切削力學(xué)作業(yè)—鈦合金切削的有限元分析.docx

切削力學(xué)大作業(yè)大連理工大學(xué)Dalian University of Technology切削形成過程的有限元仿真分析前言金屬成型過程的計算機模擬一直是機械制造領(lǐng)域比較關(guān)注的研究方向。一個成功的模擬過程在理論研究上對于分析金屬切削的內(nèi)部機理如切削力、材料應(yīng)力、材料應(yīng)變、熱場分析以及切削的形狀等都有很好的幫助，在實際應(yīng)用場合中對研究材料的切削性能、刀具的優(yōu)化設(shè)計以及壽命預(yù)測也有很好的啟示作用。本算例以航空航天中常用材料Ti6Al4V為例，利用abusqus軟件建立穩(wěn)態(tài)切削過程的二維有限元模擬，在3種切削速度（50m/min-500m/min）和3種刀具前角（-10-10）共9種工況，對Ti6Al4V的切削過程進行了有限元模擬的建立以及仿真模擬分析，討論了切削速度以及刀具前角的變化對切屑形態(tài)以及切削力的影響規(guī)律，分析結(jié)果對切削鈦合金時切削參數(shù)的優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)意義。同時，該方法有效避免了歐拉計算法學(xué)要先確定切削性狀的困難，以及靠材料失效來完成切削的切削不成形問題，并且在仿真上有較大優(yōu)勢。1. 有限元模擬建立過程為了簡化模型，只對直角正交切削過程建立二維有限元模擬分析，其結(jié)果可被推廣用于一般切削過程。另外，由于abusqus沒有固定單位制，本文采用表一中的系統(tǒng)統(tǒng)一的基本單位，其余單位有其推導(dǎo)。表1本文采用的單位制長度力質(zhì)量時間溫度mmNt(103kg)s1.1工件和刀具的模型建立 考慮到刀具材料和工件材料相比，刀具材料的強度和剛度都遠大于工件，故將刀具做剛性處理，建模時選擇2D解析剛體，刀具前角設(shè)為10，具體形狀如圖1所示。工件尺寸為1mm2mm,建模時選擇2D變形體，具體形狀如圖2所。圖1 圖21.2網(wǎng)格劃分以及網(wǎng)格工件的創(chuàng)建 進入mesh模塊，為了獲得良好的網(wǎng) 格形狀，將工件分為上下兩個區(qū)，如圖3所示. 圖3接下來對工件各邊撒種，選擇各邊，分別設(shè)置中子數(shù)為100、50、100、50，并設(shè)置靠近刀具處的兩條邊密度偏離系數(shù)為5，其效果如圖4。 圖4在mesh control中，選擇網(wǎng)絡(luò)形狀為穩(wěn)定的四邊形網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)劃分技術(shù)為便于計算的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)劃分技術(shù)，如圖5所示。設(shè)置單元類型為顯示、溫度位移耦合、二次計算精度，并將沙漏控制選擇為relax stiffness,如圖6所示。 圖5 圖6設(shè)置完成后，劃分網(wǎng)格，并將劃好的網(wǎng)格創(chuàng)建成網(wǎng)絡(luò)工件，如圖7所示。 圖71.3 為工件賦予材料查的Ti6Al4V材料的基本參數(shù)如下表。對于切削過程來說，變形程度很大，所以本構(gòu)模型的選擇適用于大變形的johson-cook模型，其參數(shù)如下表創(chuàng)建元素集合以及賦予界面材質(zhì)，其結(jié)果如圖所示。 圖81.4模型裝配將刀具和工件兩個零件按圖10所示進行裝配，刀具要非常接近工件，但不能穿透工件，其切削厚度為0.2mm. 圖91.5定義分析步由于切削過程時間長，變形大，故選擇dynamic,explict類型的分析方法，并設(shè)置時間為0.0003s,具體見圖10。 圖101.6定義接觸為使切削過程順利進行，需設(shè)置兩個接觸，第一個為刀具和工件的接觸，由于刀具在切削過程中要切入工件內(nèi)部，故要和工件內(nèi)部材料發(fā)生接觸，所以將接觸的主面選擇刀具的外輪廓，接觸的從面以節(jié)點選擇可能可能發(fā)生接觸的工件內(nèi)部節(jié)點，如圖所示 圖11第二，為使切削能夠順利生長而不是堆積，還需將工件上層外輪廓面定義自接觸，如下圖所示。 圖12定義接觸屬性： 圖13定義接觸對. 圖141.7施加邊界條件 圖15這里，為了瞬時切削加速度過大，為邊界條件設(shè)置速度平滑曲線，定義的幅度曲線如下圖。 圖161.8提交分析進入job模塊，創(chuàng)建一個job，進行數(shù)據(jù)分析并提交。其余8種模型的建立與上述方法相同，其切削速度變化分別為1250m/s、2500m/s、5000m/s,其刀具前角變化為0、5、10。因此，一共得到129組模型和9組分析結(jié)果。2. 仿真結(jié)果與分析有限元模型建立好并提交分析后，在后處理中可查看仿真結(jié)果。本文針對9組切削過程的應(yīng)力場、應(yīng)變場以及切削力進行了著重分析。2.1應(yīng)力場分析前述三種切削速度和三種刀具前角共9組切削過程仿真結(jié)果的應(yīng)力場分布情況如圖所示。圖17（切削速度為1250mm/s情況下刀具前角分別為0、5、10的應(yīng)力場）圖18（切削速度為2500mm/s情況下刀具前角分別為0、5、10的應(yīng)力場）圖19（切削速度為5000mm/s情況下刀具前角分別為0、5、10的應(yīng)力場） 從9組切削過程的應(yīng)力場分布云圖中可以看出，切削速度的大小并不影響應(yīng)力的分布情況，應(yīng)力較大的區(qū)域發(fā)生在第一變形區(qū)，而在切削厚度為0.2mm時，第一變形區(qū)會產(chǎn)生絕熱剪切帶，導(dǎo)致切削性狀為鋸齒形，隨著刀具前角的增大，切削的鋸齒化程度會減小。2.2應(yīng)變場分析 前述三種切削速度和三種刀具前角共9組切削過程仿真結(jié)果的應(yīng)變場分布情況如圖所示。圖20（切削速度為1250mm/s情況下刀具前角分別為0、5、10的應(yīng)變場|）圖21（切削速度為2500mm/s情況下刀具前角分別為0、5、10的應(yīng)變場）圖22（切削速度為5000mm/s情況下刀具前角分別為0、5、10的應(yīng)變場）從對數(shù)應(yīng)變的應(yīng)變場分布情況來看。鋸齒切削的兩段鋸齒分界線處應(yīng)變較大，最大應(yīng)變發(fā)生在第二變形區(qū)，是由于切削底部與前刀面面的劇烈摩擦所致，此處還發(fā)現(xiàn)應(yīng)變隨著刀具前角的增大有略微見效的趨勢。2.3切削力分析前述三種切削速度和三種刀具前角共9組切削過程仿真結(jié)果的切削力曲線如圖所示。圖23（切削速度為1250mm/s情況下刀具前角分別為0、5、10的切削力曲線）圖24（切削速度為2500mm/s情況下刀具前角分別為0、5、10的切削力曲線）圖25（切削速度為5000mm/s情況下刀具前角分別為0、5、10的切削力曲線）從9組動態(tài)切削力曲線中可以看出，隨著鋸齒狀切削的形成，切削力也隨之上下波動。刀具前角越小，切屑鋸齒化程度也越嚴重，動態(tài)切削力的波動程度也就越劇烈。3. 結(jié)論用abusqus有限元分析軟件的explict求解器，以應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛的Ti6Al4V材料為研究對象，對其切削過程的應(yīng)力場、應(yīng)變場以及切削力進行了仿真分析，得出了以下結(jié)論：（1） 在鈦合金切削過程中，最大應(yīng)力發(fā)生在第一變形區(qū)，最大應(yīng)變發(fā)生在第二變形區(qū)。（2） 鈦合金切削性狀為鋸齒狀，且隨著刀具前角的減小，切削的鋸齒化程度增加，切削力的波動也隨之增大。（3） 鈦合金切削過程中的平均切削力隨著刀具前角的增大而顯著降低，而切削速度的變化對切削力的影響并不明顯。根據(jù)上述結(jié)論，在Ti6Al4V材料的實際加工過程中，可以適當(dāng)?shù)靥岣咔邢魉俣?，選擇較大的刀具前角，從而實現(xiàn)提高加工效率的同時，降低切削力和切削力的波動，進而提高鈦合金的加工精度和表面質(zhì)量。參考文獻1 張克國 劉戰(zhàn)強 Author. J-C本構(gòu)參數(shù)對絕熱剪切影響的敏感性分析J. 航空學(xué)報. 2011(11): 2140-2146.2 楊勇，柯映林，董輝躍. 鈦合金切削絕熱剪切帶形成過程的有限元分析J. 浙江大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版). 2008(03): 534-538.3 萬熠 劉超 Author 艾興 Author. 高速切削過程中絕熱剪切臨界條件的研究J. 工具技術(shù). 2009(11): 8-10.4 李樹奎 譚成文 Author 王富恥 Author. 絕熱剪切變形局部化研究進展及發(fā)展趨勢J. 兵器材料科學(xué)與工程. 2003(05): 62-67.5 李紅