基于銑削過(guò)程的有限元模擬分析

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）論文題目 基于銑削過(guò)程的有限元模擬分析 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 年 級(jí) 2010級(jí) 學(xué)生學(xué)號(hào) 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 職稱 完成時(shí)間 2014 年 5 月目錄第一章 引言1第一節(jié)研究目的與研究方法11研究目的12研究方法2第二節(jié)本課題研究的思路和意義2第三節(jié)銑削加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)2第二章 銑削加工概述3第一節(jié)銑削方式選取3第二節(jié)銑削要素3第三節(jié)銑削力4第四節(jié)刀具和工件材料選取4第四章 有限元分析軟件DEFORM-3D概述5第一節(jié) DEFORM-3D應(yīng)用5第二節(jié) DEFORM-3D特點(diǎn)5第五章 銑削加工的DEFORM求解過(guò)程6第一節(jié) 前處理過(guò)程61新建項(xiàng)目62導(dǎo)入工件和刀具7

2、3定義材料74劃分網(wǎng)格85定義刀具的運(yùn)動(dòng)參數(shù)86定義邊界條件和熱傳導(dǎo)97設(shè)置模擬控制步數(shù)98 定義刀具的進(jìn)給量109設(shè)置物體間關(guān)系1010創(chuàng)建摩擦系數(shù)以及熱傳導(dǎo)率1111檢查生成數(shù)據(jù)11第二節(jié) 求解器求解過(guò)程12第三節(jié) 結(jié)果后處理13第六章 DEFORM-3D模擬過(guò)程得出結(jié)果13第一節(jié)探究速度的變化對(duì)切削力的影響13第二節(jié)探究進(jìn)給量的變化對(duì)切削力的影響19結(jié)論與展望26致謝語(yǔ)26參考文獻(xiàn)27I2014屆機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)論文基于銑削過(guò)程的有限元模擬分析機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化機(jī)械2班 摘要 在本文中對(duì)于采用的DEF0RM-3D有限元分析軟件進(jìn)行銑削加工模擬可行性的問(wèn)題,本

3、文結(jié)合塑形材料45號(hào)鋼的進(jìn)行切削試驗(yàn)。能夠利用該模擬方法進(jìn)行銑削加工的數(shù)值模擬和部分規(guī)律性的研究。本根據(jù)普通的銑刀幾何參數(shù),在Solidworks三維建模軟件里畫(huà)出簡(jiǎn)化的銑削加工的幾何模型,并導(dǎo)入DEFORM-3D軟件里對(duì)銑削加工進(jìn)行有限元模擬，對(duì)模擬條件進(jìn)行設(shè)定,以銑削時(shí)的三個(gè)方向上切削力、切削溫度和應(yīng)力變化為研究對(duì)象,利用單因素試驗(yàn)方法進(jìn)行一系列模擬銑削。主要內(nèi)容有:1.以切削速度為變量進(jìn)行銑削模擬加工,分析速度對(duì)切削力、切削溫度和表面層殘余應(yīng)力的影響。2.以進(jìn)給量為變量的單一因素進(jìn)行模擬銑削加工,分析切削用量對(duì)切削力、切削溫度和表面層殘余應(yīng)力的影響。本文通過(guò)改變單因素的方法對(duì)銑削加工有限

4、元模擬結(jié)果進(jìn)行綜合分析研究,最終得出了銑削加工切削參數(shù)對(duì)銑削加工過(guò)程影響規(guī)律。關(guān) 鍵 詞 銑削加工 有限元仿真 切削力變化 溫度變化 應(yīng)力變化 第一章 引言對(duì)于加工金屬零件的方法可分為塑性加工、壓力成形、機(jī)械加工、熱成型等幾個(gè)類型。在上述的幾種加工方法中, 主要是機(jī)械制造占很大的比例, 然而切削以及磨削加工是機(jī)械加工中應(yīng)用最為廣泛的。因?yàn)殂娤骷庸な乔邢骷庸ぶ休^重要的加工方式之一,所以本文對(duì)銑削加工進(jìn)行模擬分析。金屬的切削過(guò)程是一個(gè)比較復(fù)雜的工藝加工過(guò)程，整個(gè)工藝會(huì)涉及到彈性力學(xué)、熱力學(xué)、摩擦學(xué)、塑性力學(xué)等很多方面。然而刀具的形狀, 溫度的分布以及刀具的磨損等情況都會(huì)對(duì)整個(gè)切削過(guò)程產(chǎn)生重要的影響

5、。如果使用傳統(tǒng)的一些解決方法，對(duì)于整個(gè)切削過(guò)程的分析和研究就會(huì)很困難。就目前的研究進(jìn)展來(lái)看，大部分切削過(guò)程的有限元模擬一般都局限于二維有限元模型，少數(shù)三維有限元的仿真也僅僅是將刀具幾何結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化進(jìn)行，模擬結(jié)果有較大的理想性，在一定程度上限制了模擬結(jié)果對(duì)實(shí)際加工的預(yù)測(cè)和指導(dǎo)意義。本文研究利用Solidworks軟件建立簡(jiǎn)化的銑刀的建模，采用DEFORM-3D軟件建立了三維銑削有限元模型并模擬了三維銑削的加工過(guò)程，獲得了工件與刀具熱、力分布變化規(guī)律為銑削加工工藝控制從依靠經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)向依靠理論的定量分析提供了依據(jù)。第一節(jié)研究目的與研究方法1研究目的銑削力是引起零件加工變形的主要原因，因此研究銑削力的預(yù)測(cè)方

6、法對(duì)制定加工工藝，減小加工變形，提高加工質(zhì)量具有十分重要的意義。而切削力的大小又是和切削參數(shù)息息相關(guān)的，因此，利用DEFORM-3D的銑削模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)45號(hào)鋼的材料的切削過(guò)程模擬仿真，并得出在不同切削用量和速度的情況下的切削力的變化曲線、切削過(guò)程中切削應(yīng)力的變化情況以及溫度的變化情況，研究銑削加工中切削參數(shù)各因素(速度、進(jìn)給量)對(duì)切削力的影響有著非常重要的意義。文中通過(guò)設(shè)計(jì)一系列的切削實(shí)驗(yàn)，對(duì)銑削加工過(guò)程中，影響切削力的切削參數(shù)各因素進(jìn)行了分析， 從而得出其中的普遍性規(guī)律， 為銑削加工中切削參數(shù)的選擇提供科學(xué)的理論依據(jù)。2、研究方法 1、利用材料變形的彈塑性理論, 建立工件材料的模型,利用有限

7、元軟件DEFORM-3D ,通過(guò)輸入材料性能參數(shù)、建立有限元模型、計(jì)算, 對(duì)金屬銑削過(guò)程的受力情況進(jìn)行了分析。 2、采取控制變量法對(duì)我們的研究課題做出自己的問(wèn)題和觀點(diǎn)，分別對(duì)加工切削速度、進(jìn)給量?jī)蓚€(gè)不同的變量進(jìn)行控制變量法。再根據(jù)有限元分析理論 ，根據(jù)DEFORM-3D求解步驟，建立銑削加工的三維模型。對(duì)該模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分并施加其他條件條件，最后進(jìn)行求解得出X、Y和Z方向的應(yīng)力分布圖，切削力分布圖、溫度分布圖，并以此圖形進(jìn)行分析從而得出結(jié)論。第二節(jié)本課題研究的思路和意義 此課題研究的大體思路是通過(guò)利用大型有限元模擬分析軟件DEFORM，在電腦上使用DEFORM來(lái)模擬銑削的整個(gè)加工過(guò)程，從模擬過(guò)

8、程中思考，修改涉及到的參數(shù)，并且分析模擬銑削過(guò)程中應(yīng)力，溫度以及切削力的變化情況，從而得到一組關(guān)于刀具受力的邊界條件，以此為根據(jù)對(duì)銑削過(guò)程中刀具的切削力變化進(jìn)行有限元分析，得出有關(guān)數(shù)據(jù)，從而對(duì)銑刀的幾何從參數(shù)進(jìn)行虛擬化設(shè)計(jì)。本次課題研究的意義在于因?yàn)榇笮陀邢拊治鍪且豁?xiàng)綜合性強(qiáng)、應(yīng)用性高的一項(xiàng)技術(shù)，它對(duì)研發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)等部門都會(huì)起著很大的利用價(jià)值。一方面，因?yàn)榇隧?xiàng)有限元分析技術(shù)的誕生，使得以前大量無(wú)法解決的難題，都可以使用此分析技術(shù)軟件一舉拿下，通過(guò)在電腦上計(jì)算及數(shù)字模擬，最終都可以得出滿意的答案；另一方面，有限元模擬分析技術(shù)能讓大量繁瑣的工程分析問(wèn)題簡(jiǎn)單化，使復(fù)雜的加工過(guò)程層次化，縮短時(shí)間，

9、節(jié)約了成本。使得工作分析更加快捷，更加準(zhǔn)確。在產(chǎn)品的總體設(shè)計(jì)、分析，生產(chǎn)流程，研發(fā)等方面起到了不可動(dòng)搖的的地位。第三節(jié)銑削加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 在機(jī)械加工技術(shù)迅速發(fā)展的當(dāng)今，大力發(fā)展切削加工技術(shù)之一的銑削也格外重要。銑削加工技術(shù)主要的發(fā)展方向有三個(gè)：1. 高速銑削；2. 硬質(zhì)材料和一些材料不易銑削加工； 3.針對(duì)硬質(zhì)材料的高速銑削。為了能夠適應(yīng)當(dāng)今銑削加工的發(fā)展趨勢(shì)，許多著名的刀具制造公司為此研發(fā)了幾款先進(jìn)的刀具。 首先就是Ceratizit公司就為此研發(fā)了新的銑削加工系統(tǒng)，使得工作過(guò)程中能夠得到更加精確的結(jié)果，能夠在任何條件下加工各種材料。 其次是Kennametal公司為銑削加工技術(shù)的發(fā)展，

10、創(chuàng)新推出了新的硬質(zhì)合金銑刀，在銑削加工某種金屬材料時(shí)能夠使刀具的壽命得到大約30%的提升。 然后就是WalterWaukesha公司研發(fā)出用于端面銑削和臺(tái)階銑削的銑刀，由于開(kāi)發(fā)出來(lái)的新型銑刀結(jié)構(gòu)對(duì)稱，受力平均，在使用時(shí)非常簡(jiǎn)便。第二章 銑削加工概述銑削是指使用旋轉(zhuǎn)的多刃刀具切削工件，是高效率，是常見(jiàn)的金屬冷加工方式。工作時(shí)刀具旋轉(zhuǎn)作主運(yùn)動(dòng)，工件移動(dòng)作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，同時(shí)工件也可以固定，但此時(shí)刀具必須同時(shí)完成主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。銑削是將毛坯固定，用高速旋轉(zhuǎn)的銑刀在毛坯上走刀，切出需要的形狀和特征。傳統(tǒng)的銑削較多地用于輪廓和槽等簡(jiǎn)單的外形特征，而數(shù)控機(jī)床可以加工復(fù)雜的外形和特殊的需求的工件。第一節(jié)銑削方式

11、選取 銑削分為逆銑和順銑。逆銑時(shí)，銑刀旋轉(zhuǎn)方向與工件進(jìn)給方向相反。銑削時(shí)每齒切削厚度從零逐漸增大而后切出；而順銑是，銑刀旋轉(zhuǎn)方向與工件進(jìn)給方向相同。銑削是每齒切削厚度從最大逐漸減小到零。在本文中采用的是順銑，因?yàn)樵陧樸姇r(shí)作用于工件上的垂直切削分力FfN始終壓下工件 ，這對(duì)工件的夾緊有利。 逆銑時(shí)FfN時(shí)始終向上，有將工件抬起的趨勢(shì)，易引起振動(dòng)，影響工件的夾緊。第二節(jié)銑削要素 銑削要素包括銑削速度Vc、進(jìn)給量f、銑削深度（背吃刀量）ap和銑削寬度（側(cè)吃刀量）ae。 1銑削速度Vc：是指銑刀切屑刃上的最大直徑的線速度。 Vc=Dn/1000D銑刀切削刃上的最大直徑，單位為mm；n銑刀轉(zhuǎn)速，單位為r

12、/min。 2.進(jìn)給量f：進(jìn)給量是工件相對(duì)銑刀移動(dòng)的速度，有以下3種表示形式。 （1）每個(gè)齒的進(jìn)給量fz：是指銑刀每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)刀齒切削工件的所走的位移量； （2）每轉(zhuǎn)一圈的進(jìn)給量f：表示銑刀每轉(zhuǎn)一圈，工件相對(duì)銑刀向后運(yùn)動(dòng)的位移量； （3）進(jìn)給速度Vf：是指每分鐘工件相對(duì)于銑刀向后運(yùn)動(dòng)的位移量。 Vf=f*n=fz*n*z （z為齒數(shù)，n為轉(zhuǎn)速） 3.銑削深度（背吃刀量）ap：是指使用端銑刀銑削平行于銑刀軸線時(shí)的被切削層尺寸；對(duì)于圓柱（圓盤(pán)）形銑刀，則是被加工表面的寬度。 4.銑削寬度（側(cè)吃刀量）ae：是指使用端銑刀銑削垂直于銑刀軸線時(shí)的被切削尺寸；對(duì)于圓柱（圓盤(pán)）形銑刀，則是被切金屬層的深度。

13、第三節(jié)銑削力 在工作的過(guò)程中，銑刀上的每個(gè)刀齒上的切削力都可以分解到任意方向上。切向銑削分力Fz是作用于銑刀圓周的切線方向上的一個(gè)主要切削力，也是消耗功率最多的切削分力；徑向銑削分力Fy是作用于銑刀半徑方向上的一個(gè)切削力，它會(huì)在加工過(guò)程中造成銑刀彎曲，但是不消耗功率；軸向銑削分力Fx是作用于銑刀軸線方向上的一個(gè)切削力。與此同時(shí)，銑削力也可以根據(jù)銑床工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方向來(lái)分解。縱向銑削分力Ff是作用于銑床縱向工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向上，銑削功率是耗損進(jìn)給電動(dòng)機(jī)的功率；橫向銑削分力Fe是與銑床恒向工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方向一致的分力，與圓柱型銑刀的軸向銑削分力Fx大小是相等的、但方向卻相反；垂直銑削分力Ffn是與銑床升降

14、臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方向一致的分力，很容易產(chǎn)生振動(dòng)。 則Fr²=Fx²+Fy²+Fz²=Ff²+Fe²+Ffn²，F(xiàn)r為銑削合力。第四節(jié)刀具和工件材料選取在本文研究中，刀具采用的是WC類硬質(zhì)合金。而工件材料選用的是AISI-1045號(hào)鋼，相當(dāng)于國(guó)內(nèi)的45號(hào)鋼 硬質(zhì)合金：它是在高溫度下由金屬粘接劑和高硬度，高熔點(diǎn)的金屬碳化合物燒結(jié)而成的粉末冶金制品。其主要特點(diǎn)：能耐高溫，在900左右都能夠保持穩(wěn)定的切削能力，許用切削速度、壽命都要比高速鋼高得多，還有例如硬度、耐熱、耐磨性都比高速鋼高?，F(xiàn)在銑削加工中端銑刀的使用材料絕大多數(shù)都是硬質(zhì)合金。但

15、是，它與高速鋼相比，硬質(zhì)合金的沖擊韌度，抗彎強(qiáng)度都要低得多。所以在制造整體道具方面都很少用硬質(zhì)合金材料。常用的硬質(zhì)合金一般可以分為三大類：1 K類硬質(zhì)合金。主要含有WC和Co，用于短切削加工。2 P類硬質(zhì)合金。主要含有WC、TiC和Co，主要用于長(zhǎng)切削加工。3 M類硬質(zhì)合金。主要含有WC，還有少量的TaC和NbC，長(zhǎng)切削和短切削加工時(shí)都可以。AISI-1045: AISI-1045是含炭量在0.45%的碳素結(jié)構(gòu)鋼，又稱1045碳結(jié)鋼,屬于中碳鋼,強(qiáng)度高,但韌性差.AISI-1045歸屬優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼,硬度不高易切削加工,模具中常用來(lái)做模板,梢子,導(dǎo)柱等,但須熱處理.1045鋼廣泛用于機(jī)械制造,

16、這種鋼的機(jī)械性能很好.這類鋼中有害雜質(zhì)及非金屬夾雜物含量較少,化學(xué)成分控制得也較嚴(yán)格,塑性、韌性較好,運(yùn)用于制造較重要的機(jī)械零件.這類鋼的牌號(hào)用兩位數(shù)字表示平均含碳量的萬(wàn)分?jǐn)?shù),如1045鋼即表示C=0.45%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼.本文中使用的工件材料就是封裝到 Deform 材料庫(kù)中的 AISI1045，相當(dāng)于國(guó)內(nèi)的 45 號(hào)鋼;刀具材料則選用 Deform 材料庫(kù)中的 WC。第四章 有限元分析軟件DEFORM-3D概述第一節(jié) DEFORM-3D應(yīng)用DEFORM-3D有限元軟件是綜合結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一身的大型通用有限元模擬分析軟件。該軟件是由世界上屈指可數(shù)的有限元分析軟件美國(guó)DE

17、FORM-3D公司研發(fā)的，它可以與一些CAD軟件接口進(jìn)行匹配使用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換。DEFORM-3D有限元軟件是一個(gè)集多項(xiàng)功能，以有限元法為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序。該軟件可以用在模擬以及處理結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場(chǎng)和碰撞等問(wèn)題上。因?yàn)樵撥浖婕暗念I(lǐng)域?qū)拸V，因此它可應(yīng)用于大多數(shù)工業(yè)加工、生產(chǎn)領(lǐng)域：如國(guó)防工業(yè)、汽車工業(yè)、醫(yī)學(xué)器材、土木建筑、通訊設(shè)備、重型機(jī)械、運(yùn)動(dòng)器械等。DEFORM-3D有限元軟件主要包括三個(gè)部分：前期處理模塊，然后是分析計(jì)算模塊和后期處理模塊。前期處理模塊不僅是為操作者提供了一個(gè)多用途的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，而且用戶能夠方便，快捷地建立有限元模型；分析計(jì)算模塊包括對(duì)材料結(jié)

18、構(gòu)的分析（線性分析、非線性分析）、流體力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、復(fù)雜物理場(chǎng)的耦合分析等等，也可以模擬多種物理介質(zhì)相互之間的關(guān)聯(lián)，能夠?qū)`敏度進(jìn)行分析，并且具備優(yōu)化分析的能力；后期處理模塊可以將模擬計(jì)算的結(jié)果以彩色等值線、階梯、以及矢量、和透明，半透明（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來(lái)，并且對(duì)于模擬計(jì)算的結(jié)果也可以用圖表、曲線等形式顯示或輸出。在當(dāng)今快速發(fā)展的前提下，利用有限元法來(lái)解決難題的規(guī)模越來(lái)越大，為了縮短解決問(wèn)題的時(shí)間，以并行計(jì)算軟件系統(tǒng)為基礎(chǔ)的有限元算法，得到快速有力的發(fā)展。在優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，產(chǎn)品研發(fā)流程仿真技術(shù)方面實(shí)力雄厚，在軟件的開(kāi)發(fā)和革新方面擁有非常重要地位的DEFORM公司。本次課

19、題對(duì)于在銑削過(guò)程受力中的產(chǎn)生許多問(wèn)題的研究將在DEFORM 10.2軟件平臺(tái)下開(kāi)展。第二節(jié) DEFORM-3D特點(diǎn)DEFORM-3D 所具有以下特點(diǎn)因?yàn)镈EFORM-3D是對(duì)建模、熱傳導(dǎo)、成形等特性進(jìn)行模擬仿真。適和用于冷、溫、熱成形，比如材料的流動(dòng)、模具的應(yīng)力、金屬的微觀結(jié)構(gòu)以及缺陷產(chǎn)生后變化情況等。DEFORM-3D所處理的對(duì)象都是比較復(fù)雜的三維的零件以及模具等，比較復(fù)雜的模型基本都是來(lái)自于 CAD 系統(tǒng)所轉(zhuǎn)換成的面或者是實(shí)體的（STL/SLA）文件格式，并包含有對(duì)設(shè)備成形的模型。DEFORM-3D中的材料模型可分為彈性、熱彈塑性、粉末性、剛塑性、剛性材料及可以自定義類型。在實(shí)體之間熱交換

20、或者是在內(nèi)部的熱交換分析可以單獨(dú)求解，也可借助耦合在成形的模擬分析過(guò)程中求解。 DEFORM-3D的預(yù)處理中可以自動(dòng)生成所需要的邊界條件，以確保數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)備快速、靠；網(wǎng)格劃分簡(jiǎn)單、方便、快捷，全自動(dòng)生成不需要干預(yù)網(wǎng)格劃分是有限元分析過(guò)程中極其重要的環(huán)節(jié)之一，特別是對(duì)于幾何形狀比較復(fù)雜的模型，網(wǎng)格劃分質(zhì)量的好壞直接影響到求解精度和求解時(shí)間，有時(shí)不合理的網(wǎng)格甚至?xí)?dǎo)致求過(guò)程的中斷。網(wǎng)格化分的方法又分為1基本網(wǎng)格化分方法，2局部細(xì)化網(wǎng)格方法?；揪W(wǎng)格劃分方式有兩種。一種是相對(duì)網(wǎng)格化分方式，一種是絕對(duì)網(wǎng)格劃分方式。本文使用的是絕對(duì)網(wǎng)格劃分方式，它的優(yōu)點(diǎn)在于可以增加模擬的正確性，這是因?yàn)榫W(wǎng)格尺寸設(shè)定后始

21、終不變，隨著物體的形狀越來(lái)越復(fù)雜，單元數(shù)的增加可以更好的描述物體的表面。使用絕對(duì)網(wǎng)格劃分方式，為了決定網(wǎng)格劃分的最小尺寸，需通過(guò)測(cè)量模具的最小尺寸，這個(gè)最小特征必須滿足的條件是成形過(guò)程中它的形狀會(huì)反映在工件上。因?yàn)樵阢姷杜c工件接觸的地方有應(yīng)變，溫度，幾何尺寸等變化比較劇烈的地區(qū)，所以網(wǎng)格需要細(xì)化。Deform 軟件最大的優(yōu)勢(shì)之一是具有復(fù)雜幾何模型的網(wǎng)格劃分技術(shù)。尤其在復(fù)雜幾何模型生成和重新劃分網(wǎng)格方面具有強(qiáng)大的自適應(yīng)性使得它成為切削仿真分析的理想工具。本文基于 Deform 3D 軟件下采用 ALE 自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)對(duì)工件和刀具進(jìn)行網(wǎng)格劃分。而在主要的刀具接觸部位采用密集網(wǎng)格劃分，而遠(yuǎn)離加工

22、部位的網(wǎng)格則明顯劃分的比較疏松。隨著切削過(guò)程的進(jìn)行，工件的密集網(wǎng)格區(qū)域也發(fā)生偏移，呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)格自適應(yīng)劃分狀態(tài)。這樣劃分的網(wǎng)格既加快了仿真速度，還防止了隨著切削過(guò)程的推進(jìn)網(wǎng)格發(fā)生扭曲而影響仿真。第五章 銑削加工的DEFORM求解過(guò)程第一節(jié) 前處理過(guò)程1新建項(xiàng)目打開(kāi)DEFORM-3D軟件，進(jìn)入DEFORM-3D主界面，單擊【File】【New Problem】，選擇普通前處理（Deform-3D preprocessor），單位選擇公制，如圖5-1所示。圖5-1單擊【Next】，選著存儲(chǔ)路徑，單擊【Next】設(shè)置Problem name，然后點(diǎn)擊【Next】打開(kāi)Deform-3D普通前處理界

23、面，如圖5-2,5-3所示。圖5-2 設(shè)置存儲(chǔ)位置圖5-3 定義文件名2導(dǎo)入工件和刀具通過(guò)SolidWorks建模，然后將建好的模型倒入DEFORM-3D。如圖5-4所示：圖5-4 導(dǎo)入工件和刀具3定義材料 工件材料選擇45號(hào)鋼，刀具材料選擇WC類硬質(zhì)合金。選中workpiece，點(diǎn)擊按鈕，選擇AISI-1045號(hào)鋼，點(diǎn)擊load應(yīng)用。如圖5-6、5-7所示：圖5-6定義工件材料屬性圖5-7定義刀具材料屬性4劃分網(wǎng)格 選著刀具個(gè)工件材料和工件對(duì)其進(jìn)行mesh劃分網(wǎng)格，其次還要對(duì)刀尖進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，因?yàn)樵摻佑|的地方會(huì)出現(xiàn)劇烈的應(yīng)變，溫度，幾何尺寸的變化如圖5-8所示：圖5-8 劃分網(wǎng)格5定義刀具的

24、運(yùn)動(dòng)參數(shù) 單擊按鈕設(shè)置運(yùn)動(dòng)參數(shù)，如圖5-9所示。圖5-9、6定義邊界條件和熱傳導(dǎo) 點(diǎn)擊定義邊界條件，如圖5-10所示。旋轉(zhuǎn)工件至底面可見(jiàn)，選擇velocity（速度）x方向，點(diǎn)擊工件底面，單擊按鈕，在velocity（速度）下方會(huì)出現(xiàn)X,Fixed，為Y、Z方向重復(fù)上述過(guò)程添加邊界條件，在velocity（速度）下方會(huì)出現(xiàn)X, Fixed；Y, Fixed；Z, Fixed。此時(shí)工件沿X、Y、Z方向被固定。圖5-10然后在邊界條件中選擇Heat Exchange with Environment，選定工件散熱表面，單擊添加為導(dǎo)熱面。Heat Exchange with Environment下

25、方會(huì)出現(xiàn)“Defined”,如圖5-11. 圖5-117設(shè)置模擬控制步數(shù)然后單擊前處理界面中（模擬控制）按鈕，在主要窗口中勾選傳熱Heat Transfer確定溫度計(jì)算。在步驟窗口中模擬步驟單位選擇模擬步數(shù)輸入80，每5步保存一次。如圖5-12、5-13所示圖5-12圖5-138 定義刀具的進(jìn)給量圖5-149設(shè)置物體間關(guān)系單擊（inter-object）按鈕，默認(rèn)刀具與工件以及工件與切屑的從屬關(guān)系，對(duì)象關(guān)系窗口如圖所示。圖5-1510創(chuàng)建摩擦系數(shù)以及熱傳導(dǎo)率 點(diǎn)擊（inter-object）工作平面中的Edit編輯，在摩擦系數(shù)對(duì)話框中輸入0.7，以及熱傳導(dǎo)率輸入45。圖5-1611檢查生成數(shù)據(jù)

26、單擊按鈕，然后依次單擊【Check】和【Generate】按鈕檢查生成數(shù)據(jù)，檢查數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)警告未激活體積補(bǔ)償，體積補(bǔ)償一般用于鍛造模擬，用于一些體積有小的變化會(huì)引起重大的模擬結(jié)果中的情況，在機(jī)加工仿真時(shí)不用，所以忽略警告，生成數(shù)據(jù)，如圖所示。圖5-17第二節(jié) 求解器求解過(guò)程圖5-18 求解器求解圖5-19切屑的溫度變化第三節(jié) 結(jié)果后處理圖5-20 后處理第六章 DEFORM-3D模擬過(guò)程得出結(jié)果第一節(jié)探究速度的變化對(duì)切削力的影響1.切削速度的選著：切削速度越大，加工的功率越高，刀具耐用度就越低；當(dāng)切削塑形材料時(shí)，如果采用中速切削最容易產(chǎn)生積屑瘤，增加工件的粗糙度。要避免在這個(gè)區(qū)間內(nèi)選著切削速度

27、。因?yàn)楸疚倪x用的是硬質(zhì)合金刀具，它的硬紅性比高速鋼好。所以用來(lái)切削像45號(hào)鋼主要以塑形變形為主的材料并且易切系數(shù)小的材料時(shí)，其切削速度則選著60m/min200m/min。（1）當(dāng)銑削進(jìn)給量f=0.15mm/r和背吃刀量ap=1mm固定，銑削速度為v=60m/min時(shí)的仿真結(jié)果如圖所示：圖6-1圖6-2 X軸方向切削力圖6-2 Y軸方向切削力圖6-3 Z軸方向切削力圖6-4 銑削溫度變化圖6-5 等效應(yīng)力變化（2）當(dāng)銑削進(jìn)給量f=0.15mm/r和背吃刀量ap=1mm固定，銑削速度為v=80m/min時(shí)的仿真結(jié)果如圖所示：圖6-7圖6-8 X軸方向切削力圖6-9 Y軸方向切削力圖6-10 Z軸

28、方向切削力圖6-11 銑削溫度變化圖6-12 等效應(yīng)力變化（3）當(dāng)銑削進(jìn)給量f=0.15mm/r和背吃刀量ap=1mm固定，銑削速度為v=100m/min時(shí)的仿真結(jié)果如圖所示：圖6-13圖6-14 X軸方向切削力圖6-15 Y軸方向切削力圖6-16 Z軸方向切削力圖6-17 銑削溫度變化圖6-18 等效應(yīng)力變化綜合以上以速度為變量的仿真結(jié)果，對(duì)仿真結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行提取如下表6-1：速度m/min切削力Fx切削力Fy切削力Fz溫度/應(yīng)力/MPa6042354852559144080330478016161560100275417837101570表6-1速度為變量的仿真結(jié)果根據(jù)以上所得的數(shù)據(jù)繪制速度

29、與切削力的影響折線圖，如圖所示。圖6-19切削速度對(duì)切削力的影響折線圖根據(jù)數(shù)據(jù)利用經(jīng)驗(yàn)公式可以得出：V=60m/min時(shí)，F(xiàn)r=952.75N；V=80m/min時(shí)，F(xiàn)r=867.59N；V=100m/min時(shí)，F(xiàn)r=830.90N。第二節(jié)探究進(jìn)給量的變化對(duì)切削力的影響1 對(duì)于銑削45號(hào)鋼而言，粗加工一般是400800轉(zhuǎn)，根據(jù)銑床性能一般控制最多進(jìn)刀5mm，走刀每轉(zhuǎn)0.150.3mm/r.（對(duì)于精加工，一般是0.61mm，每轉(zhuǎn)0.10.2mm/r）。本文模擬的是銑削45號(hào)鋼的粗加工，所以選著討論的進(jìn)給量為0.150.3mm/r。（1）當(dāng)銑削速度分別為v=60m/min和背吃刀量ap=1mm固定

30、，進(jìn)給量為f=0.15mm/r時(shí)的仿真結(jié)果如圖所示：圖6-20圖6-21 X軸方向切削力圖6-22 Y軸方向切削力圖6-23 Z軸方向切削力圖6-24 銑削溫度變化圖6-25 等效應(yīng)力變化（2）當(dāng)銑削速度分別為v=60m/min和背吃刀量ap=1mm固定，進(jìn)給量為f=0.20mm/r時(shí)的仿真結(jié)果如圖所示：圖6-26圖6-27 X軸方向切削力圖6-28 Y軸方向切削力圖6-29 Z軸方向切削力圖6-30銑削溫度變化圖6-31 等效應(yīng)力變化（3）當(dāng)銑削速度分別為v=60m/min和背吃刀量ap=1mm固定，進(jìn)給量為f=0.25mm/r時(shí)的仿真結(jié)果如圖所示：圖6-32圖6-33 X軸方向切削力圖6-

31、34 Y軸方向切削力圖6-35 Z軸方向切削力圖6-36 銑削溫度變化圖6-37 等效應(yīng)力變化綜合以上以進(jìn)給量為變量的仿真結(jié)果，對(duì)仿真結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行提取如下6-2：進(jìn)給量f切削力Fx/N切削力Fy/N切削力Fz/N溫度/應(yīng)力/MPa0.154235485255914400.203416592458714900.25369899846191510表6-2進(jìn)給量為變量的仿真結(jié)果根據(jù)以上所得的數(shù)據(jù)繪制進(jìn)給量與切削力的影響折線圖，如圖所示。圖6-38進(jìn)給量對(duì)切削力的影響折線圖當(dāng)f=0.15mm/r時(shí)，F(xiàn)r=952.76N；當(dāng)f=0.20mm/r時(shí),Fr=1014.30N，當(dāng)f=0.25mm/r時(shí)，F(xiàn)r=

32、1054.67N。結(jié)論與展望 1.根據(jù)本文分析可得，在其他條件不變的情況下，隨著銑削速度的增加，銑削力在下降，銑削溫度和應(yīng)力在上升。2.結(jié)合本文分析可得，在其他條件不變的情況下，隨著銑削進(jìn)給量的增加，銑削力增加，銑削溫度和應(yīng)力在上升 。3.本文采用的是數(shù)值模擬技術(shù),對(duì)45號(hào)鋼的銑削過(guò)程進(jìn)行了銑削仿真,三個(gè)方向上的切削力的預(yù)測(cè)值變化和試驗(yàn)值具有合理的一致性;因?yàn)橛?jì)算條件的影響,在模擬過(guò)程中的切屑分離和模擬過(guò)程中的網(wǎng)格重劃時(shí),切削力變化曲線產(chǎn)生了一些跳動(dòng),但是這些跳動(dòng)不影響分析結(jié)果的正確性。  4.利用DEFORM3D軟件的模擬銑削加工可以為實(shí)際額工作提供較好的加工參數(shù),提高加

33、工質(zhì)量,與此同時(shí)還可以彌補(bǔ)一些技術(shù)人員出現(xiàn)的經(jīng)驗(yàn)不足等問(wèn)題。 與此同時(shí)銑削加工是一個(gè)非常復(fù)雜的動(dòng)態(tài)物理過(guò)程，本文通過(guò)基于DEFORM-3D對(duì)銑削加工的過(guò)程進(jìn)行了模擬仿真，獲得了幾個(gè)重要的結(jié)果，了解了切削過(guò)程中所產(chǎn)生的銑削力、應(yīng)力，溫度等變化情況，為刀具的設(shè)計(jì)以及工藝參數(shù)的確定提供了一些參考，對(duì)實(shí)現(xiàn)銑削加工過(guò)程的優(yōu)化和減小生產(chǎn)成本有著非常重要的作用。 有限元分析技術(shù)在切削模擬仿真過(guò)程中已經(jīng)表現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景，到目前為止，使用有限元技術(shù)對(duì)切削過(guò)程進(jìn)行模擬仿真可以得出令人比較滿意的結(jié)果，同時(shí)對(duì)于模擬得出的結(jié)果也可以運(yùn)用到刀具的設(shè)計(jì)以及對(duì)加工時(shí)參數(shù)的選擇。但是有一些限元模擬分析的關(guān)鍵技術(shù)，如切屑和

34、工件之間的分離準(zhǔn)則、刀具與切屑之間的復(fù)雜摩擦等，到目前為止都沒(méi)有得到有效解決，這些技術(shù)將是今后研究的重點(diǎn)致謝語(yǔ)在本畢業(yè)設(shè)計(jì)中承蒙肖啟明老師的認(rèn)真指導(dǎo)和幫助，特別是在老師很繁忙的時(shí)候也會(huì)抽出時(shí)間為我們講解和輔導(dǎo)我們，在我非常愚鈍的時(shí)候，老師也會(huì)很耐心的指導(dǎo)，幫助我解決難題，才使我在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中得以按照規(guī)定的時(shí)間完成！我們的指導(dǎo)老師具有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和淵博的知識(shí)，做事嚴(yán)謹(jǐn)負(fù)責(zé)，認(rèn)真的工作態(tài)度，給我在今后的道路上樹(shù)立了很好的榜樣！通過(guò)指導(dǎo)老師的耐心認(rèn)真的指導(dǎo)，是我能夠?qū)C(jī)械設(shè)計(jì)的基本知識(shí)得以更好地掌握和提高自身的水平；對(duì)于有關(guān)設(shè)計(jì)方面的資料也提供了本質(zhì)上的建議，使我得以順利有效的查閱；在運(yùn)用軟件時(shí)

35、，老師也提供了實(shí)質(zhì)性的建議和認(rèn)真耐心的指導(dǎo)，使得我對(duì)軟件的運(yùn)用能夠跟徹底的掌握?？偠灾谡麄€(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，老師給予了我很大的鼓勵(lì)和十分耐心的指導(dǎo)，在此我向我的指導(dǎo)老師以及幫助過(guò)我的同學(xué)表示最為真摯的感謝！參考文獻(xiàn)1杜可可，馬國(guó)亮，趙曉東，張燕輝.機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)M.人民郵電出版社.2007.12.2張茂.機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)M.機(jī)械工業(yè)出版社.2010.7.(3)3吳拓.機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)M.清華大學(xué)出版社.2007.124李傳民，王向力，閏華軍，等DEFORM-3D金屬成形有限元分析實(shí)例教程.北京機(jī)械工業(yè)出版社，20075周澤華.金屬切削原理.上海科學(xué)技術(shù)出版.19926范欽珊.王琪.劉均.景榮

36、春.工程力學(xué).高等教育出版社.2009.12(8)7劉鴻文.材料力學(xué).高等教育出版社.2004.18劉偉,李家春.三維銑削加工的DEFORM-3D有限元模擬.現(xiàn)代機(jī)械出版社.2007，19陸劍中，孫家寧.金屬切削原理與刀具，機(jī)械工業(yè)出版.1984Abstract The earliest milling machine in 1818 by americans Whitney created; In 1862 by American brown the first universal milling machine, lifting the prototype of the milling machine; In 1884, and produced the first before and after milling planer; In the