外文翻译--有限元模拟的高速硬车削【中英文文献译文】
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外文翻译专 业 机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名 秦飞跃 班 级 B机制053班 学 号 0510110310 指 导 教 师 黄传锦 外文资料名称：On the finite element modelling of high speed hard turning (用外文写)外文资料出处： Int J Adv Manuf Technol 附 件： 1.外文资料翻译译文 2.外文原文 指导教师评语： 签名： 年 月 日有限元模拟的高速硬车削A.G.MamalisJ.KundrakA.MarkopoulosD.E.Manolakos秦飞跃 译摘要 本文介绍了采用有限元法的模拟高速硬车削。近几年，高速硬车削已经成为切削淬硬钢时非常有效的加工方法。这种最新方法的优势是不仅保证了产品的加工质量，还降低了加工时间、成本，同时也环保。它被称为第三次商业浪潮的计划，目前已应用于实践。该方案为模拟线切割用户提供许多设计和分析的操作。本文提出的正交切削模型，同时考虑了模型的工艺参数及实验相关结果。此外还讨论建造了斜切割模型的高速硬车削。从报告可以得出该方法能用于工业生产。关键字 加工 有限元方法 硬车削1 导言硬车削加工操作用于加工硬质材料，如淬硬钢。随着对高品质制造元件的需求越来越大，硬质钢成为现代金属切削加工中使用最广的材料之一，如齿轮、轴、轴承、模具类似零件的材料。制造切割工具是用专门的工具材料，如立方氮化硼亚硝酸盐（立方氮化硼），这种材料能克服在加工过程中遇到的问题1。这些刀具可以在恶劣条件下对铁基材料进行硬车削，即使在高温下，它们也具有良好的性能，可以高速切割和干切削2；由于不使用切削液，这样可以节省购买和处置切削液费用 ，从而降低了成本。干切削因为其加工过程的特点而具有环保性。此外经证实高速硬车削大大地节省了生产时间。 硬车削作为一种先进的技术被广泛的应用，同时它也是一种不可替代的过程，因为逐步执行硬车削可以用来代替传统或是非传统的整理业务繁琐过程；如电火花加工（电火花），在硬加工部分，都等于或优于传统加工，它不仅能保证了精确度，而且具有良好的灵活性同时节省大量的时间，降低成本4-7。 但是现代工业所采用的硬车削的程度并没有象我们认为的那么多，主要是由于以下的问题：快速刀具的磨损或破裂，加工时刀具产生的高压和高温会导致加工结果很差8。作为一种新型的加工方法，它需要进一步加以研究、优化，而大多数研究工作却仅限于实验结果。不过这种新型的硬车削利用数值模拟能够为工作进程提供有用的数据，从而更好地理解加工的过程。特别是有限元法（FEM），目前已广泛应用于对加工过程分析和加工过程切削性能的预测。有限元法是一种非常强大的工具切割分析技术的方法，它可以应用于高速硬车削。 在本文中介绍的有限元法，是以模拟高速硬车削为例，考查切削速度在切削性能上的影响以及预测切割操作中关键的加工参数，其中一些数据有时很难测量或计算，对此我们要特别的重视。例如，温度对工件加工过程的影响。硬车削是一个相当复杂的切削过程，切削条件与传统的加工方法不同。为此出现了有限元法的第三次浪潮，它专门用于模拟切割操作，为模拟硬车削建立了正交和斜切割模型。2有限元模型 在参考文献9-10可以找到过去的三十年来，各种模拟使用有限元方法加工过程的报告。出现在20世纪70年代第一种型号利用欧拉公式模拟正交切割。通过这一办法的有限元网格的空间固定和充满其中的材料以模拟形成该模型的信息。这种模式减少计算时间，由于一些内容需要为工件建模和分块，它主要用于模拟稳态条件下的切削过程。因为网格是一种清楚先验所以图形要素不会严重失真，但这一提法需要复杂的编程。此外必须在加工前得出实验数据，并为该模型了确定存储在芯片的几何形状。但是这方法仅仅被一些研究人员所使用，现在已提出最新的拉格朗日方法得到了更广泛的使用。此方法中，理论联系切削工具材料，加工适合加工的工件。对于切屑的形成，刀刃切屑分离标准仍然是适用的。迄今为止提出了许多关于几何尺寸或物理性能的标准，例如工具和刀具之间的一个临界距离，当刀具达到这一临界距离工件上接近刀刃部分的材料就会分离这就是切屑的形成。其他有关分离的临界值标准例如开始形成切屑的应力或应变标准，甚至提出了裂纹扩展标准。这种方法有一个缺点就是在仿真时要观察大型网格的变形。由于网格是附着在工件材料上的而塑性变形发生在切削区所以网格会发生扭曲。为了克服这一缺点通常采用连续格和自适应网格，这大大增加了计算时间。不过由于计算机的进步使减少所需的时间达到这样的分析水平成为可能。注意所有的拉格朗日-欧拉公式（ALE）都是为了结合这两种方法的优点而提出的，但是它还没有得到广泛的应用。迄今提出的大部分模型都属于正交切削的二维模型，而有关3D模型在文献很罕见。这主要是因为尽管三维切割更接近实际，但是它需要更为复杂的工件、复杂的刀具几何形状和力学性能数据，还有更多的计算时间。特别是研究硬切削更加的困难。 下面提供发达国家应用用第三次浪潮软件的模式，该软件适合加工仿真特殊功能的集成。它菜单的设计方案采用的方式能使用户能够最大限度地减少模型的准备时间。 此外还包括了常用的切割作业中工件和刀具材料了的数据库，提供所有需要的数据进行有效的材料模型。代码是明确的动态的可以执行热力耦合瞬态分析拉格朗日代码。该计划适用于为微元和工件结网自动重新网格化并给予准确的结果。为分析讨论数值模拟所使用的技术方案和全面的职能介绍见参考16。3 结果与讨论3.1正交切削模型正交切削示意图如图 1 。垂直在平面的切削的厚度用数字表示，在平面应变情况下，它被认为是比较大的进给厚度。本次分析的工件材料是氢13热变形磨具钢，其长度是采取L = 3毫米。用材料是立方氮化硼的刀具来模拟刀具磨 图1 正交切削模型原理图损，界面摩擦采用库仑摩擦法，摩擦系数保持在设定值=0.5 。分析时切削刀具，采用-5前角， 5角后角和0.02毫米圆角。 此外，进给速度都采用F=0.05毫米/圈，切割速度考虑采用3种不同速度，即Vc=200 ， 250和300mm/分钟。图2（a）切削前的网格（b）切削一半（L=1.5mm）时的网格图2（a）和（b）表述的是Vc=300mm/min情况下切削前和工件（L=1.5毫米的切削时间t = 30.00001S）切削一半时创建典型的网格，在图表中也可以看到适应网格程序数字的不断演化。注意图2（a）接近刀的尖稠密网格，其中已经变形发生，而在图2（b）该剪切带创建了新的内容，预计其中的应变率很高。此外，还要注意，特别是在其内、外表面网格稠密的切屑，因为变形的材料在这一领域，所以应力也很高；此外，精密的网格可以更贴切的表示材料内质纹理，提供更准确的结果。从有关文献得到的实验结果验证了这种为了实现正交切削条件而采用的高速车削硬质钢（55HRC）的硬车削模型。图3是实验所得的进给力Ft和切削力Fc与模型预测值的比较，从这些数据可以发现，实验和计算结果非常接近，一般来说，他们有同样的趋势；其中进给力对合力影响最大， 图3 三种切削速度下不同切削力的经验值与理论值随着切削速度增加进给力会减小而切削力只是略有增加。不过，在大多数情况下，模拟数值总比实验数值似乎要高，随着切削的速度提高差距会更大，这可能是由于这一过程中发生了较大的应变，这一应变改变了材料性能，而他们采取的模式无法记录或者是因为不正确的摩擦模型，这就意味着需要提出一个更先进的摩擦理论。请注意，除了切削力和进给力可以从工程实际加工中测出以外，其它的数据如果不用模型模拟而从实际加工中测量，即使能测出来，也将是非常困难，甚至是不可能图4 工件、切屑、刀具的（a）温度分布（b）应力分布的。比如：工件和刀具等的温度温频带的分布形式和切削过程中冯米塞斯力的分布。图4（a）和（b）表示切削速度为Vc = 300m/min时温度场和冯米塞斯力的分布。这些图片表明该模型的一个分析步骤，特别是切削最稳定的切削长度L= 1.5mm的时候。从各种条件所得到的结果，形式上大体是类似的。从取得的成果，可得出的结论，提高切削速度最高切削温度也会有所增加，如620 ，690和730对应了三种不同的切割速度。这就解释了低强材料的切削温度较高，因为采用更高的切削速度可以减小进给力。由于材料的塑性变形和摩擦的原因，切屑与刀具的前刀面接近刀尖的接触部分更容易处于红热状态，远离刀面部分的切屑温度逐步降低。剪切带中心的压力几乎恒定，而刀尖附近的压力较低；这可能是由于这一区域的温度升高使材料变软。所能承受的最高温度和前刀面的温度场的分布是刀具的重要参数，因为立方氮化硼刀具的磨损与高温有关，高温会减少刀具寿命。通过模型模拟得到的数值，以尽量减少不必要的影响，选择合适的切削条件，以优化切削过程。正交切削模型还可以，模拟毛刺的形成过程，使得工件的材料得到完全的利用；也可以对分析数据进 图5 毛边的形成和工件、切屑的塑性变形行合理的扩大，从而使走刀路径覆盖工件。从图5可以看出在切削速度Vc=300mm/min时工件毛刺形成及塑性应变。3.2斜切割模型二维模型迄今更受欢迎的模型切割行动，因为它们是相对简单，他们可以提供可允许范围内的精度。然而，正交加工只是一个理想的代表性切割，它认为变形的切屑在一个平面；在现实生活中，切削变形的转折点发生在三个层面。迄今在文献中提出的三维模型是不同于传统的斜切割模型的方法14 ，15。然而，正是这种方法提出这方面的工作，因为已经积累了很多类似的应用的问题的经验，可以用有限元法充分处理三维建模的问题。此外，所有工件和刀具的参数，以及切割条件和前面模式中切削速度Vc= 300mm/min是相同的。不同的是刀具的刃倾角改为20度。图6高速硬车削的斜切削的温度 图7 高速硬车削的斜切削的后视图高速硬车削的斜切削模型，像在二维模型中一样可提供很多有用的数据。如图6所示工件的温度场，还有切屑和刀具。在同一数字表格中相同位置，也可以看出刀具相对于工件的温度场，这就解释了切屑形式。图7展现卷曲的切屑，我们从图中能够更好地观察切屑，后方可以在同一时间看出工件加工的步骤。在这张图中，刀具被忽略，这样的为了可以更好的看到在切割位置的温度。 请注意，描述这些模型比描述现有的二维模型需要更多内容，计算时间大约是二维模型的10倍以上，而在普通的PC机上计算三维模型所需时间将超过100小时。尽管三维模型可以提供更多的信息也更加的直观，正是由于这个缺点，使它没有二维模型实用。 4 结论 总结上述报告，我们可以得出硬车削是一种新的加工方法，相比其他加工硬质钢方法具有很多优点。特别是高速硬车削，更具有加工时间短和成本低的优点。 有限元以前在模拟加工方面就得到了广泛应用。本文和商业有限元的第三次方案也使用了这种方法，我们借助这种专门的软件，可以模拟出二维和三维正交斜切削的模型。把正交切削模型模拟得出的切削力和进给力的结果，与相关文献中得出的实验结果进行了比较。假设其它结果可以预见如工件和刀具的温度、压力和应变数据，因为这些数据将是非常难得到。后者的结果可用于切削过程的理论研究以及加工中出现的特定现象。例如刀具反过来会影响工件表面质量，此外还可以模拟正交切削中毛刺的形成。三维斜切割模型研究的问题是在三维空间，而不是在某一个想象的正交平面内切屑的变形，因此这种方法更接近现实。斜切削模型有提供与二维模型同样的数据的能力，但同时还会得到其它的信息。例如三维切屑的形成，不过这些模型比较复杂，需要以增加工作量和分析计算时间的方式增加更多的条件。从以上的分析可以得尽管只进行了少量必要的试点工作，但产生可靠的结果说明这种方法在现实加工中是切实可行的，能实现生产目标的最优化。 参考文献：1. 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