數(shù)值模擬在切削加工技術(shù)中的應(yīng)用探索1

1、工程實(shí)踐創(chuàng)新思維報(bào)告數(shù)值模擬在切削加工技術(shù)中的應(yīng)用探索姓名： 學(xué)號(hào)：2013.12.20數(shù)值模擬在切削加工技術(shù)中的應(yīng)用探索孔凡鵬（哈爾濱工程大學(xué)動(dòng)力與能源工程學(xué)院，熱能與動(dòng)力工程，2011031508）摘要：近年來,有限元方法在切削加工模擬中得到了越來越廣泛的應(yīng)用,在研究切削工藝參數(shù)及切屑成形機(jī)理方面有著不可替代的作用。本文介紹了國(guó)內(nèi)外切削加工過程有限元數(shù)值模擬的研究現(xiàn)狀,簡(jiǎn)要闡述了切削過程有限元模擬的關(guān)鍵技術(shù),包括切屑形成、切削加工中的熱力輻合、工件與刀具接觸和摩擦、切屑分離和斷裂準(zhǔn)則以及工件殘余應(yīng)力、殘余應(yīng)變的模擬等技術(shù);最后,還對(duì)切削工藝有限元數(shù)值模擬的發(fā)展方向作了探討。關(guān)鍵詞：切削,切

2、屑形成,數(shù)值模擬,有限元方法前言：切削工藝主要是通過刀具在材料表面切除多余的材料層來獲得理想的工件形狀、尺寸以及表面光潔度的機(jī)械加工方法。精密切削和超精密切削可以代替研磨等很費(fèi)工的手工精加工工序,同時(shí)提高加工精度和加工表面質(zhì)量1。隨著電子、光學(xué)、生物醫(yī)學(xué)精密設(shè)備的需求不斷增加,產(chǎn)品的體積越來越小,對(duì)超精密切削加工的質(zhì)量就提出了更高的要求。為了提高切削產(chǎn)品特別是精密和超精密切削的生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量,需要深入地研究切削機(jī)理、切削加工和切屑形成理論。實(shí)際上,切削過程是一個(gè)很復(fù)雜的工藝過程,它不但涉及到彈性力學(xué)、塑性力學(xué)、斷裂力學(xué),還有熱力學(xué)、摩擦學(xué)等.切削質(zhì)量受到刀具形狀、切屑流動(dòng)、溫度分布、熱流和

3、刀具磨損等影響。切削表面的殘余應(yīng)力和殘余應(yīng)變嚴(yán)重影響了工件的精度和疲勞壽命2。但是,利用傳統(tǒng)的解析方法,很難對(duì)切削機(jī)理進(jìn)行定量的分析和研究。切削操作人員和刀具制造商往往都是利用試錯(cuò)法來獲取一些經(jīng)驗(yàn)值,既費(fèi)時(shí)費(fèi)力,又增加了生產(chǎn)成本,嚴(yán)重阻礙了切削技術(shù)的發(fā)展。計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展使得利用數(shù)值模擬方法來研究切削加工過程以及各種參數(shù)之間的關(guān)系成為可能3。近年來,有限元方法在切削工藝中的應(yīng)用表明,切削工藝和切屑形成的有限元模擬對(duì)了解切削機(jī)理,提高切削質(zhì)量是很有幫助的4。這種數(shù)值模擬方法適合于分析彈塑性大變形問題,包括分析與溫度相關(guān)的材料性能參數(shù)和很大的應(yīng)變速率問題。1.切削過程有限元模擬技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r：

4、1973年美國(guó)Illinois大學(xué)的 B.E.Klameck最先系統(tǒng)地研究了金屬切削加工中的切屑形成的原理5； 同年Lee和Kobayashi首次提出剛塑性有限元法的矩陣列式后，極大地推動(dòng)了有限元數(shù)值模擬技術(shù)在金屬體積成形過程中的應(yīng)用6。1974年，Tay·Stevenson和Davis第一次采用有限元方法計(jì)算正交切削刀具、切屑、工件上的溫度分布；1979年，Zienkiewicz等提出了粘塑性材料的有限元列式并導(dǎo)出粘塑性有限元的罰函數(shù)法，使得高溫成形問題的分析得到解決7。80年代末期以來，金屬塑性成形過程的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)逐漸成熟并進(jìn)入實(shí)用階段，在金屬切削領(lǐng)域，各國(guó)的學(xué)者對(duì)有限元的應(yīng)

5、用作了大量的研究工作。進(jìn)入90年代后，Enkowski和Moon8提出了基于Euler方程的穩(wěn)態(tài)金屬切削模型。他們使用該技術(shù)預(yù)測(cè)了切屑幾何形狀，以及工件、切屑和刀具內(nèi)的溫度分布，模擬結(jié)果與切削實(shí)驗(yàn)測(cè)量值吻合的較好。美國(guó)Ohio大學(xué)NSM實(shí)驗(yàn)室的TAltan在塑性加工上的研究和仿真，得出了很多成果9，目前正致力于刀具磨損的有限元分析，其與意大利Brescia大學(xué)機(jī)械工程系的CercttiE合作，對(duì)切削工藝進(jìn)行了大量的有限元模擬研究。使用有限元方法模擬高速切削是最近幾年才發(fā)展起來的，1994年Marusich和Ortizls用Lagrange模型模擬了高速切削加工的過程，并運(yùn)用了網(wǎng)格自動(dòng)重劃分技術(shù)

6、10解決了切削過程中網(wǎng)格扭曲的問題。2002年MartinBaker等人11在模擬了絕熱剪切條件下的高速正交金屬切削過程。2006年6月，美國(guó)Ohio州立大學(xué)凈成形制造工程研究中心的Altan教授等人CIRP舉辦的高速切削會(huì)議上，對(duì)高速切削有限元模擬的現(xiàn)階段工作做了詳細(xì)報(bào)告，并提出了以后的研究方向1,3。同時(shí)，國(guó)內(nèi)學(xué)者在有限元切削仿真上也進(jìn)行了大量的研究，清華大學(xué)的方剛和曾攀把任意的Lagrange和Euler方法(ALE)應(yīng)用到切削加工的有限元仿真中，克服了單獨(dú)用Lagrange方法或Euler方法的不足，并對(duì)加工表面的殘余應(yīng)力分布進(jìn)行了分析12。董輝躍、孫杰、王立濤等人對(duì)航空大型整體結(jié)構(gòu)件

7、及薄壁件的加工機(jī)理、變形校正和殘余應(yīng)力用有限元法進(jìn) 行了分析11，為實(shí)際生產(chǎn)提供了很好的指導(dǎo)作用；哈爾濱工業(yè)大學(xué)的莊文義、湯敬計(jì)等人對(duì)超精密切削過程和微切削過程進(jìn)行了有限元分析，得出了與實(shí)驗(yàn)相近似的結(jié)果。浙江大學(xué)柯映林、黃志剛、楊勇等人對(duì)鈦合金切削加工過程進(jìn)行了仿真，對(duì)切削加工模型建立過程中的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了分析，并基于有限元模擬和“單因素”流動(dòng)應(yīng)力公式計(jì)算的聯(lián)合建模策略，建立了材料在高溫、大應(yīng)變、高應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)本構(gòu)方程11。這些研究促進(jìn)了切削加工有限元仿真的發(fā)展，使傳統(tǒng)的研究方法與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合加速了對(duì)切削加工過程機(jī)理的理解和認(rèn)識(shí)，推動(dòng)了高速切削加工技術(shù)的進(jìn)步。2.切削過程有限元模擬的

8、關(guān)鍵技術(shù)：2.1切削過程中塑性變形的有限元模擬切削過程可以看作是產(chǎn)生塑性變形并且發(fā)生切屑(chip)與工件(workpiece)分離。所采用的數(shù)值方法主要有兩種,即彈塑性有限元法和剛塑性有限元法。在此基礎(chǔ)上,如果考慮材料加工中的溫度、速度變化帶來的影響,還有熱彈(豁)塑性有限元和熱剛(薪)塑性有限元方法。當(dāng)工件的尺寸、所用單元個(gè)數(shù)等條件相同時(shí),彈塑性有限元和剛塑性有限元的應(yīng)力、應(yīng)變分析結(jié)果幾乎相同。2.2 溫度場(chǎng)和熱力耦合的模擬在金屬切削工藝中,工件的塑性變形和切屑一刀具界面的摩擦是兩個(gè)主要的熱源。在金屬削工藝中,工件內(nèi)部的溫度分布主要是由下面的因素決定的:(l)工件和刀具的初始溫度;(2)成

9、形工件和刀具的狀態(tài)和環(huán)境;(3)工件塑性變形和切屑一刀具界面的摩擦產(chǎn)生的熱源。2.3 切屑與刀具接觸和摩擦的模擬 由于摩擦力與切屑的形成和刀具的涌動(dòng)密切相關(guān)，所以在建立切屑模型是，切屑-刀具接觸現(xiàn)象是應(yīng)考慮的主要因素。2.4 切屑于工件的分離斷裂與一般金屬塑性成行不同的是，切屑的加工是一個(gè)被加工材料不斷產(chǎn)生分離的過程。切屑的有限元模擬可以分為兩種形式。2.5 工件表層殘余應(yīng)力和應(yīng)變的模擬削加工工件表面層的力學(xué)狀態(tài),例如殘余應(yīng)力和殘余應(yīng)變等,影響著工件的質(zhì)量。殘余應(yīng)力引起的變形降低了工件的幾何精度。另外,表層內(nèi)的殘余拉應(yīng)力降低了工件的疲勞強(qiáng)度。為了解決這些問題,需要準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)工件的殘余應(yīng)力和幾何

10、精度,并將它們控制在一定范圍內(nèi)。機(jī)械加工件的質(zhì)量將會(huì)在此基礎(chǔ)上得到提高。3.有限元軟件的仿真方法：有限元分析軟件比較多，目前國(guó)際上比較通用的大型軟件是ANSYS10.0.在通用的有限元軟件中不僅包含了多種條件下的有限元分析程序，而且能實(shí)現(xiàn)前處理、仿真以及后處理等過程。前處理包括建立模型、網(wǎng)絡(luò)化分析、確定材料性質(zhì)以及邊界條件等。仿真過程是對(duì)前處里過程中所設(shè)定的模型進(jìn)行模擬。后處理過程包括觀察仿真過程、處理仿真結(jié)果和輸出仿真數(shù)據(jù)等。后期處理過程仿真過程前期處理過程結(jié)束仿真運(yùn)算改變參數(shù)設(shè)置Pro/E或CAD建立幾何模型導(dǎo)入模型并劃分網(wǎng)格輸出并分析仿真結(jié)果對(duì)所需的參數(shù)進(jìn)行整理和圖形顯示有限元（FEM）

11、仿真輸入材料類型及邊界條件等局部細(xì)化顯示網(wǎng)格劃分 有限元仿真過程圖4.切削過程有限元模擬的發(fā)展方向:金屬切削工藝是制造業(yè)中的關(guān)鍵技術(shù),隨著電子、光學(xué)、微細(xì)產(chǎn)品的不斷發(fā)展,在生產(chǎn)率和加工精度方面對(duì)切削工藝提出了更高的要求。虛擬制造將是解決這一系列問題的重要手段,在虛擬制造中,基于彈性力學(xué)、塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)、摩擦學(xué)、熱力學(xué)和材料學(xué)的切削過程數(shù)值模擬將是一種強(qiáng)有力的工具。目前,這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在學(xué)術(shù)研究上取得了一些進(jìn)展,但與其它加工技術(shù)(例如金屬塑性加工)相比,切削模擬還沒有大量應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)際,這還需要對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中影響切削加工的各種因素作進(jìn)一步研究。在實(shí)際切削過程中,例如車削、磨削和鉆削等,切削是在三

12、維變形域內(nèi)進(jìn)行的;例如,工件和刀刃具有三維的幾何形狀,工件材料和刀具的相對(duì)移動(dòng)也不總是正交的,另外,一些工件材料也是各向異性的,由于這些因素,切削是在三維狀態(tài)下成形的,然后獲得具有三維幾何形狀的產(chǎn)品。另外有些工藝,例如斜刃切削的模擬是不能用二維模型來實(shí)現(xiàn)的,必須建立三維模型。所以,為了揭示實(shí)際切削機(jī)理,對(duì)切削加工進(jìn)行三維模擬是很有必要的。目前的大多數(shù)研究都停留在二維模擬上。隨著計(jì)算機(jī)硬件性能的提高,切削工藝的三維模擬將是今后發(fā)展的主要方向。實(shí)際上,典型的車削和鉆削工件或刀具都是在做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),但是到目前為止,文獻(xiàn)中所報(bào)道的切削工藝模擬,大多是將工件約束住,讓刀具做進(jìn)給運(yùn)動(dòng),這樣實(shí)際生產(chǎn)中工件的回

13、轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)切削質(zhì)量的影響并沒有體現(xiàn)出來,在金屬塑性加工中,例如板料的旋壓成形,內(nèi)螺紋管的拉拔成形、軋制成形等都可以模擬工件或模具的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),在高速的車削過程中,工件的轉(zhuǎn)動(dòng)是不可忽略的。參考文獻(xiàn): 1徐志平基于有限元的切削加工過程動(dòng)態(tài)物理仿真關(guān)鍵技術(shù)研究D濟(jì)南：山東大學(xué)，2008 2劉加富，張洪才，亓俊紅等基于ABAQUS的二維金屬切削有限元分析J機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2006，10：68-70 3管小燕，任家隆，李偉等基于數(shù)值模擬的鈦合金鋸齒狀切屑研究J江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) ，2007，21（4）：70-75 4趙軍，孟輝，王素玉等高速切削鋸齒狀切屑的有限元模擬J工具技術(shù)，2005，39（1）：29-31 5薛守義有限單元法M北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，2005：248-269 6李亞智，趙美英，萬小朋有限元法基礎(chǔ)與程序設(shè)計(jì)M北京：科學(xué)出版社，2004：27-43 7王蘇東醫(yī)用鈦合金切削過程有限元仿真與試驗(yàn)研究D南京：南京理工大學(xué)，2009 8王霄，盧樹斌，高傳玉金屬切削加工有限元模擬技術(shù)的研究J煤礦機(jī)械，2006，27（11）：51-58 9置氫鈦合金切削變形的基礎(chǔ)研究D南京：南京航空航天大學(xué)，2009 10莊茁，張帆，岑松等ABAQUS非線性有限元分析與實(shí)例M北京：科學(xué)出版社，2005：914 11張光磊三維金屬切削過程的有限元模