所示，工件旋转，刀具轴向和径向进给，达到层层切削工件的目的。图 3-1 车削加工示意图车削加工过程中进给方向毛刺就出现在工件的终端面，因此模拟进给方向毛刺只需对靠近切削终端面的部分进行切削仿真。如图 3-2 所示8图 3-2 车削几何模型4、Deform-3D 软件仿真4.1 Deform 前 处理器的设置1 、创建一个新的模拟项目应按以下步骤：(1) 先创建在 F 盘创建 machining 文件夹。(2)接着在主窗口界面右侧点击前处理 Pre Processor 中 Machining【Cutting】选项，进入车削的前处理阶段。 2、切削模型建立(1) 设定工作条件。进入前处理界面在右下角，选择国际单位制（System International）。由于模拟的是车削外圆，故选择 Turning。切削参数的 设定根据自己的需要改 变参数值的大小，不过后刀面选择刀具参数时要参考这些参数值，否则很可能会出现接触错误。设定工作环境温度 20、工件接触属性（摩擦系数 0.6 和热导率 45）。(2) 刀具的 设定。从刀具库中选择刀具类型，选择第二类刀具 DNMA432- WC-english。刀具前角为-5 ，后角为 5。定 义刀具网格划分：选择刀具的 Size Ratio 为 3，选定 35000个网格，工件网格划分如下图： 图 4-1 刀具的网格（3）工件的设定 选择工件的类型为弹塑性【Elasto-Plastic】温度为 20符合实际情况。本文取工件直径为 50mm，取工件的一小部分：弯曲角度 10（弯曲角度指圆弧所夹的圆心角大小），然后单击 Creat geometry 生成满足上述要求的工件。工件的网格划分：选用绝对划分方式【Use absolute mesh size】，划分出网格的最小单元尺寸选择默认值，Size Ratio=2，工件划分出的网格如图 4-2 所示。工件材料选取：选取材料库中【steel】 AISI-1 045（machining）材料作为工件的材料。图 4-2 工件的网格(4) 模拟条件 设定 对运算结果数据存储步数、终止、磨 损条件的设定，具体参数是：存 储增量为每 25 步存一次，总共运算 3000 步，切削 终止角度 10，即切削工件的全部后停止（工件总共弯曲 10）。另外 Tool wear calculaton with Usui model 对刀具磨损进10行设定，以便后处理时可以查看刀具磨损量，根据 经验值取 a、b 分别为0.0000001 和 855.0。(5) 检查设 定结果 单击【Check data】检查设定是否正确，若正确则左下角的信息栏会出现 字样 说明成功，否则失败， 单击 来生成文件。（6）退出前处理 点击工具栏中的退出按钮 ，点击【Yes】退出同 时在主窗口的文件夹下生成 MACHINING. DB 文件，完成切削加工的前 处理。4.2 Deform 模 拟运行过程完成切削模型前处理过程后，点击文件目录菜单下的 MACHINING. DB 文件，在 deform 主窗口中点击工具栏中的开始按钮 ，进行模拟运行直至运算结束。此程序运行了将近 12 个小时。运行程序时间与工件及刀具网格划分有很大关系。4.3 后处理毛刺仿真阶段有限元仿真中切屑分离准则有两种类型：几何准则和物理准则。几何准则主要通过变形体的几何尺寸的变化来判断分离与否。而物理准则主要是基于制定的一些物理量是否达到了临界值而建立的。Deform 中默认的剥离准则相当于几何准则的切屑分离准则，在模拟车削中毛刺形成过程采用这种准则也很合适。（1）刀具工件接触关系 把刀具和工件设为主从关系，这样可以使工件材料不会渗透到刀具中，由于工件与切屑接触，所以设 置自接触关系。摩擦 设置 为剪切摩擦状态。 实践证明，切出进给方向毛刺对工件的影响最大，所以只对切削切出方向进行有限元仿真。（2）毛刺形态及形成阶段 在不同的模拟切削条件下，车削进给方向毛刺有一次毛刺和二次毛刺两种形态。在 对模拟结果做进一步分析发现，一次毛刺和二次毛刺的形成过程都具有四个不同的形变机理和力学特征的阶段，即正常切削阶段，端部变形阶段， 继续切削阶段和毛刺形成阶段。图 4-3 进给方向毛刺形态表示图 4-3 描述一次毛刺和二次毛刺的大致形状。（3（毛刺仿真阶段 在主界面目录下选择 MACHINING_1. DB 文件，点击右下角后处理模拟按钮，然后在所示界面的在工具栏 后的下拉菜单选择得到如图 4-4 和图 4-8 所示加工过程不同步时的等效应力分布。在实际的切削过程中，由于切削层金属在挤压 条件下实现切削层与工件的分离，会形成很强的塑性 变形应力场和温度场，工件表层受热、受 挤压部分伸长，但其伸长受到其它未加 热和未挤压部分的阻止，从而产生压应力。12图 4-4 步时 299 等效应力分布图 4-5 步时 299 正常切削阶段如图 4-4，可以看出等效应力主要分布在正常切削的区域，切屑沿着前刀面顺利流出，切削过程顺利进 行。 图 4-5 可以更清楚的 观察变形情况。刀具逐渐接近工件终端面时，工件终端面刚度不足以维持切削的正常进行，终端面有了应变开始变形。如图 4-6 所示图 4-6 步时 325 切削情况（端部变形阶段） 图 4-7 步时 357 切削情况 （继续切削阶段）图 4-8 步时 357 等效应力分布图 4-9 步时 365 切削情况图 4-7 和图 4-8 表明继续切削阶段，刀具运行到工件后端面时，只有刀尖部位进行切削，工件终端面发 生变形。图 4-9 表明毛刺形成阶段，隐藏刀具后，可以看出切屑即将脱离工件，随着14切削金属的逐渐变薄，刀尖把切屑根部截断，从而留下毛刺。5、毛刺的测量毛刺的研究、去除、抑制和去毛刺过程都需要对毛刺进行测量，因此多种 测量方法不断出现。根据各种情况测量的毛刺特征主要有毛刺高度 H ,毛刺厚度，毛刺体积，毛刺硬度等等，这些因素中最常用的就是毛刺高度 H ,毛刺厚度。精确地测量毛刺常用金相法，但此方法是破坏性的。其余还有许多光学方法，在此不一一叙述。6、影响毛刺的因素金属切削毛刺是加工过程中形成的，所以影响金属切削过程的因素都会影响毛刺的形成，它的影响因素很多，各因素间相互影响，相互制约。所以毛刺的形态和特征取决于各因素的综合作用。实际加工中，只有通过大量的实验才能确定较为合理的加工参数，这样 就大大增加了成本。利用有限元进行仿真，能 够影响各因素对毛刺形成的影响关系，能够很直观的得到较为合理的切削参数。这样就很大程度的减小加工成本。下面曲线便是多次不同参数设定状态下模拟仿真后测量得到的数据。图 6-1 切削深度对毛刺高度的影响 （ ）图 6-2 切削深度对毛刺厚度的影响 从图 6-1 和图 6-2 可以看出，选择合适的切削深度，可以有效控制毛刺的形态和尺寸，减小毛刺的厚度和高度，使毛刺尺寸控制在允许范围之内。图 6-3 进给量对毛刺高度的影响 图 6-4 进给量对毛刺厚度的影响从图 6-3 和图 6-4 可以看出，随着进给量的增大，毛刺的厚度和高度也在增16大。因此适当选择较小的进给量可以有效减小毛刺的大小。 总结本文用 Deform-3D 软 件对金属切削过程毛刺进 行了简单的仿真，并分析了影响毛刺的因素。得到如下结论：（1）在不同的模拟切削条件下，车削进给方向毛刺有一次毛刺和二次毛刺两种形态。在 对模拟结果做进 一步分析发现，一次毛刺和二次毛刺的形成过程都具有四个不同的形变机理和力学特征的阶段，即正常切削阶段，端部变形阶段， 继续切削阶段和毛刺形成阶段。（2）金属车削毛刺是加工过程中形成的，所以影响金属切削过程的因素都会影响毛刺的形成，它的影响因素很多，各因素间相互影响，相互制约。所以毛刺的形态和特征取决于各因素的综合作用。（3）选择合适的切削深度，可以有效控制毛刺的形态和尺寸，减小毛刺的厚度和高度，使毛刺尺寸控制在允许范围之内。适当 选择较小的进给量可以有效减小毛刺的大小。本文的不足之处：（1（Deform-3D 软件是一个 纯英文的软件，所以学习起来比较吃力。仿真毛刺是一个非常复杂的过程，由于本人能力有限，所以仿真过程做的并不好。其中的参数都是参考专家的数据，没有自己去查阅外国文献。（2（毛刺的测量需要借助切屑断裂准则，而断裂准则的掌握需要查阅大量外国文件并参阅软件源程序来确定参数。由于实际条件（外文资料不足、找不到软件源程序等）所限，并且 毕业设计时间有限，本文并没有对毛刺尺寸进行准确测量，而是根据仿真结果的大致换算。在以后的研究中，要着重研究 这一块。致谢非常感谢学院领导和老师给我提供了这次良好的深入学习的机会和宽松的