摘要：基于材料变形的弹塑性理论，热力耦合理论以及Usui磨损模型，采用有限元仿真技术，利用三维仿真软件deform对车削过程进行仿真，得出了刀具在不同的切削用量下的切削力的变化规律，切削应力的分布情况以及切削过程中刀具表面切削热的分布情况。通过分析帮助指导如何选择最佳的切削用量以减小切削力，提高刀具寿命，为生产实践提供理论依据。

　　关键词：车削仿真 切削用量 切削力 切削温度 切削应力

　　Abstract：Basing on deformation of the elastic-plastic theory, thermal coupling theory and the wear model of Usui,using three-dimensional finite element simulation software ——Deform to simulate metal turning process.Through the simulation , it can give the results of cutting force’s change rule and the distribution of cutting stress and the cutting thermo on turning tool in different cutting parameter , which can give guidance when deciding the best selection of cutting parameter.

　　Key words：Turning simulation ，Cutting parameter ， Cutting force ，Cutting thermo

　　Cutting stress 1 引言

　　金属切削过程是一个非常复杂的工艺过程，它涉及到了弹性力学、塑性力学、断裂力学、热力学、摩擦学等，同时它还会受到刀具形状，温度分布、刀具磨损的影响[1]。因此利用传统的解析方法，很难对切削过程进行分析和研究。但随着科学和软件技术的不断发展进步，出现了很多针对金属切削过程进行数值模拟和仿真的软件，如DEFORM、ANSYS、ABAQUS等等。这些都为金属切削过程仿真提供了非常有效的方法和技术手段。本文将选择三维有限元软件DEFORM，以WC硬质合金刀具切削45号调制钢作为研究对象对切削过程进行仿真，得出了刀片在不同的切削用量下的切削力、切削温度、以及刀片应力分布情况。

　　2基本理论

　　2.1金属切削变形理论

　　金属切削过程实际上是工件材料在刀具的剪切挤压作用下，首先发生弹性变形，进而发生塑性变形，产生应变硬化，最后撕裂，沿前刀面流出形成切屑[1]。刀具材料的强度和硬度要比工件材料大很多，因此在计算中假设刀具为弹性材料，按弹性材料计算，而工件材料按弹塑性材料进行计算，对其采用大应变的弹塑性单元进行弹塑性分析，这与实际切削情况基本吻合。

　　2.2热力耦合理论

　　金属切削过程中，工件的塑性变形和切屑与刀具表面的摩擦是两个主要的热源。为了耦合热载荷和机械载荷的相互影响，可以利用P randtl-Reuss流动法则和Von Mises屈服准则，同时将材料考虑为具有各向通性的应变硬化性质，来导出热弹性热力耦合本构方程，接下来再应用大变形-大应变理论中小增量位移，并应用更新的Lagrange公式和增量变分原理，可导出热弹塑性大变形耦合方程[2](1)

(1)

式中v是节点位移， 是刀具和工件接触法向加载率(即载荷和时间之比); [Kf]，[KC]，[KG]，[Kep] 分别为摩擦修正矩阵、载荷修正矩阵、几何刚度矩阵和弹塑性刚度矩阵。

　　2.3 Usui磨损模型[5]

　　ω=∫ apve-h/T dt (2)

　　式中，ω为磨损深度;p为接触压力;v为滑移速度;T为接触面温度;dt为时间增量;a、b为常数，是通过实验确定的。

　　2.4弹塑性应力理论

Prandtl-Reuss塑性流动理论认为，物体内一点的总应变增量应由弹性应变增量和塑性应变增量两部分组成[3]，即

(3)

式中的第一项服从胡克定律;在引入Von-Mises屈服准则后，式中的第二项与应力偏量之间的关系为：

(4)

式中，为等效应变增量，对于各向同性材料，硬化曲线的斜率为

(5)

式中，为等效应力增量。

　　综合以上三式，可以得到切削变形时的弹塑性增量的本构关系方程为：

(6)

式中，为泊松比;E为弹性模量;为Kroneeker记号;为应力偏量增量;为平均应力增量。

　　3 有限元模型的建立

　　3.1几何模型的建立

　　本分析中，是直接从deform封装的刀片库中进行选取刀片，所选取的刀片代号是CNMA432，刀片材料为WC。对于工件部分，为了能够快速的模拟加工的实际情况， 得到预期的分析结果，因此只选取靠近加工表面部分作为分析对象。同时分析中刀具认为是刚性的，在运动分析中使刀具同时作旋转和进给运动，而工件的内表面施加全约束，这样就完全模拟了车削的运动过程。

　　3.2材料模型的建立

　　仿真中使用的材料流动应力数据必须真实的反映高应变率、高温和大应变下的材料本构行为。目前对于材料在切削状况下的本构关系研究并不多，很多研究都基于已有的材料本构模型来展开，这只能在一定程度上反映切削模型的真实性，Ohio州立大学已经开始着手建立切削模型材料数据库，其部分材料本构模型已经封装到Deform材料库中，本文中使用的材料就是封装到Deform材料库中的AISI—1045，相当于国内的45号钢。对于刀具材料则选用Deform材料库中的硬质合金，这基本达到了现实切削过程的材料性能条件。

　　3.3相关参数的设置

　　(1)刀具的主要几何参数选择见下表

　　表1 刀具主要几何参数 前角γ0 后角α0 刃倾角λs 0° 3 ° 0° (2)仿真参数设置

　　由于本文针对金属切削过程的仿真，在仿真第一步设置刀具具有周向转动和轴向进给两个运动，而让工件固定不动，这与实际的外圆切削运动形式相似。之后设置单位制为国际标准单位制SI，仿真的模式为热传递和变形，变形求解器采用Sparse解法。Sparse解法是一种利用极少的有限元公式直接求解的方法，采用这种方法收敛极快，但对计算机要求较高，对于共轭梯度求解器Conjugate-Cradient solver采用迭代方法逐步逼近最佳值，这种方法考虑了刀削之间的摩擦及工件材料流动应力受应变、应变率和温度影响的特性，但该方法对计算机硬件要求较低，因而对于多数FEM问题具有优势，不足就是对于某些接触问题收敛较慢，甚至不收敛。对于迭代方法采用Newton-Raphson，当Newton-Raphson方法失败后，系统会自动调用sparse求解，因此可以有效的保证较少的迭代次数和迭代收敛性。迭代方法确定后，就可以确定从deform的刀具库中选择刀具模型，以及定义工件模型，并选择选择刀具和工件的材料，同时设置刀具为刚性类型，工件为塑性类型。

 1/3    1 2 3 下一页 尾页