金属正交切削加工过程的有限元分析.pdf

金属正交切削加工过程的有限元分析!#$%&%#$(#(&)*+!$,%+-$,+.+#(&%$(&/0$#.0#1%-1!%-%#$-(2%(#.&%*黄丹!刘成文郭乙木（浙江大学 力学系，杭州!#$%）!#$%&()*+,-(./-(%0 1234（!#$%&(&)*+,-$(.,/，0-1.$(2 3(.4%/.&5，6$(27-)8!#$%，9-.($）摘要运用大型通用有限元程序对金属正交切削加工过程进行非线性弹塑性有限元模拟分析，得到不同刀具前角在加工过程中对切屑形状、应力分布、应变分布、残余应力及残余变形的影响，得出刀具前角值与剪切角的关系。计算验证了一些实验结果，结论可供工程应用参考。关键词有限元模拟切削加工切削角度中图分类号&(#&)(3456785&*+,-.*,/,012 3+.12 45.60/7-,4+88 509+-7210+8.-160 4,096.6,08 68 1012:;+9 606.+2+=3+0.3+.*,9?5.60/7-,4+88+8 509+-96+-+0.-1A+10/2+8 1-+863521.+9 606.+2+3+0.1012:868 7-,/-13?&*+4*678+71-1.6,0 68 B18+9,0 1 4-6.6412 8.-+88 4-6.+-6,0 863521.+9 6.*1 0,912-+2+18+7-,4+95-+?C63521.6,0-+852.8 8*,+4.,.,2-1A+10/2+,0.*+/+,3+.-64 8*17+8,.*+4*67，.*+8.-+88 968.-6B5.6,0，.*+8.-160 968.-6B5.6,0，.*+-+869512 8.-+88 109.*+85-14+-+869512 9+=,-31.6,0,.*+314*60+9,-A76+4+?&*+-+21.6,08*67 B+.60960/8,.*68 717+-D12691.+8,3+,-3+-+E7+-63+0.12-+852.8 109 7-,D69+58+52 6086/*.8,-509+-8.10960/109 637-,D60/.*+,-.*,/,012 3+.12 45.=.60/7-,4+88?29:;?59 99A9?5 4AB75?；+65CD?D；-7E9 7?D99)%/#)(:.(2$8&-)%：63;=$.?：-8$(2($FG,?718?:8?,(，$A：H IJ=(%=I%K($J(L10584-67.-+4+6D+9$#$#J#%，60-+D68+9,-3$#$#%?F引言切削加工主要是通过刀具在材料表面切除多余的材料层来获得理想的工件形状、尺寸以及表面粗糙度。为了提高产品加工质量，特别是精密和超精密切削的生产效率与加工质量，需要深入研究切削加工机理。计算机技术的飞速发展使得数值模拟研究切削加工成为可能。M856 和 C*6-1A18*6KI$年第一次提出刀面角、切屑几何形状和流线等，建立了稳态正交切削模型。N1.1$等则利用刚塑性模型，模拟计算了切屑的厚度、卷曲形状及构件内部应力、应变的分布等，并通过切削试验较好地验证了模拟计算结果；但由于没有考虑弹塑性变形，无法计算出残余应力。C.-+0A,8A6和 1-,22!利用基于有效塑性应变的切屑分离准则建立模型，考虑构件、刀具的弹塑性及刀具与切屑之间的摩擦等，计算结果表明切屑分离准则在有限元模拟构件加工中是非常重要和有效的。文献 F，(运用通用有限元程序对切削加工过程进行了模拟，对于工程应用尤为重要。本文运用通用有限元程序对金属切削加工过程进行模拟和计算，分析刀具与切屑之间的接触、材料大变形与变形率对计算的影响以及切屑与构件之间基于应力的分离准则的应用等。通过模拟分析，给出刀具不同切削角度对切屑形状、工件残余应力、残余变形、工件和切屑中应力的影响。G有限元建模由于切削层厚度远小于构件宽度，在金属切削过程（如图）中可以认为构件处于平面应变状态。图$所示算例中工件长$#43、宽(43，网格划分采用稳定性好的平面四边形单元，共分成(层单元，最低层单元高度为最高层单元的$倍。沿工件切削方向平均分成(#个单元，单元长度#?F 43。切屑层高#?I 43，平均分成#层，共有单元$%#个。图中初始HB6?7 87*569?D5C$#!，$(（!）：$KF O$K%!黄丹，男，K%K 年 月生，湖北监利人，汉族。博士研究生，研究方向为计算力学。$#$#J#%收到初稿，$#$#%收到修改稿。万方数据图!金属切削过程#$%!&()(*+,-.*#/$012-(33图 4模型网格划分#$%4&()25(,6#*(,()(/*3 0,2*(5开口是为了让切削快速进入稳定状态。刀具假设为理想刚体，上边界垂直方向固定，并以一定的速度向左运动。构件视为无限长，忽略开始与结束阶段的不稳定状态。构件水平方向一端固定，底部固定。构件材料为 7898:;:钢，弹性模量!=4%?+，泊松比!=A B$C);。材料常温下应力塑性应变关系如表!。表!（#$%!）应力#CD+塑性应变$0:!:%EF%F!%FH%D+、:A%#$0=$#()L!%#!#其中#$0为塑性应变率，#为当前应力，#）切屑中存在#44的负值，即压应力的存在；而当刀前角较大时（如图 A），切屑中主要为正值。这也表明，在切屑分离过程中，刀前角较小时，刀具的推挤对切屑的分离起主要作用；而刀前较角大时，刀具的撑开对切屑的分离起主要作用。图;前角为;M时已加工表面残余应力（+）#$%;&(1(3#5.+,3*1(33 2N)+-#/(5 3.1N+-(（&=;M）通过 D#3(3 应力#(的分布可以考察切屑和工件的塑性流动。由图 F、!可以看出，在刀具尖端的前部应第 4E 卷第;期黄丹等：金属正交切削加工过程的有限元分析4FE万方数据图!前角为#时已加工表面残余应力（$%）&()!*+,-,./0%1.2-,.34 5%6+7,/.0-4%6,（!8#）图 前角为 9:#时;的等值线（$%）&()*+,.317,34;（!8 9:#）图 前角为#时;的等值线（$%）&()的等值线（$%）&()=*+,.317,34（!8 9:#）力等值线基本上是平行的，愈向左应力值愈小。说明塑性流动在切屑起始弯曲部分的值最大，且向两边逐图?前角为#时的等值线（$%）&()?*+,.317,34（!8#）图 前角为 9:#时,的等值线（$%）&()*+,.317,34,（!8 9:#）图;:前角为#时,的等值线（$%）&();:*+,.317,34,（!8#）渐减小。同时，较大的应力等值线连接了切屑起始弯曲的两个边界，这正是剪切角#的大小。还可以发现刀具前角的大小与剪切角的大小成反比关系，刀具前角!值越大，剪切角#的值越小。!工件已加工表面残余变形分析在切削加工过程中，加工表面会产生弹塑性变形。加工结束后弹性变形恢复，而塑性变形使加工过的工件不严格符合加工要求（特别是在精密加工中）。由图:9 年万方数据图!前角为#$时已加工表面垂直方向的残余变形量%&(!)*+&,-./0*12&3./,*4516.2&57 54 6.38&7*,+-14.3*（!9#$）图!前角为:$时已加工表面垂直方向的残余变形量%&(!)*+&,-./0*12&3./,*4516.2&57 54 6.38&7*,+-14.3*（!9:$）!、!可知，已加工表面垂直方向的残余变形量随着离刀具尖端距离的增大逐渐减小，并最终趋于恒定值（接近于零）。这主要是因为在加工过程中，刀具尖端附近区域不仅存在塑性变形，也存在弹性变形，而远离刀具尖端的工件表面只存在塑性变形，弹性变形随着刀具的远离而恢复。同时由图!、!可知，刀具前角大，已加工表面的残余塑性变形相对小，而刀具前角小时，残余塑性变形量相对较大。!结论通过建立金属切削加工的有限元模型，并对加工过程进行计算分析，得出如下结论：!）只要能建立有效的模型，采用通用有限元程序来模拟计算金属切削加工过程是可行的。）由弹塑性非线性有限元分析模型计算可得出工件及切屑中的应力分布、切削加工所产生的残余应力值和切削加工变形值。;）通过对不同前刀角的模拟计算可知，加大刀具前刀角的值，可以减小工件已加工表面的残余应力和残余变形，符合工程实际。，?8&1.+8&A(B*38.7&3+54 6.38&7&7C4156,*+31&D2&0*25 D1*,&32&0*28*51E 57 28*.12 54 3-22&7 6*2./+CF:E*.1+/.2*1(G?B HI，!JK，F：!;L;:(MN.2.O，P+.,.O，A*1.+.Q(H153*+65,*/&7 54 5128557./3-22&7 RE28*1&,CD/.+2&3 4&7&2*/*6*72 6*285,(S(7(B.2*1(A*3875/，!JK7(M7,，!JK:，!#F：;F L;:(1D*7R*38?G(%&7&2*/*6*72 65,*/&7 54 5128557./6*2./3-22&7(S(7(M7,，!JJ!，!;：:;L TF(第:卷第;期黄丹等：金属正交切削加工过程的有限元分析JF万方数据