基于正交切削模型的刀具前角对切削力及切削温度的影响

摘要：在金属切削过程中，刀具的形状直接影响金属切削质量。本文基于大变形大应变理论、增量理论以及更新拉格朗日算法，建立了二维弹塑性金属斜刃切削有限元模型；自动对畸变网格进行重划分；通过用不同的刀具前角对金属刀具切削过程进行了数值模拟，分析总结结果，得出刀具切削过程中在不同切削前角时，切削力、刀具与工件的应力应变、温度的分布情况；对选用刀具形状，提高切削表面质量提供了理论依据。本文的研究为后期研制新的刀具材料提供了理论依据，降低实验成本。关键字：大变形大应变理论;增量理论;有限元模型;刀具前角；数值模拟Abstract: The geometrical shape of tool has a direct effect on the quality of workpiece in the process of metal cutting. A 2 dimensional elasto-plastic finite element model of metal oblique cutting is developed in this study based on large deformation- large strain theory, incremental theory and updating Lagrangian formulation; in order to determine the chip separation, the geometrical separation criterion (distance criterion) is adopted; an automatic remesh technique is used to remesh the distortion mesh; a couple of numerical simulations have been developed on the metal oblique cutting process with different tool rake angles, some conclusions are obtained according to the simulation results : the variational rule of cutting force, and also the corresponding distribution of stress and strain. Theory foundations are provided to the selection of tool geometry and to improve the surface quality of workpiece. Key words: large deformation-strain theory; incremental theory; finite element model; rake angle;1 绪论11 简介随着现代机械制造技术的发展，提高切削质量，降低切削成本成为市场竞争的前提。切削过程是一个很复杂的工艺过程，不需要的金属层被不断去除以形成切屑，最终留下与设计精度及尺寸要求相符的产品。切削过程不但涉及到弹性力学、塑性力学、断裂力学，还有热力学、摩擦学等，而且切削质量受到刀具形状、切屑流动、温度分布、热流和刀具磨损等影响 1。但是，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。切削操作人员和刀具制造商往往都是利用试错法(trial-and-error Method)来获取一些经验值，既费时费力，又增加了生产成本，严重阻碍了切削技术的发展 2。 计算机技术的飞速发展使得利用数值模拟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。近年来，有限元方法在切削工艺中的应用表明，切削工艺和切屑形成的有限元模拟对了解切削机理，提高切削质量是很有帮助的。这种数值模拟方法适合于分析弹塑性大变形问题，包括分析与温度相关的材料性能参数和很大的应变速率问题。它还可以预测切削力变化规律以及切削后的温度分布，优化切削参数，从而实现对切削过程的控制。本研究通过对不同刀具前角的金属刀具切削进行数值模拟，分析模拟结果，得出切削过程中切削力，刀具与工件的温度、应力应变的分布情况。本文中工件材料为 45 号钢，刀具材料为硬质合金 YT15，基于大变形大应变理论、增量理论以及更新拉格朗日建立了二维弹塑性金属切削热力耦合有限元模型，为了避免刀具穿透工件而进入工件表层导致与实际切削不相符的情况出现，软件采用几何分离准则（距离准则）判断材料的分离，并自动对畸变网格进行重划分，从而提高了求解效率与求解精度。12 切削过程有限元模拟技术的发展状况 1有限元方法最早被应用在切削工艺的模拟是在 70 年代，与其它传统方法相比，它大大提高了分析的精度，1973 年美国 Illinois 大学的 B.E.Klamecki 最先系统地研究了金属切削加工中切屑(chip)形成的原理，1980 年美国的 North Carolina 州立大学的 M.R. Lajczok 在其博士学位论文中应用有限元方法研究切削加工中的主要问题，初步分析了切削工艺。1982 年，Usui 和 Shirakashi为了建立稳态的正交切削模型，第一次提出刀面角、切屑几何形状和流线等，预测了应力应变和温度这些参数。1984 年，Iwata 等将材料假定为刚塑性材料，利用刚塑性有限元方法分析了在低切削速度、低应变速率的稳态正交切削圈。但是，他们都没有考虑弹性变形，所以没有计算出残余应力。Strebjiwsjum 和Carroll 将工件材料假定为弹塑性，在工件和切屑之间采用绝热模型，模拟了从切削开始到切屑稳定成形的过程。他们采用等效塑性应变作为切屑分离的准则，在模拟中，等效塑性应变值的选择影响了加工表面的应力分布。1990 年，Strenkowski 和 Moon 模拟了切屑形状，用 Euler 有限元模型研究正交切削，忽略了弹性变形，预测了工件、刀具以及切屑中的温度分布。Komvopoulos 和Erpenbeck 用库仑摩擦定律通过正交切削解析方法得到了刀具与切屑之间的法向力和摩擦力。用弹塑性有限元模型研究了钢质材料正交切削中刀具侧面磨损、积屑瘤及工件中的残余应力等。 Furukawa 和 Moronuki 用实验方法研究了铝合金超精密切削中工件表面的光洁度对加工质量的影响。分析表明，当切削深度在 10 m 左右时，最小切削力的范围在 10 N 左右, Naoyo Ikawa 用精密切削机6 1床在实验中测量了红铜材料切屑形成和切削深度之间的相互影响，实验中采用的切削深度在 10 m 左右。Toshimichi Moriwaki 等用刚塑性有限元模型来模9拟了上面的实验。他们模拟了切削深度在毫米到纳米范围内红铜材料正交切削过程中的温度场。近几年来，国际上对金属切削工艺的有限元模拟更加深入。日本的Sasahara 和 Obikawa 等人利用弹塑性有限元方法，忽略了温度和应变速率的效果，模拟了低速连续切削时被加工表面的残余应力和应变，美国 Ohio 州立大学净成形制造(Net Shape Manufacturing)工程研究中心的 T. Altan 教授，在国际上金属塑性加工界享有很高学术声誉，在金属塑性成形数值模拟方面做出了许多令人瞩目的成就，近年来他与意大利 Brescia 大学机械工程系的 E. Ceretti 合作，对切削工艺进行了大量的有限元模拟研究。13 硬质合金简介 3硬质合金是粉末冶金制品，是将高硬度、高熔点的金届碳化物(又称难熔金属碳化物)粉末，用(b、DIo 及 Ni 等金属作粘结剂压制、烧结而成的粉末冶金制品。硬质合金的组成与特点如下：硬质合金中的碳化物(WC,TiC，TaC 等)的硬度高、熔点高。碳化物所占的比例越大，硬度越高；碳化物的粒度越小，则碳化物颗粒的总团积越大，而粘结层的厚度减小，即相当于粘结层金属相对减少，使其硬度提高，抗弯强度降低：因此，硬质合金的硬度、耐磨性和耐热性都高于高速钢。由于硬质合金具有高的热硬性(可达 1000左右)，允许切削速度为高速钢的数倍，故门前已成为主要刀具材料之一。但硬质合金抗弯强度较低，脆性大,承受冲击能力较差，制造工艺性较差，刃口不如高速钠锋利.目前国内外已研制出许多新型硬质合金，提高了综合件能。目前常用于切削加工的硬质合金都是以 WC(碳化钨)为基体，主要有如下三类1钨钴类硬质合金(WC-Co)，代号为 YG。TG 类硬质合合的硬质相材料是WC，粘结别足 Co。2钨钛钴类硬质合金(WCTiCCo)，代号为 YT。YT 类硬质合金的硬质相材料是 WC 利 TiC，粘结剂为 Co。3钨钛钽(铌)钴类硬质合金WCTicTaC(NbC)Co，代号为 YW。YW 类硬质合金也叫通用硬质合金，是种用途广泛的硬质合金，已部分代替 YT 和YG 类硬质合金。 各类牌号中，含钴量越多，韧性越好，适用于粗加工；含碳化物量越多，热硬性越高韧性越差，适用于精加工。2 DEFORM2d 软件的简介21 DEFORM 简介 4DEFORM 模拟软件是 SFTC( Scientific Forming Technologies Corporation)公司的产品。DEFORM 是一套基于有限元的工艺模拟系统，用于分析金属成形及相关工业的各种成形工艺和热处理工艺。通过在计算机上模拟整个加工过程，帮助工程师和设计人员：1）设计工具和产品工艺流程，减少昂贵的现场试验成本；2）提高工模具设计效率，降低生产和材料成本，缩短新产品的研究开发周期。DEFORM 是一个高度模块化，集成化的有限元模拟系统，它主要包括前处理器，模拟器，后处理器三大模块。前处理器处理模具和坯料的材料信息及几何信息的输入，成形条件的输入，建立边界条件，它还包括有限元网格自动生成器；模拟器是集弹性，弹塑性，刚（粘）塑性，热传导于一体的有限元求解器；后处理器是将模拟结果可视化，支持 OPGL 图形模式，生成复杂的动画和重放功能，允许用户实时图示材料流动和场变量的变化，并输出用户所需的模拟数据。 1）成形分析：（1）冷、温、热锻的成形和热传导偶合分析，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；（2）丰富的材料数据库，包括各种钢、铝合金、钛合金等，用户还可自行输入材料数据；（3）刚性，弹性和热粘塑性材料模型，特别适用于大变形成形分析，弹塑性材料模型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；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；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：1）模拟正火、退火、淬火、回火、渗碳等工艺过程；2）预测硬度、晶粒组织成分、扭曲和含碳量；3）可以输入顶端淬火数据来预测最终产品的硬度分布；4）可以分析各种材料晶相，每种晶相都有自己的弹性、塑性、热和硬度属性。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。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，各种现象之间相互耦合。拥有相应的模块之后，这些耦合将包括：由于塑性变形引起的升温、加热软化、相变控制温度、相变内能、相变塑性、相变应变、应力对相变的影响以及含碳量对各种材料属性产生的影响等。22 DEFORM 网格划分及重划分简介DEFORM 2D 可以提供在普通工作站和 PC 机上，对对称轴和平面零件的应力变形模拟。DEFORM 2D 允许用户通过选择平面应力单元或轴对称单元生成一个 2D 模型。他们是拥有 4 个接点的四边形。可模拟的材料为弹性材料、塑性材料、刚性材料、弹塑性材料或者多孔材料。通过选择等温或非等温过程可以模拟温度的影响。软件提供的数据库提供了多种材料属性(如普通钢、铝合金、钦合金或超级合金)。该软件主要包括三个主要部分:预处理、模拟和后置处理。23 DEFORM 进行模拟的步骤 5通常，DEFORM 分析一个制造工程实际问题的步骤如下:定义工程实际问题;收集所需的数据;生成 FEM 网格;生成一个 DEFORM 数据库;进行模拟;处理模拟结果。其具体步骤为:创建新文件用来存储数据。在 Problem ID 中键入一个新名字，然后就进人了一个预处理菜单，模拟和后置处理。预处理菜单包括以下内容:(I)材料属性的选择弹性、塑性材料和传热系数，如扬氏模量、热膨胀系数、应力、传热系数、热能等。(2)对象的确定包括几何特征、单元网格、运动、温度、边界定义、温度边界(在工件和刀具接触区域定义一个细化的单元区域)的确定。假设刀具运动，工件保持不动，环境温度 20，需要定义刀具和工件的温度与变形的边界条件。(3)对象边界定义刀具和工件的接触条件、摩擦等。(4)模拟控制确定参数、算法和步骤。(5)数据库核对并生成数据库。(6)进行模拟。图 1 切削变形区分布图3 切削理论31 切削变形区如图 1 示，切削中的金属根据其塑性变形特性可分为以下三个变形区：第变形区：这一区间内金属的变形特点是只发生沿滑移线的剪切变形以及随之产生的加工硬化。进入该区之前的金属只发生弹性变形而没有塑性变形，因此这一区间又叫做剪切区。在一般切削速度范围内，第一变形区的宽度仅约 0.020.2mm6，所以也可以用一个剪切面来予以表示。第变形区：切屑在前刀面上进一步受到前刀面挤压和摩擦，靠近前刀面处的金属纤维化。第变形区：已加工表面受到刀尖圆角和后刀面的挤压和摩擦，造成金属纤维化和加工硬化。这三个变形区汇集在切削刃附近，应力比较集中而且复杂，金属的被切削层就在此处分离，一部分变成切屑，一部分留在已加工表面上。切削刃对于切屑的切除和已加工表面的形成有很大关系。俗语说：“好刀看刃” ，说明切削刃的重要性 5。32 工件材料模型第一变形区中的弹性变形可以忽略不计，工件材料模型简化为不可压缩的弹粘塑性材料。这一方法已经由 Shih 等 6使用并验证。考虑到材料的非线性问题，工件材料的流动应力应该由 Von Mise 屈服准则来描述，即：“材料处于塑性状态时，等效应力始终是一不变的定值。 ”用公式表示 8为： 3-1 s即：3-22s132321 ） （） （）（其中 为等效应力， 为材料屈服应力， 为第 i 主应力（i1，2，3）si假设剪切区中的塑性变形能完全转化为热能，则塑性变形的热能产生率可以通过 Norton-Hoff 法则表示为剪切流动应力 k，应变率 ，变形效率 以sQ 及应变率敏感指数 m 的函数，如下式 9：3-313mskQ33 前刀面上的摩擦 6 切削钢一类金属时，法应力 （名义单位面积上的法向力）在前刀面上的分布如图 2 所示 5。由于法应力的分布不均匀，近切削刃处甚大，而远切削刃处甚小，因而在刀削接触长度 OB 上存在两种类型的接触。在 OA 一段（前区）上形成紧密型接触，在 AB 一段（后区）上形成峰点型接触。基于库仑摩擦准则，刀屑接触表面摩擦可以由 3-4 式和 3-5 式表示 6：,当 时（滑动区） 3-4ps*，当 时（粘着区） 3-5*为材料剪切流动应力*图 2 刀屑接触表面摩擦模型34 切削热二维切削模拟时，热传导方程为 1：3-6)()(22 yTuxCQyTx式中 T=T(x,y)为温度分布； 为热传导系数； 为比热； Q 为单位体积内的热生成率，可以通过等效应力和等效应变速率来计算 1：3-7 JQ/式中，J 为热功当量。35 刀具磨损351 刀具磨损的原因为了减小和控制刀具的磨损，为了研制新的刀具材料，必须研究刀具磨损的原因和本质。切削过程中的刀具磨损具有下列特点：（1） 刀具与切屑、工件间的接触表面经常是新鲜表面。（2） 接触压力非常大，有时超过被切削材料的屈服强度。（3） 接触表面的温度很高，对于硬质合金刀具可达 8001000，对于高速钢刀具 300600。上述条件下工作，刀具磨损经常是机械的、热的、化学的三种作用的结果，可以产生磨料磨损、冷焊磨损和氧化磨损等。352 刀具磨损的过程 6后刀面磨损量 VB 随切削时间 t 的增大而增图 3 典型的刀具磨损曲线大。图 3 为典型的刀具磨损曲线，其磨损过程分为三个阶段：1 初期磨损阶段这一阶段磨损曲线的斜率较大。由于刃磨损后的新刀具，其后刀面与加工表面间的实际接触面积很小，压强很大，故磨损很快。此外，新刃磨后的刀面上的微观不平度也加速了磨损。初期磨损量的大小与刀具刃磨损质量也有很大关系，通常在 VB=0.050.1mm 之间。经过研磨的刀具，其初期磨损量小，而且要耐用的多。2 正常磨损阶段经过初期磨损，后刀面上被磨出一条狭窄的棱面，压强减小，故磨损量的增加也缓慢下来，并且比较稳定。这就是正常磨损阶段，也是刀具工作的有效阶段。这一阶段中磨损曲线基本上是一条上行的直线，其斜率代表刀具正常工作时的磨损强度。磨损强度是比较刀具切削性能的重要指标之一。3 剧烈磨损阶段刀具经过正常磨损阶段后，切削刃显著变钝，切削力增大，切削温度升高。这时刀具磨损情况发生了质的变化而进入剧烈磨损阶段。这一阶段的磨损曲线斜率很大，即磨损强度很大。此时刀具如继续工作，则不但不能保证加工质量，而且刀具材料消耗过多，经济上是不合算的。故应当使刀具避免发生剧烈磨损。4 切削加工的有限元模拟车削过程如图 4 所示。尽管车削加工是 3D 的，但是 2D 模拟的精度就足够了。在 Z 向上的力VC切削速度 L 1进给量（切削深度）图 4 车削过程示意图与其他力相比很小，可以忽略不计。为了更有效地对切削过程进行有限元分析，对其做以下假设：(1)、切削过程进入稳定阶段后只生成连续切屑；(2)、刀具为刚体：不发生变形但可以进行温度分析；(3)、工件材料为弹粘塑性41 工件模型工件模型的几何参数为：长 10mm，厚度 5mm，切削厚度为 0.14mm，切削层厚度远小于工件宽度（10mm） ，因此可认为工件为平面应变状态。工件网格使用稳定性较好的平面四边形单元以减少切削过程中网格出现较大的变形。如图 5，可以看到工件上的网格在右上角密度很大，这是因为切削只在工件的上部发生，工件下部不是本研究的主要对象，同时在工件上画了 3个网格细化窗口，并且这三个网格窗口是随着刀尖的运动而运动的。这样划分网格可以节约计算时间，提高模拟效率；同时考虑到切削过程中有较大的网格变形出现，并规定当网格畸变量达到网格宽度的 1/2 时，进行一次重划分，做这一设定一方面解决了局部变形的精确求解，另一方面节省了求解时间以及内存消耗。图 5 切削加工的几何模型工件右边单元固定 x 方向位移，下方固定 y 方向位移，单元完全固定，刀具只在水平方向产生运动。工件材料为 45钢，性能如表设置。表 1 工件材料性能 6 b（ MPa） s（M Pa）泊松比杨氏模量(GPa）硬度HBS密度（g/mm 3）600 355 0.3 212 299 7.8510-342 刀具模型刀具为硬质合金钢 YT15，在本研究中将刀具假定为刚体，不对其进行变形分析，只进行热传导分析，因此不用输入材料力学性能参数，刀具热导率为121.4Wm1 -1，热容为 460Jkg-1 -1；刀具网格为四边形网格，因为刀尖是主要受力区，因此在刀尖处设置了细化框；由于刀具不发生塑性变形，因此不需对其进行网格重划分；刀具后角为 6，刀尖圆角半径为 0.2mm；刀具前角分别为-15、-10、-5、0、5、10、15；刀具做匀速运动，切削速度为 1500mms-1。刀具的其他性能参数见表 2。因为刀具的材料在 Deform 材料数据库中没有，故需通过添加新材料的方式将其性能加入有限元软件中。 做了的 7 次模拟。表 2 刀具材料性能 6密度（g/mm 3）抗弯强度（G Pa）热容量 (J/(KgK)热导率 (N/(sK)弹性模量（GPa）泊松比硬度HRA11. 310-31.13 460 33.5 515 0.22 9143 其他切削参数本次课题中，所采用的其他切削参数如下表 3，4 所示。表 3 切削条件切削速度(mm/s) 1500切削深度(mm) 0.141进刀量(mm/r) 0.1刀具主偏角( ) 45刀具后角() 6表 4 模拟设置摩擦系数（库伦摩擦模型） 0.4对流换热系数（N/(sec mm C)） 0.02 热传导系数（ W/(mK)） 45 环境温度（C） 20 单次模拟刀具切削距离(mm) 10注：简化刀具工件接触摩擦，并选用库仑摩擦模型 4； 摩擦系数由王荐同学的课题给出44 本次模拟的具体设置过程(1)进人预处理菜单。打开模拟控制，选择几何形状为平面(plain strain);热传递(Heat transfer)选择 Y；变形(Deformation) 选择 Y；然后进人模拟步骤控制：Step controls/stopping controls；选择模拟的间隔数目 (Select a number of simulation steps ):通常在刚开始时选择 5；确定主要模型(set up a primary die)，如图 6 所示。图 6 预处理菜单设置(2)单击对象(object )，导入刀具模型，设置刀具的相关参数。1)导入刀具模型，确定类型:刀具为 tool/rigid，如图 7 所示.。图 7 确定刀具属性2)对刀具划分网格。如图 8 划分网格，并设定刀具的速度为 1500mm/sec，确定变形和温度的正确界条件。3）刀具速度设置3)进入材料属性菜单(material properties )。单击“+”符号，添加“groups ”。根据表 2 在工件的材料表内填写材料的弹性(elastic )、塑性(plastic)和传热(thermal)数据 (data )。选择刀具的材料特性数据，如图 9。并为刀具选择此材料。图 9 添加刀具材料图 8 对刀具划分网格4)设置刀具的热传导面，如图 10。(3)同上将工件导入，划分有限元网格，选择材料，设定相应属性。工件的有限元网格设置是一个有技巧的地方。如图 5 所示，工件上画三个细化窗口（原因见 4.1 节） 。使用绝对密度划分，最内的窗口的网格设置为 0.00005in ，外面两个设置为 0.0001in。 （该处单位是软件不能改变，全局使用的国际单位制。 ）(4)因工件与刀具是在 CAXA 中定好位再输出的，不需在 Deform 中再次定位。进入 Inter object interface 界面单击 inter object，确定摩擦关系值如图 11所示。点 使工件与刀具建立关联。(5)建立数据库、保存退出、运行。5 切削模拟结果分析刀具类型是决定切削变形的一个重要参数，特别是前角，作为刀具几何构成的一个元素，在很大程度上影响着刀屑的接触。通常在给定其它切削条件图 10 设置刀具的热传导面图 11 确定内部相互关系 建立相互关联图 12 模拟过程中切屑变形图下前角都有一个最优值。如果前角在这个优化值的基础上继续加大，使得切削刃与刀尖的强度降低，刀尖的导热面积和容热体积减小；过分增大前角，有可能导致切削刃处出弯曲应力造成崩刀 6。另一方面，较小的前角使得刀屑接触区较长，前刀面与切屑的摩擦大，产生的切削热多，消耗的切削功率大，同时也容易加大刀具磨损。图 12 为模拟过程中切屑变形图。本文中，选取了 7 个前角值：-15 ，-10 ，-5，0，5，10，15进行对比研究。51 主切削力变化的分析如上文所述，金属二维切削模拟问题可以看作是平面应变状态，主切削力就是和刀具运动方向相同的力。为了获得切削力，可以认为切削力是前刀面与切屑以及后刀面与已加工表面之间的应力的合力在刀具运动方向的分量 10。切削金属的变形程度可以用切屑厚度 与切削层厚度 之比 表示，或者用chDhha切削层长度 与切屑长度 之比 表示，如 5-1、 5-2 式 6：clchlhl5-1Dca5-2chl由于工件上切削层变成切屑后宽度变化很小，根据体积不变原理，显然 5：5-3hlha图 13 不同前角切削进入稳定状态后的切削力 图 14 10切削力随切削距离变化图图 13 为不同前角切削进入稳定状态后的切削力值。理论值是通过当 -15时，切削力最大为 457.2163N。随着 的增加，一方面使前刀面挤压切削层时的塑性变形减小，即式 5-3 中的 减小；另一方面减小切削流经前刀面的h摩擦阻力，因此切削力减小。由主切削力公式 11： ZzFzFZFZZF nypnZ kvfaCF6081.95-4知切削力随 的变化而变化，由表 5 知，F Z 有随前角增加而增大的趋势，由图ZFk13 可见模拟的结果比较符合理论值。表 5 前角修正系数表 12参数 修正系数切削力名称 数值刀具材料名称FZ FY FX-15 1.25 2.0 2.0-10 1.2 1.8 1.80 1.1 1.4 1.410 1.0 1.0 1.0前角20硬质合金 ZFk0.9 0.7 0.7本文单独提取 10时切削力随增量步变化曲线图，如图 14 所示。切削力从零线性增加至稳态时的 397.7966N 左右，此后切削力保持在这一值上下小范围内波动（最大相对误差为：3.6%） 。在切削起始阶段，消耗的切削功主要用于克服工件的弹性变形，同时，刀屑接触面积逐渐增加，因此切削力呈上升趋势；当切削达稳定状态后，切削力便保持一个较为稳定的值。这于切削理论相符，符合切削规律，可见模拟是成功的。52 切削温度的分析切削温度在模拟中考虑了刀具在前刀面和后刀面与工件摩擦引起的工件、切屑和刀具温度变化工件内部由于塑性变形引起的温度变化以及工件内部的热力偶合。图 15 为工件、切屑和刀具内部的温度分布:。从图 15 中可以看到最高温度集中在刀锋附近的局部变形区域内和刀锋处，因为这里是塑性变形和摩擦比较集中的地方。在第 500 步工件的最高温度达到 736。从图 15 中还可以看出工件的已加下表面也有很高的温度，这会使工件产生残余变形和残余应力。图 15 第 500 步时的切屑与刀具的温度分布图 16 为刀具工件第 500 步时最高温度随前角变化曲线。工件表面最高温度随 值增大而减小，这是由于 值增大，切削变形，产生切削热少，因此工件表面温度降低；对于刀具而言，由于增大前角导致刀具与切屑的接触面积减小，即刀具上通过切屑带走的热量大大减少，刀具表面散热条件变差，因此前刀面温度反而有所上升。53 剪切角分析剪切角中是剪切滑移而与切削速度间的夹角，剪切角的大小直接反映了切削变形的大小，是研究金属切削过程中一个很重要的参数。由麦钱特公式 65-1算得的剪切角5-5240式中 为剪切角， 为摩擦角（ ， 为刀具与工件间的库仑摩擦系arctn图 16 为刀具工件第 500 步时最高温度随前角变化曲线 图 17 第 500 步附近的平均剪切角的数值数） ， 为刀具前角。0根据剪切角的定义，借助该软件测量出的剪切角，则为通过有限元法计算出的剪切角的大小。在所模拟的 7 组中，提取了第 500 步附近的平均剪切角的数值，如图 17 所示。可以看出模拟的结果符合了理论的趋势随前角的增大而增加。剪切角 若减小，切削便变厚、变短，变形系数便增大。从图中也可以看出，应当选用10的前角比较合理。-5 度点是一个问题点，笔者估计认为是在第 500 步时，网格畸变造成的。54 关于设置工件自接触的分析 笔者在做模拟时发现了一个现象，切屑卷曲起来后会出现如图 18(a)的现象。这在实际的切削过程是不可能出现的。切屑插入工件就意味着一种接触如图18(b)，但图中切屑在预设置中并不能单独的表示出来，因此不能将此类接触表示出来。因为切屑与工件还连在一起，故在设置中增加了工件与工件的自接触设置，如图 11 中(1) workpiece - workpiece 的摩擦设置，并简化它为库仑摩擦，设摩擦系数为 0.4。增加了设置后，所做的长距离切削模拟就没有发生类似图(a) (b) 图 18 切削模拟中出现的不合理现象18(a)的现象，而产生了如图 12 的正常卷屑，更接近真实切削中的切屑形成。但笔者认为，切屑接触工件的时候，其摩擦未必是库仑摩擦，并且所选取的摩擦系数没有资料可查，故可能增加了模拟的不准确性，研究方向结论本文运用有限元分析软件对平面应变状态下的金属切削模型进行了分析研究。预测切削力，切削温度以及应力应变受刀具前角改变的影响，认为可以得出以下结论：(1)随着刀具前角 从-15逐渐增加 10，主切削力逐渐减小，且在 -15 0区间内，前角改变对主切削力的影响比在 010区间内的影响大；在 1015 主切削力逐渐增大。(2)随着刀具前角增加，工件表面温度下降，刀具表面温度稍有增加，且刀具工件接触温度的最大值并未出现在刀尖处而是在刀屑接触的前刀面附近。(3)由于该有限元模型中对于切削的条件，如：工件、刀具的材料，