基于ANSYS模擬金屬切削切削力變化的數(shù)值仿真

基于ANSYS模擬金屬切削切削力變化的數(shù)值仿真李根天津理工大學(xué)天津300384摘要：本文是基于金屬切削的基本理論，借助ANSYS軟件從刀具，工件的材料選取以及ansys模型的建立中都符合實(shí)際的進(jìn)行了準(zhǔn)確設(shè)置，最終得到切削力的變化曲線，目的就是為了預(yù)測切削力的變化，為進(jìn)一步對刀具破損，磨損和切削振動等方面進(jìn)行研究提供數(shù)據(jù)，節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本。關(guān)鍵詞：ANSYS；切削力：仿真；分析1前言切削加工機(jī)理很復(fù)雜，它涉及到金相學(xué)、彈性力學(xué)、塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)、傳熱學(xué)以及摩擦接觸、潤滑等很多領(lǐng)域，受工件材料、刀具參數(shù)、加工工藝等多方面的影響，這些都給切削力的建模計(jì)算帶來了困難。以往切削力的主要研究方法是在切削理論研究的基礎(chǔ)上建立切削力的解析表達(dá)式，搭建切削實(shí)驗(yàn)平臺擬合得到切削力經(jīng)驗(yàn)公式。傳統(tǒng)的通過搭建實(shí)驗(yàn)平臺獲取切削力的方法只能獲得特定加工工藝下特定刀具、工件參數(shù)的結(jié)果，其結(jié)果的準(zhǔn)確性依賴實(shí)驗(yàn)平臺搭建的合理與否，并且實(shí)驗(yàn)周期長，相對花費(fèi)比較高［1］。隨著有限元技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，有限元商業(yè)軟件日益成熟利用計(jì)算機(jī)仿真切削過程逐漸成為切削力研究的主要方向，通過有限元軟件建立切削力模型，可以根據(jù)具體的材料參數(shù)、刀具模型及邊界條件進(jìn)行靈活的處理，仿真周期短，結(jié)果直觀。本文就是基于ANSYS軟件對于刀具切削過程中切削力的分析仿真，獲得研究刀具性能的大量數(shù)據(jù)，不僅使刀具研究、刀具產(chǎn)品的開發(fā)更加精確、可靠，并且大大縮短了研究開發(fā)的周期，節(jié)省了用于樣品試制及實(shí)驗(yàn)設(shè)備等方面的費(fèi)用。2建模與計(jì)算2.1基本理論金屬切削過程中切削力只要來源于以下兩個方面［2］：（1）切削層金屬，切屑和工件表面層金屬的彈性、塑性變形所產(chǎn)生的抗力。（2）刀具與切屑、工件表面間的摩擦阻力。因此，在金屬切削過程中仿真要考慮的因素很多，其中主要有以下三個方面：首先，在切削過程中，材料模型既有彈性變形，又有塑性變形。被剪切工件材料由彈性變形到塑性變形，最后被撕裂并脫離已加工表面形成切屑，整個切削過程是一個非常復(fù)雜的非線性問題。因此，就材料的非線性而言，我們要考慮其屈服準(zhǔn)則、流動準(zhǔn)則及強(qiáng)化準(zhǔn)則。通用的屈服準(zhǔn)則是米塞斯(VonMises)屈服準(zhǔn)則［引，其描述方式為：“材料處于塑性狀態(tài)時，等效應(yīng)力是一不變的定值?！庇霉娇杀硎緸椋豪?22’+G2蟲3+G3-^1'f式中：b—等效應(yīng)力；b、bb3—材料的第1、2、3主應(yīng)力。123材料在熱軟化的過程中出現(xiàn)了流動性，單個塑性應(yīng)變分量￡pi、*p1的發(fā)展方向則通過xy流動準(zhǔn)則來描述，其表達(dá)式為［4］：{d*Pl}=九{學(xué)}do式中：￡pi—材料的塑性應(yīng)變；九一塑性增量系數(shù)；Q—決定材料應(yīng)變方向的應(yīng)力x函數(shù)屈服準(zhǔn)則隨塑性應(yīng)變的發(fā)展可用兩種強(qiáng)化準(zhǔn)則來描述：等向強(qiáng)化及隨動強(qiáng)化，本研究中選用多線性等向強(qiáng)化準(zhǔn)則(MIHO)。等向強(qiáng)化準(zhǔn)則可表達(dá)為⑸：b-o丄Y113式中：Y—塑性功的函數(shù)。其次，在切屑形成過程中，切屑中單元位移的改變和單元取向的改變會改變整體模型的剛度，這是一個幾何非線性問題，它包括大應(yīng)變和大擾度。大應(yīng)變公式表達(dá)為［5］：UH—{x}式中：h}—位移矢量；仁}—變形的位置矢量；&未變形的位置矢量。2.2建立有限元模型在切削過程中，由于刀具的硬度比工件的硬度高得多，為了符合實(shí)際切削過程，在建模時，將刀具看作為剛體，工件作為柔體。刀具材料的變形按彈性計(jì)算，而工件材料的變形按彈塑性計(jì)算。所以，工件采用大應(yīng)變彈塑性單元進(jìn)行彈塑性分析；刀具采用彈性單元只進(jìn)行彈性分析。考慮到前刀面與切屑以及后刀面與工件之間存在摩擦，且摩擦類型因刀面上各個點(diǎn)所受的等效剪應(yīng)力而異，因此，在各接觸對上采用目標(biāo)單元和接觸單元來模擬接觸并控制摩擦類型。另外，用有限元技術(shù)模擬切屑形成，在建模時應(yīng)首先建立切屑與加工表面的初始聯(lián)系，并指定分離準(zhǔn)則。材料模型的建立對于仿真的正確性十分重要［64在ANSYS中刀具材料選用YT類硬質(zhì)合金，查相關(guān)手冊得相關(guān)數(shù)據(jù)：彈性模量E=600GPa，泊松比卩=0.3，刀具前角10°，后角8°；選取工件材料為45鋼，其彈性模量E=200GPa，泊松比卩=0.28。切削厚度為2mm進(jìn)行切削，模型采用直角自由切削，建立如圖1所示的二維模型。工件被劃分為:1500個單元，刀具分成100個單元。工件底部約束X和Y兩個自由度，左側(cè)約束X自由度；刀具約束Y方向的自由度。圖1工件與刀具的三維有限元模型2.3加載與計(jì)算在刀具右端加水平向左的位移，刀具在給定的速度和不同的位移邊界條件下向左移動形成切削過程。通過計(jì)算軟件的解算器進(jìn)行綜合計(jì)算。切屑與產(chǎn)生的已加工表面間的對應(yīng)節(jié)點(diǎn)在初始時是聯(lián)系在一起的，我們選取的分離準(zhǔn)則VonMises分離準(zhǔn)則（等效塑性應(yīng)變）。隨著刀具的位移，刀尖前面的節(jié)點(diǎn)對產(chǎn)生塑性應(yīng)變，在每一時步，計(jì)算出對應(yīng)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變當(dāng)?shù)刃苄詰?yīng)變值達(dá)到分離準(zhǔn)則值時，節(jié)點(diǎn)對分開。隨著節(jié)點(diǎn)對的連續(xù)分離，就形成了切削過程。3結(jié)果分析3.1提取計(jì)算結(jié)果獲得更時步的切削力通過ANSYS的通用后處理器和時間歷史后處理器來提取某時步計(jì)算結(jié)果。由圖2知,在靠近切削刃的應(yīng)力具有最大值，在前刀面上，有效應(yīng)力從切削刃處開始急劇下降，后刀面的有效應(yīng)力下降較為緩慢。在刀尖附近應(yīng)力最大，工件整個受力較為均勻。圖2刀具的等效應(yīng)力圖由于刀尖部位為最大應(yīng)力點(diǎn)，由此可知刀具破壞的主要形式為刀尖和刀刃破壞，因此選用高強(qiáng)度的刀片材料對于增加刀具強(qiáng)度是十分必要的。由于切削過程中會產(chǎn)生高溫，且刀具與工件之間存在較大的壓力，因此當(dāng)溫度和壓力達(dá)到一定水平時在應(yīng)力最大處就可能產(chǎn)生刀刃點(diǎn)蝕以及刀具塑性變形，使加工精度難以保證，為此必須調(diào)整切削參數(shù)以降低應(yīng)力，以保證刀具在穩(wěn)定的切削狀態(tài)下工作。此外由于刀尖部位應(yīng)力最大。磨損嚴(yán)重，將直接影響加工質(zhì)量，因此需要及時檢查刀具狀況并進(jìn)行刀具補(bǔ)償。3.2切削力變化規(guī)律通過ANSYS結(jié)果后處理將計(jì)算結(jié)果提取出來，通過上述方法獲得各時步的主切削力進(jìn)行比較得到圖3[8.9的]變化曲線。圖3有限元仿真主切削力變化曲線在切削過程中，切削力由零線性增至最大值，然后減小并且逐步接近穩(wěn)定。在切削的起始階段，隨著刀具與工件接觸長度的增加以及刀具克服工件彈性變形，刀具對工件的作用力是逐漸增加的。當(dāng)工件進(jìn)入塑性變形階段時，工件材料軟化，刀具克服塑性變形所做的功小于克服彈性變形所做的功，切削力因此逐漸減小，在最后形成穩(wěn)定切削時，切削力便保持在一個穩(wěn)定的值上，該穩(wěn)定的值為平均切削力。顯然，通過有限元分析我們可以顯示瞬時切削力的更多動態(tài)細(xì)節(jié)。4結(jié)論切削力是金屬切削過程中一個很重要的參數(shù)，用ANSYS有限元分析的方法，在對金屬切削過程進(jìn)行數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，成功地對切削過程中切削力的變化進(jìn)行了仿真可以清楚地觀測到刀具與工件的仿真結(jié)果，通過對于切削力結(jié)果的分析，得到切削力的變化規(guī)律。從而提前模擬實(shí)驗(yàn)過程，節(jié)約實(shí)驗(yàn)成。參考文獻(xiàn)何思亮?動態(tài)切削力解析模型的研究[J].焦作礦業(yè)學(xué)院學(xué)報,1994,(1).王浩青?切削力理論計(jì)算公式局限性的探討[J].煙臺大學(xué)學(xué)報,2001,(4).⑶陳恩平?切削力經(jīng)驗(yàn)公式的試驗(yàn)研究[J].燕山大學(xué)學(xué)報,2004,(7).[4]黃雪梅?切削加工過程動態(tài)模型的研究[J].制造業(yè)自動化,2000,(1).⑸張福潤?機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)[M].2版?武漢:華中科技大學(xué)出版社,2000.⑹吳創(chuàng)國，張定華,任學(xué)軍，楊蕾?切削力建模方法綜述[J].力學(xué)進(jìn)展,2006,36,(4).[7]鄭孟昆，張國軍，黃禹，李明震?基于SPH的切削力建模與分析[J].機(jī)械制造,2012,50,(569).⑻楊俊,何輝波，韓文強(qiáng),李英華，顧濤?基于切削力和表面粗糙度的干切削參數(shù)優(yōu)化[J]西南大學(xué)學(xué)報,2014,36,(12).王文津，王太勇,范勝波，羅珺，李娜?車削過程切削力的計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真[J].機(jī)械強(qiáng)度2006,(5):725~728.明冬蘭，劉旺玉，張發(fā)英,陳澄洲?大刃傾角斜角拉屑車削的切削力研究[J].制造材料2012,50,(569).苪執(zhí)元，李川平，果俊鋒,馮瑞成.基于Abaqus/explicit的鈦合金高速切削切削力的研究[J].機(jī)械與電子,2011,(4).張耀良，楊明，劉錫錄,閻通海?金屬切削加工中切削力計(jì)算的量綱分析法[J].哈爾濱科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報,1992,16,(1).楊壯凌?切削力仿真模型的研究[J].機(jī)械與電氣,2008,(10).范勝波，王太勇，汪文津，何慧龍?基于MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的切削力預(yù)測[J].機(jī)床與液壓,2006:(1).謝峰，趙吉文,張崇高，等?金屬切削刀具的虛擬設(shè)計(jì)方法初探[J].工具技術(shù),2001,(10).M.CemalCAKIRa,YahyaISIK.Finiteelementanalysisofcuttingtoolspriortofractureinhardturningoperations[J].Mater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