淬硬钢材料高速切削过程的有限元仿真word格式模板
高速金属切削的摩擦分析及有限元模拟
Fr iction Ana lysis and F in ite Elem en t S i m ula tion s of H igh2speed M eta l Cuttin g
W a ng X iao Lu S hub in Gao C hua nyu
( J iangsu U niversity, Zhenjiang J iangsu 212013, China)
表 1 工件与刀具的材料特性
泊松比
013 0122
- 1 - 1 比热 / (J ・ kg ・ ℃ )
热传导率 / (W ・ m
5115 120
- 1
- 1 ・ ℃ )
热膨胀系数 / ( × 10
- 6
- 1 ℃ )
470 34313
113 ( 425 ℃) 114 ( 650 ℃) 512
3 切削模型
收稿日期 : 2006 - 06 - 19 作者简介 : 王霄 ( 1964 —) , 男 , 博士研究生 , 副教授 , 主要研 究方向 : 微造型及性能数值模拟 , CAD /CAE /CAM , 虚拟样机 技术等 1 E 2 mail: wx@ ujs1 edu1 cn1
在早期的切削加工分析中 , 普遍采用传统的库仑 摩擦理论 , 其认为前刀面上摩擦剪切应力与正应力成 正比 , 数学公式如下 : τ σn ( 1) f =μ σ μ 式中 : τ 为摩擦剪切应力 ; 是正应力 ; 是摩擦 f n 因数 。
和刀 2 屑接触长度的预测值更接近参考文献中的值 。 定性上说明了粘结 2 滑 移摩擦模型更符合金属切削的 实际摩擦模型 , 也证明了刀 2 屑接触表面上滑移摩擦 和粘结摩擦是同时存在的 。 6 结论 ( 1 ) 在金属正交切削过程中 , 刀 2 屑接触表面不 仅存在滑移摩擦 , 同时还存在粘结摩擦 。 ( 2 ) 所建立的滑移 2 粘结摩擦模型能较好地反映 了金属切削的真实摩擦状况 , 同时也说明了利用有限 元方法分析金属切削加工的过程是有效的手段 , 这为 切削的有限元分析提供了良好的理论基础 。
金属切削过程模拟的有限元仿真
金属切削过程模拟的有限元仿真摘要: 本文在建立车削三维有限元模拟基础上，运用有限元对车削过程中车削的变形系数，工件与刀具的温度分布，切削力进行了模拟，并对结果进行了分析讨论。
该模拟的结果对实际工作有重要的现实作用。
关键词：切削 有限元 模拟1 绪 论1.1本课题的研究背景1.1.1微电子等领域突出的散热问题在现代工业领域，有很多专门用途的设备，它们的工作性能和工作效率取决于关键零件的结构和性能，如空气冷却器，热交换器的散热管，激光器热辐射表面，环保设备的过滤表面，螺纹表面等等。
我们把这类起特定作用的表面统称为“功能表面”。
这些表面大多数采用组装式结构（套装、镶嵌、钎焊、高频焊）、切削、滚压等方法加工。
早在19世纪中期，Jone 就提出在管内插入螺旋线以强化蒸汽的冷凝过程，从此人们就开始了在传热管等传热材料上进行翅加工技术的研究。
70年代出现能源危机，研究翅化管的加工技术及其强化传热机理有了进一步的发展，随着加工制造技术的不断进步，近20年来对强化换热元件的研究在化工、能源、制冷、航空、电子等工业部门有了很大的进展，各式各样的强化换热元件层出不穷，为提高传热效率作出了重要的贡献。
但是随着微电子及化工等领域，尤其是微电子领域对产品性能的无限追求，芯片集成度不断提高，带来致命的高热流密度，电子器件的冷却问题越来越突出。
英特尔公司负责芯片设计的首席执行官帕特-盖尔欣格指出，如果芯片耗能和散热的问题得不到解决，到2005年芯片上集成了2亿个晶体管时，就会热得象“核反应堆”，2010年时会达到火箭发射时高温气体喷射的水平，而到2015年就会与太阳的表面一样热。
目前芯片发热区域（cm cm 5.15.1 ）上的功耗已超过105W ，且未来有快速增加的趋势。
芯片产生的这些热量如果不能及时散出，将使芯片温度升高而影响到电子器件的寿命及工作的可靠性，因而电子器件的有效散热方式已成为获得新一代电子产品的关键科学问题之一。
切削加工有限元模拟
铝合金A357切削加工有限元模拟1铝合金A357切削加工有限元模型金属切削加工有限元模拟，是一个非常复杂的过程。
这是因为实际生产中，影响加工精度、表面质量的因素很多，诸如:刀具的儿何参数、装夹条件、切削参数、切削路径等。
这些因素使模拟过程中相关技术的处理具有较高的难度。
本文建立的金属正交切削加工热力耦合有限元模型是基于以下的假设条件:（1）刀具是刚体且锋利，只考虑刀具的温度传导;（2）忽略加工过程中，由于温度变化引起的金相组织及其它的化学变化; （3）被加工对象的材料是各向同性的； （4）不考虑刀具、工件的振动；（5）由于刀具和工件的切削厚度方向上，切削工程中层厚不变，所以按平面应变来模拟；1.1材料模型1.1.1A357的Johnson-Cook 本构模型材料本构模型用来描述材料的力学性质，表征材料变形过程中的动态响应。
在材料微观组织结构一定的情况下，流动应力受到变形程度、变形速度、及变形温度等因素的影响非常显著。
这些因素的任何变化都会引起流动应力较大的变动。
因此材料本构模型一般表示为流动应力与应变、应变率、温度等变形参数之间的数学函数关系。
建立材料本构模型，无论是在制定合理的加工工艺方面，还是在金属塑性变形理论的研究方面都是极其重要的。
在以塑性有限元为代表的现代塑性加工力学中，材料的流动应力作为输入时的重要参数，其精确度也是提高理论分析可靠度的关键。
在本课题研究中，材料本构模型是切削加工数值模拟的必要前提，是预测零件铣削加工变形的重要基础，只有建立了大变形情况下随应变率和温度变化的应力应变关系，才能够准确描述材料在切削加工过程的塑性变形规律，继而才能在确定的边界条件和切削载荷下预测零件的变形大小及趋势。
在切削过程中，工件在高温、大应变下发生弹塑性变形，被切削材料在刀具的作用下变成切屑时的时间很短，而且被切削层中各处的应变、应变速率和温度并不均匀分布且梯度变化很大。
因此能反映出应变、应变速率、温度对材料的流动应力影响的本构方程，在切削仿真中极其关键。
高速切削TC4有限元数值模拟研究
磨损，机技术，发展。
Komanduri ［1切失稳理论。
Iwata ［2］建立一个刚塑性有限元模型，模拟了切屑的厚度以及切屑的卷曲。
Obikawa 和Baker ［3-4］采用几何分离准则，并在预先定义分离线的情况下，仿真出连续锯齿状切屑。
上述研究有的以单一变量为研究对象，有的采用与实际加工有较大差距的几何分离准则，对实际加工没有借鉴意义。
以TC4的切削过程为研究对象，采用与实际加工过程相近的物理分离准则，更好地得到了材料弹塑性流动趋势。
仿真结果的提出忽略了刀具与工件之间温度场的影响。
故研究锯齿状切屑［5-8］。
它源于塑围环境基本一致，塑性硬化占主导地位；第二阶段随着塑性硬化的下降和应变软化的增加，材料呈现二者的平衡状态；最后一个阶段因为材料的导热性差，进一步引起材料的局部塑形剪切失稳。
由于高速切削，热量没有时间传递出去，加剧了这种情况的发生。
本研究利用绝热剪切理论来生成锯齿状切屑。
周期性断裂理论认为锯齿状切屑的形成是由于从工件自由表面向切削刃扩展一定距离的周期性整体断裂造成的。
高速切削TC4有限元数值模拟研究郭磊1，吴红兵2（1.太原科技大学，山西太原030000；2.浙江大学宁波理工学院，浙江宁波315100）摘要利用有限元分析软件，研究刀具高速切削钛合金时锯齿状切屑的形成过程。
模型采用绝热剪切准则，有效解决了锯齿状切屑形成的问题。
仿真模拟了刀具在不同切削深度以及不同切削速度的情况下，参数的改变对切削过程的影响。
结果表明，锯齿状切屑的形成与绝热剪切有关。
关键词锯齿状切屑；高速切削；绝热剪切；钛合金中图分类号TH16文献标识码Ａ文章编号1004-244X （2013）02-0088-04Abstract The studied with finite element effectively solved.The influence that the formationof saw⁃tooth Key words 收稿日期：2012-11-02；修回日期：2013-02-25作者简介：郭磊，男，硕士研究生。
淬硬钢高速切削过程的有限元仿真
淬硬钢高速切削过程的有限元仿真制造业始终在探索零件产品的低成本加工方法和对现存工艺的高效率利用与改进,高速切削加工是先进制造技术的一个重要组成部分,已成为淬硬钢等高硬度材料切削加工的重要手段。
PCBN刀具的出现及其精密加工过程可以满足这些零件的加工要求,而替代或减少磨削加工。
本文以有限元理论为基础,针对高速硬态切削淬硬钢的特点,利用MSC.Marc 和ABAQUS/Explicit两种有限软件建立了适于硬态切削的二维平面应变有限元模型,模拟了硬态切削中连续与锯齿状切屑形成过程和刀具的磨损情况。
考虑工件材料机械物理性能随时间的变化和流动应力受应变、应变速率和温度影响特性来模拟材料的非线性问题;采用MSC.Marc的网格重划分技术和ABAQUS/Explicit 的剪切失效准则、单元去除和自适应重划分技术模拟了切屑的形成;为了处理硬态切削过程中的几何非线性问题,分别采用了更新的Lagrange格式的有限元法与ALE法;采用库仑摩擦模型模拟硬态切削过程中的摩擦问题;利用ABAQUS结合Python语言,模拟分析刀具的磨损。
在高速硬切削过程中,切削力随着切削宽度增加而成比例增加,形成锯齿状切屑时切削力随着锯齿的形成与发展呈周期性变化;切削区温度随切削宽度增加略有增加;圆弧刃和倒棱刃刀具的已加工表面残余应力具有相同的变化规律和最大应力值;锋利刃、倒圆刃和倒棱刃3种常见的刃口形式中,锋利刃由于刃口强度差不适合淬硬钢的切削加工,倒圆刃和倒棱刃相比,倒棱刃的切削温度分布好,已加工表面温度低;ABAQUS与Python语言结合可以预测刀具磨损情况。
采用Element Six公司的AMBORITE DBA80刀具在CA6140车床上对淬硬轴承钢GCr15(HRC60-62)进行了一系列切削力、切削温度实验。
通过试验与仿真分析对比,有限元仿真切削力、切削温度和已加工表面残余应力有较好的精度,并可以模拟加工过程中的不连续切屑形成和刀具磨损。
基于ABAQUS的不锈钢材料切削过程的模拟与数值分析
1.通过研究 AISI-316L 材料 Johnson-cook 本构方程、刀-屑接触模型、切屑分 离模型、切屑损伤断裂等关键技术建立了正交切削有限元模型。其中切屑分离模型 是整个切削模拟过程中最重要部分，对切屑的形成机理也有重要作用，论文采用单 元累进损伤失效技术，将上述关键技术分别应用在切削过程的有限元仿真中。
2.加工硬化现象。由于 316L 不锈钢在加工过程中的网格畸变引起的加工硬化现 象，其表面硬化强度可到 1800Mpa，其硬化层厚度约占整个加工深度的 1/3 甚至更大， 表面强度也提高至接近原来的 2 倍左右。发生加工硬化更深层次的原因主要是，材 料内部晶格发生扭曲和滑移，在高温下部分奥氏体组织发生金相变化生成了更稳定 的马氏体结构，同时材料中所含的杂质也发生扩散，使材料的组成结构发生变化， 最后产生加工硬化层。虽然一定的硬化层会提高零件的机械性能，提高抗应力腐蚀 能力，但是会在加工过程中增加刀具与零件的摩擦，加速刀具的磨损现象，同时对 零件的表面粗糙度也是有一定影响的。
1.3 不锈钢的切削加工特点
以 AISI-316L 不锈钢(国内牌号 00Cr17Ni14Mo2)为例，其可加工厚度一般在 0.3mm-0.5mm 之间，是一种难切削材料。不锈钢材料切削加工的特点主要是以下几个 方面[5-14]:
1.切削力大。316 不锈钢的抗拉强度和硬度随温度变化幅度较小，普通材料在加 工过程中会随着加工温度的升高，强度发生下降，很容易发生切屑分离，完成切削 过程。316L 材料在常温下强度与硬度接近于中碳钢，但当在温度升至 700℃时仍不 能降低其机械性能(500℃时的σ b =500Mpa)，使工件很难发生切屑分离。从而引起加 工过程中的切削力过大，影响刀具寿命。同时由于其相对于普通钢材良好的延伸性， 加工时塑性应变偏大，导致材料内部晶格发生严重扭曲，同时连带产生加工硬化的 现象。而上述这些因素都会引起加工过程的切削力偏大。
基于DEFORM-3D的不锈钢切削力有限元仿真
涉及到材料学、 学、 力 热学 及摩擦学等相关 知识 。以
前， 学者 通 常通过 试 验和解 析 的手段 来研 究切 削过 程 ，
往往耗时 、 耗力 、 成本高 ， 难以精确测量切削力 、 应力应 变、 温度场分布等关键数据 ， 而计算机技术的飞速发展 使 得利 用有 限元 方法 来研 究 切削加 工成 为 了可能 ¨ 引。
内牌 号 为 ０ ｒ８ ｉ ＣｌＮ９不锈 钢 ） 。
金属切削过程中， 刀具切人工件 ， 使被加工材料发 生变形成为切屑所需要 的力称为切削力 ， 它包含主切 削力 、 进给力 和背 向力 ３ 部分 。因为主切 削 力 是计算车刀强度 、 设计机床零件和确定机床功率 的主要依据 ， 因此 ， 择主切削 力 作为研究 对象。 选 相关 的仿真参数见表 １ 。 表 １ 仿真切削参数表
体常应变单元划分网格 。通常在一些场变量变化梯度 较大的区域 ， 划分较为致密的网格 ， 反之则应划分较为
稀疏 的 网格 。
４ ２ 相关结果分析 ． 图２ 表示主切削力 仿真曲线。从图中可看 出， 主切削力 先由零线性增大至最大值 ， 然后减少并逐 步接近稳定 ， 这与实际的切削过程一致。当刀具 开始
削过程进行 了建模与仿真 ， 分析 Ｏ ｒ８ ｉ Ｃ ｌＮ９不锈钢的切 削力 变化 规律 以及切 削速 度和进 给量对其 切削 力的影响 ． 同理 并 论计算 结果进行对比验证。研究表明 ， Ｅ Ｏ Ｍ－Ｄ软件 所得仿 真数据与理论计 算结果吻合度 较高 ， 明仿真 结果具 有 ＤＦＲ ３ 说 较 高的可信 度 ， 系统 地研 究金 属的切削过程提供 了一种新 的途 径。图 ４表 １参 １ 为 ０ 关 键 词 ： 削加 工； Ｅ Ｏ Ｍ一Ｄ软件 ； 切 ＤＦＲ ３ 有限元仿 真； 削力 切
PCBN高速切削25CrM04过程的切削力研究
ｍｅ ｎ ｓ ｉ ｏ ｎ ｌ ａ ｉ ｆ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｍｏ ｄ ｅ ｌ Ｗａ ｓ ｂ ｕ ｉ ｌ ｔ ｗｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ａ ｉ ｄ ｏ ｆ Ｄ ｅ ｆ ｏ ｒ ｍ－ ３ Ｄ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗ ａ ｒ ｅ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｃ ｕ ｔ ｔ ｉ ｎ ｇ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｗａ ｓ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ．Ｖａ ｒ ｉ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｌ ａ ｗ ｏ ｆ ｃ ｕ ｔ ｔ ｉ ｎ ｇ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｃ ｕ ｔ ｔ ｉ ｎ ｇ ｓ ｐ ｅ ｅ ｄ ｓ ，ｂ ａ ｃ ｋ ｃ ｕ ｔ ｔ ｉ ｎ ｇ ｄ ｅ ｐ ｔ ｈ ｓ ａ ｎ ｄ ｆ ｅ ｅ ｄ ｓ ｗ ａ ｓ ｏ ｂ ｔ ａ ｉ ｎ ｅ ｄ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ，ａ ｎｄ ｈｅ ｔ ｏ ｐ ｔ ｉ －
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完整_基于有限元的锻件成形过程模拟
摘要金属的镦粗是一个比较复杂的变形过程，不同的工艺参数会对变形产生不同的影响。
为了能比较客观的分析不同的工艺参数对变形的影响，本文应用DEFORM-3D 软件对锻件成形过程进行有限元分析及数值模拟计算。
基于此软件平台，模拟分析在热镦粗过程中热变形温度、变形速率对锻件内部的等效应变，等效应力，温度场及金属流动速度的影响，分析模拟过程中对工件变形的影响。
结果表明，变形初始温度、变形速率均对变形产生影响，但是温度的影响更显著。
在镦粗过程中，由于应力变化不均匀，会导致工件产生鼓型。
关键词：有限元 DEFORM-3D 等效应力等效应变鼓形目录1 引言 (3)2 有限元理论简介 (3)2.1 有限元的应用情况 (3)2.2 刚塑性有限元法的理论计算 (5)2.2.1 刚塑性有限元法基本方程 (5)2.2.2刚塑性有限元法变分原理 (6)2.3 DEFORM软件的介绍及应用情况［9］ (7)2.3.1 Deform软件的模块结构 (8)2.3.2 Deform软件的功能 (9)3 基于DEFORM-3D的矩形坯料镦粗的模拟分析 (10)3.1 本节主要内容 (10)3.2网格的划分［10］ (10)3.3 温度场的定义 (11)3.4 摩擦因子的分析 (11)3.5 材料的选取 (11)3.6 模锻工艺数值模拟方案［11］-［14］ (11)3.6.1 变形速度对锻件成形的影响 (12)3.6.2 变形温度对锻件成形的影响 (14)3.6.3 变形温度对金属流动的影响 (16)3.6.4 不同下压量对工件变形的影响［15］ (17)4 结论 (20)谢辞 (21)参考文献 (22)1 引言锻造工艺因为有细化工件晶粒和提高工件强度的优点，所以广泛应用于工业生产。
镦粗的目的主要有以下几种［1］-［2］：⑴由横截面积较小的坯料得到横截面积较大而高度较小的锻件；⑵冲孔前增大坯料横截面积和平整坯料端面；⑶提高下一步拔长时的锻造比；⑷提高锻件的力学性能和减少力学性能的各向异性；⑸破碎合金工具钢中的碳化物，并使其均匀分布；因而对该工艺过程的组织模拟和变形模拟引起越来越多研究者的兴趣。
带轮淬火过程的有限元分析(毕业设计说明书论文模板)
带轮淬火过程的有限元分析摘要【为分析带轮淬火过程中的各场量变化情况，利用ANSYS的热分析功能对带轮进行瞬态热传递分析。
以采用实体单元离散带轮模型及设定时间历程变量的方法来研究锻造带轮在终锻后进行淬火的过程，分析其表面到中心各个部分的温度变化。
】关键词：淬火，数值模拟，有限元法，热分析Belt wheel quenching process based on finite element analysisABSTRACT【Analysis of quenching process for belt wheel in the field variation, The use of ANSYS thermal analysis function of belt wheel for transient heat transfer analysis. By using the solid element discrete belt wheel model and setting the time history variable approach to the study of forging belt wheel in the end after forging quenching process. Analysis of the surface to the center of the various parts of the temperature change.】KEY WORDS: Quench，Numerical simulation，The finite element method，Thermal analysis目录前言 (1)第1章问题描述 (3)1.1 设置带轮初始条件 (3)第2章问题的分析 (5)2.1 瞬态热分析 (5)2.2 分析模型的选择 (5)2.3求解的问题 (6)第3章带轮瞬态热分析的求解过程 (7)3.1 建立工作文件名和工作标题 (7)3.2 定义单元类型 (7)3.3 定义材料性能参数 (8)3.4创建几何模型、划分网络 (9)3.5加载求解 (20)3.6查看求解结果 (23)第四章命令流文件 (36)第五章实验结论 (42)谢辞 (43)参考文献 (44)附录 (46)外文资料翻译 (47)前言【有限元法是以电子计算机为手段的“电算”方法，它以大型问题为对象，未知的个数可以成千上万，因而为解决复杂的力学问题提供了一个有效的工具并被广泛应用于分析其他各种问题，尤其是热分析中的场问题，甚至成了该领域主要的分析方法。
金属切削有限元模拟
K52 K62
K53 K63
K54 K64
K55 K65
K56 K66
5 6
Py1
1
Py3
a
Px2 2 ① 1
3
Px3
a
③3
②2
④4
4a
5
6
a
四单元六节点的结构
整体刚度矩阵中的子块应该是相关单元的单元刚度矩阵相应 的子块的迭加。如果两节点不相关，则它们在整体刚度矩阵 中的子块为零。
+bi
x+ci
y）ui
+（a j
+bj
x+c j
y）u j
（am +bm x+cm
y）um
（4）
令： Ni 21（ai +bi x+ci y)
则得：u Niui N ju j Nmum Ni i N j j Nm m （5),(6)
简写成 f Ne
单元号 节点号
k e
①
1, 2,3 k11 k12 k13 k21 k22 k23 k31 k32 k33
②
2, 4,5 k22 k24 k25 k42 k44 k45 k52 k54 k55
③
2, 5, 3 k22 k25 k23 k52 k55 k53 k32 k35 k33
④
3,5, 6 k35 k35 k36 k53 k55 k56 k63 k65 k66
②+③ ③+④
② ②+③+④
④
5
k52
k53
k54
k55
k56
淬硬钢材料高速切削过程的有限元仿真
淬硬钢材料高速切削过程的有限元仿真摘要院基于对切削原理的深入研究，建立了金属切削过程的热力耦合有限元模型。
基于DEFORM-3D 软件平台，模拟了金属切削加工过程，得到了刀具和工件上的等效应变、温度场、刀具磨损的分布规律，仿真结果同实验对比分析误差在10%以内。
Abstract: In this paper, the finite element models of metal cutting were first discussed systemically, based on metal cutting theroy.Based on the platform of finite element software DEFORM-3D, the processes of metal cutting were simulated and the laws of distributiondisclosed for equivalent strain field, temperature field and toolwear were got. The error of the prediction is about 10%. The model has beenvalidated by simulation results to be reliable.关键词院有限元法；切屑成形仿真；材料模型；仿真预测Key words: FEM；chip formation simulation；material model；simulation prediction中图分类号院TG506.1 文献标识码院A 文章编号院1006-4311（2014）10-0028-020引言高速加工（High Speed Machining，HSM）技术是一项先进的、具有广阔应用前景的制造工艺。
高速切削作为一种先进切削加工技术，近几年在航空、汽车、电子、模具等制造业中显示出明显的技术优势，受到国内外越来越广泛的关注[1]。
切削过程的有限元模拟
重新划分的判据
（1）几何判据，如边长，内角角度范围； （2）拓扑关系，工件与刀具接触面的接触穿透量； （3）物理判据，如单元体积变化量、等效塑性应变。
重新划分方法（1）特征法；（2）网格细化（3）网格 粗化。
接触穿透现象如图示，由于计算中所用的是节点参数， 穿透往往发生在积分点处，可以通过判定接触穿透量判 定是否需要重构网格
切削中的有限元应用
切削有限元模型的建立（几何模型、材料
模型、摩擦模型、传热模型、刀具磨损模 型）
切削过程的有限元分析（网格自适应划分、
切屑分离准则）
一、几何模型
最为常用的二维正交切削，两大假设：
1、平面应变状态假设：当切削宽度大于等于5倍进给量 时，将模型看成平面应变状态，在二维空间中研究切削 现象。 2、刚体假设：由于刀具相对于材料的弹性模量通常比 较大，在加工过程中相对于材料的大塑性变形，刀具的 变形可以忽略不计，因而将刀具看作刚体
2 2 0 0 F1 EA 2 3 1 u P 2 L 0 F 0 1 1 3
可解出F1,F3,u2,进而得出应力值。 可验证结果与传统求解方法结果一致。
一、从以上分析步骤看有限元： 有限元分析（finite element analysis，FEA）将连 续体离散成有限个微小单元，利用数学方法对真实 物理系统进行模拟，求解出满足总的约束条件的每 个微小单元的解，对其进行综合、累积获得整体问 题的解。 二、步骤：确定求解域物理性质与几何区域——理 想化、离散化——建立位移函数与形状函数——得 出单元力学特性——建立结构平衡方程——求解计 算——结果的解释分析
用矩阵表示如下：
金属切削过程有限元仿真技术
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书中，作者还借助Abaqus软件对典型仿真案例进行了详细介绍，包括刀具的 磨损、切削过程的控制以及金属车削和铣削过程的仿真分析等。这些案例让我了 解到有限元仿真技术在解决实际问题中的强大作用，也让我对金属切削过程有了 更直观的理解。
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值得一提的是，本书最后对不同仿真软件的研究结果进行了特性对比，帮助 我认识到各种仿真软件的优缺点，为我在未来的学习和实践中选择合适的工具提 供了宝贵的参考。
目录分析
接下来，本书的第2章到第7章，详细介绍了切削过程有限元仿真的关键技术。 这些技术包括有限元模型的建立、材料本构模型的选取、边界条件的处理、切削 过程的动态仿真等。这些章节不仅提供了详尽的理论知识，也给出了具体的实例， 使读者能够更好地理解和掌握这些关键技术。
目录分析
在第8章和第9章，本书分别对金属车削和铣削过程进行了仿真分析。这两章 的内容是本书的核心，它们详细阐述了如何使用有限元方法对金属切削过程进行 模拟，并给出了具体的仿真结果和分析。这些章节的内容对于理解金属切削过程 的有限元仿真具有非常重要的意义。
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《金属切削过程有限元仿真技术》——深化对机械制造工艺的理解 在我阅读《金属切削过程有限元仿真技术》这本书的过程中，我深深地被书 中深入浅出的理论知识和丰富的实际应用案例所吸引。这本书不仅为我揭示了金 属切削过程的奥秘，也让我对有限元仿真技术在机械制造领域的应用有了更深入 的认识。
内容摘要
这个模型可以用来预测切削过程中的各种现象，如切屑的形成，切削力的变化，以及工件的变形 等。 本书通过大量的实例展示了如何利用有限元模型对切削过程进行优化。这些实例包括如何优化刀 具设计，如何调整切削参数以改善加工质量，以及如何预测和避免加工过程中可能出现的问题等。 《金属切削过程有限元仿真技术》这本书是一本关于如何利用有限元方法模拟和优化金属切削过 程的实用指南。这本书对于从事机械制造、材料科学、力学等领域的研究者和工程师来说，是一 本非常有价值的参考书籍。
淬硬45钢高速切削的三维有限元模拟研究
淬硬45钢高速切削的三维有限元模拟研究作者：李艳慧来源：《科技创新与生产力》 2017年第5期李艳慧（山西冶金技师学院，山西太原 030003）摘要：应用有限元仿真技术与工程模拟有限元软件ABAQUS，研究了高速切削加工过程中产生的锯齿状切屑的形成过程，通过建立几何模型与材料模型、划分网格、确定切屑分离准则与材料失效准则、设定边界条件等步骤，建立了淬硬45钢（45HRC）高速切削过程三维有限元模拟仿真模型，分析了切削参数对淬硬45钢高速切削中锯齿形切屑的影响，指出模拟结果与实验结果分析相符合，说明此次锯齿形切屑三维有限元模拟符合实际切削情况，并得出以下结论：随着刀具前角的不断减小，或随着切削厚度的不断增大，锯齿形切屑的锯齿越来越明显。
关键词：三维有限元；有限元模拟；有限元仿真；高速切削；锯齿形切屑；淬硬45钢中图分类号：TG506文献标志码：ADOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2017.05.098高速切削加工正在日渐成为切削加工领域研究与应用的主流方向，它的全新观念使传统的切削理论被重新认识。
1淬硬45钢（45HRC）高速切削过程有限元建模1.1几何模型与材料模型的建立高速切削有限元模拟的几何模型就是刀具和工件几何形状的转化和简化，对于直角高速切削过程，建立几何模型。
三维几何模型的建立过程包括以下4个步骤：一是工件的选择；二是刀具的选择；三是压板的选择；四是装配模型。
如何建立更加完善的切削模型，既是有限元模拟分析的关键所在，也是今后研究的重点所在。
在模型中设置的有限元网格划分疏密程度与控制步长大小都会影响模拟结果。
如何更好地设置这些参数，有待进一步研究。
材料本构模型是用来描述材料的力学性质，表征材料变形过程中动态响应的模型。
目前，已有多种本构模型来描述金属材料的动态响应，该实验主要采用经验型本构关系模型之一Johnson-Cook模型。
在切削过程中，工件在高温、大应变条件下发生弹塑性变形，被切削材料在刀具的作用下变成切屑时的时间很短，而且被切削层中各处的应变、应变速率和温度并不均匀分布且梯度变化很大。
高速切削AISI4340钢的切削力有限元分析_李明
图 2 断屑形成过程
211 切削速度对切削力的影响 取刀具前角为 - 5b, 背吃刀量 ap = 0125mm。图 3
显示了 v= 2m / s和 50m / s不同切削速度下的动态主 切削力 F c、平均力 和断屑形成位 置。从图 3 中可看 出, 在切削长度为 415mm 的范围内, 随着切削速度的 提高, 平均力减小, 断屑个数减少。考虑 到切削速度 的原因, 断屑频率增加, 引起的动态切削力频率也增 加。在切削速度 v= 2~ 50m / s的范围内, 切削力主频 率在 4116 @ 103 ~ 51564 @ 104H z范围内有大幅度的变 化。断屑时对 应的切 削力一 般达到 最小, 由于 断屑 时, 切屑与刀具还保持一定的接触长度, 其值并不 为零。
0 引言
与传统切削加工相比, 高速切削在许多方面存在 不同的特征, 其中切削力存在显著的不同。过去一般 用试验的方法进行切削研究。由于试验设备、时间、 材料和人力的限制, 人们开始采用其他的研究方法, 其中有限元仿真是主要的方法。早期的有限元切削 仿真主要集中在连续切屑的形成。由于高速切削的 试验费用高, 试验困难, 有些切削特性也无法从试验 获得, 因此, 人们开始采用有限元仿真高速切削 [ 1 ] , 获 得切削过程中更详细的数据。金属切削是一个高度 非线性、热力耦合的动力学问 题, 分析非常 困难。随 着计算机技术的发展和非 线性有限元商业软件仿真 能力的提高, 人们开始借助商业有限元软件分析切削 过程, 其中, ABAQUS商业软件因其强大的非线性有限
图 3 不同切削速度下的 F c 及断屑形成位置
212 刀具前角对切削力的影响 取切削速度 v= 1617m / s, 背吃刀量 ap = 0125mm。
图 4显示了刀具前角为 - 15b和 - 25b时, 不同刀具前 角下的动态主切削力 Fc、平均力和断屑形成位置。图 4显示负 前角 越大, 断 屑数 目越 少。在 刀 具前 角为
PCBN刀具高速切削淬硬钢材料的研究
PCBN刀具高速切削淬硬钢材料的研究发布时间：2021-07-26T10:21:10.740Z 来源：《科学与技术》2021年9期作者：刘小琳[导读] 在当今机械制造业高新技术发展带动下，机械加工得到了快速发展，刘小琳电子工业出版社有限公司北京 100036摘要：在当今机械制造业高新技术发展带动下，机械加工得到了快速发展，而刀具对于机械加工的精度、柔性等都有着直接影响，对刀具材料进行合理的选择，能够将机械加工设备的性能最大限度的发挥出来。
因此，在进行高速切削加工的过程中，技术人员需要依照不同的加工材料和切削条件，选择不同的刀具材料，以实现最佳的切削效果。
关键词：ＰＣＢＮ刀具；切削；淬硬钢；磨损引言硬质合金刀具和高速钢刀具现已被广泛应用于工业生产领域。
随着科学技术的进步，现代制造业迅速发展，同时也对刀具材料的切削性能、力学性能提出了更高要求。
深冷处理技术作为特殊的热处理技术，是传统热处理技术的延伸，即在传统热处理基础上进行第二次材料表面改性处理，是刀具材料经热处理后性能再提升的辅助手段。
经深冷处理的刀具，其力学性能和使用寿命均得到较大提高，并可有效改善加工工件产品的切削加工质量和尺寸精度。
1高速切削加工概述高速切削是利用数控机床进行金属加工的一种方式，与传统切削加工相同，但是因为采用了数控控制的方式，刀具速度和进给率更快，不过也会导致切削厚度降低。
高速切削加工具有非常明显的优点，进给速率可以达到传统切削加工的5－10倍，能够节约30%左右的时间，可以实现对于薄壁零件的有效加工，而且较高的表面精度避免了后续精磨作业。
高速切削加工中，切削的速度甚至会超过热传导速度，这也使得大部分产生的热量都会停留在切屑上，避免了工件的受热翘曲问题。
当然，高速切削加工也存在一定的缺陷，一是产生的切屑飞行速度快，安全隐患较大，需要做好相应的防护工作;二是刀具磨损严重，使用寿命会有所降低;三是如果刀具缺乏平衡，将会产生严重的负面影响，因此需要对主轴和刀具进行定期更换。
SDC99钢淬火过程中应力和组织演变的有限元模拟
SDC99钢淬火过程中应力和组织演变的有限元模拟汤磊磊;黎军顽;吴晓春【摘要】为了研究钢铁材料在淬火过程中内部组织和应力的变化，以自主研发的SDC99钢为研究对象，考虑相变潜热的影响，采用有限元方法对偏心圆环的淬火过程进行模拟仿真，并对淬火过程中模型的温度场、应力场和组织场的变化进行分析和研究。
结果表明：经实验测定淬火过程中温度场及残余应力的分布与模拟结果吻合较好，偏心圆环上最大残余应力出现在45°及315°位置；模型硬度的分布与其马氏体含量分布趋势一致，模拟的硬度值略小于实测值。
%For the purpose of researching microstructure and residual stress changing process in quenching of metal material, taking a new developed steel SDC99 as the research object, FEM method is used to simulate the quenching process of eccentric circular model considering the influence of latent heat. Furthermore, the evolution of temperature field, stress field and phase field of the model during the quenching process are explored and evaluated in detail. Experimental results show that both the temperature field and the residual stress distribution obtained from numerical simulation fit well with the experimental value. The maximum residual stresses of the eccentric circular are at the locations with angles of 45° and 315°. The hardness distribution is consistent with th e distribution of martensite, while the hardness value obtained from simulation is slightly less than the measured one.【期刊名称】《材料科学与工艺》【年(卷),期】2014(000)002【总页数】6页(P75-80)【关键词】淬火;有限元模拟;相变潜热;偏心圆环;残余应力【作者】汤磊磊;黎军顽;吴晓春【作者单位】上海大学材料科学与工程学院，上海200072;上海大学材料科学与工程学院，上海200072;上海大学材料科学与工程学院，上海200072【正文语种】中文【中图分类】TG156.34淬火作为金属材料的一种重要热处理手段，在提高产品内在质量、提升产品使用性能和可靠性方面发挥着极其重要的作用.淬火过程本身是一个比较复杂的过程，其温度场的变化非常剧烈，用传统方法研究非常困难.随着计算机技术的进步以及相关学科理论的发展完善，热处理的有限元模拟技术日益成熟，并逐渐成为一种可靠而高效的分析方法，越来越多的研究者开始用有限元方法对热处理过程进行研究.上海交通大学潘健生教授及其课题组［1-2］用有限元方法对淬火过程及渗碳过程进行了深入研究，王国栋等［3］利用有限差分法对22CrMo钢圆柱试样渗碳及淬火过程进行了数值模拟，分析了渗碳过程对淬火过程组织和应力变化的影响，计算值与测量值相吻合.其他研究人员［4-6］也对淬火过程中温度场、应力场和组织场的变化进行了研究.由于淬火过程中多场耦合的复杂性以及缺乏相关的材料参数，以往的研究主要建立在圆柱体、立方体等简单模型的基础上，且往往都忽略了相变潜热的影响.周志方等［7］对偏心圆环模型淬火过程中组织转变和变形进行了研究，但没有分析淬火过程中残余应力的变化，因此要全面分析淬火过程，仍有许多问题有待深入研究.本文以偏心圆环为实验模型，综合考虑相变潜热的影响，对SDC99钢淬火过程进行有限元模拟，通过实验与模拟结果对比验证模拟的可靠性，并分析其淬火过程中应力和组织场的变化.1 数值模型淬火过程是一个复杂的多场耦合过程，各个场之间的影响关系如图1所示，实线部分为本文考虑的影响因素，虚线部分是本文忽略的影响因素.由图1可以看出，淬火过程中各个场之间相互影响，由于本次淬火实验所产生的应变非常小，可以忽略由变形产生的热量对温度场的影响.关于应力诱发相变，虽然已经有不少学者做过相关的研究，可是至今仍没有一个公认的数学模型［8］，而且在实际的淬火过程中应力诱发相变对组织转变的影响通常可以忽略，因此本文不考虑应力诱发相变的影响.材料在整个淬火过程中，其化学成分可认为不变，所以其对各场的影响也可忽略不计.图1 淬火过程中各个场的相互作用关系1.1 温度场非稳态条件下，并且内部具有热源时，傅里叶导热微分方程［9-11］见式(1):式中:λ为热导率;ρ为密度，kg/m3;θ为温度，℃;cp为定压比热容，J/(kg·℃);qν为内热源强度，W/m2，本文将相变潜热以内热源的形式输入温度场，因此qν即相变潜热.根据文献［12］得到各相相变潜热与温度关系如式(2):式中:ΔHF、ΔHP-B、ΔHM 分别为铁素体、珠光体-贝氏体、马氏体的相变潜热，单位为J/cm3.本文采用的初始化温度为SDC99钢的奥氏体化加热温度θ=1 040℃，边界条件为式中:h是材料表面的换热系数，θq为淬火介质的温度.1.2 应力/应变场本文采用的应力应变模型［13］如式(4):式中:是材料的流变应力;ε-是等效塑性应变;θ是温度;A是原子浓度;Y是初始屈服应力;H是应变硬化模型;Y和H都是温度和原子浓度的函数.对于淬火过程，材料的全应变增量包括弹性应变增量、塑性应变增量、热应变增量、相变引起的应变增量和相变塑性引起的应变增量，所以总的应变增量可以描述为几种应变增量的合成［13］，如式(5):式中分别表示由弹性、塑性、热、相变、相变塑性引起的应变增量.1.3 组织场本次淬火模拟的初始组织为完全的奥氏体，淬火过程中各相的体积分数分别如式(6)、(7)所示［7］:式中:ξA、ξM分别为奥氏体和马氏体的体积分数;θ是温度;Ac1、Ac3分别是奥氏体化的开始温度和完全奥氏体化温度;σm是主应力是有效应力;ω0、ω分别为材料初始碳质量分数和最终碳质量分数;A、D、ψ1、ψ2、ψ31、ψ32为常数，可以由膨胀曲线以及TTT曲线得到［14］.2 实验和建模2.1 材料性能和淬火工艺本次研究所使用的SDC99钢是本课题组在传统的冷作模具钢Cr12MoV基础上进行成分设计和优化后自行设计的，其成分如表1所示.表1 SDC99钢成分(质量分数/%)SDC99钢泊松比为0.29，Ac1点819℃，Ac3点904℃，马氏体转变开始温度Ms为220℃，马氏体转变终了温度Mf为-30℃，其他材料性能参数如表2所示.其中:λM为马氏体热导率;Cp为马氏体热容;E1为马氏体弹性模量;λA奥氏体热导率;CA为奥氏体热容;E2为奥氏体弹性模量;h为表面换热系数.表2 SDC99钢热物性参数及换热系数偏心圆环模型如图2所示.实验的淬火工艺是先将模型随炉升温至820℃，保温10 min后随炉升至1 040℃，在1 040℃保温30 min后进行油淬［15］.图2 偏心圆环模型示意图实验用镍铬-镍硅热电偶对温度进行测定，其测温范围在-200～1 200℃，温度采集装置用的是日本图记生产的GL820型温度记录仪，其温度采集间隔为1s;残余应力测定装置用的是X-350A45170型X射线应力测定仪，其测量精度为±25 MPa;硬度测定用的是HD9-45洛维光学表面硬度计.2.2 网格划分模拟以偏心孔圆环的1/2建模，对三维模型划分网格进行计算，共46 306个节点，214 985个单元.由于淬火过程中温度变化剧烈，尤其是与淬火液直接接触的表面，画网格时对偏心圆环的内外表面进行了细化，如图3所示.图3 偏心圆环三维网格示意图3 结果和讨论3.1 淬火过程中温度场的变化对零件的整个淬火过程进行模拟，分析其温度场的变化，并将模拟结果与实际测温结果进行对比，热电偶的安装位置在图4中的P处，测温结果如图4(b)所示.淬火过程中前80 s内模型与淬火液换热剧烈，其温度迅速降低，100 s后冷却速度逐渐变缓直至模型温度与淬火液温度一致.在实际测温过程中，由于淬火液在与模型换热过程中吸热温度有所升高，而在模拟过程中淬火液的温度设定为一定值，导致稳定后最终的模型温度的实测值略高于模拟值.由图4可以看出，模拟值与实测值存在一定差距，但两条曲线的变化趋势基本相同，而且误差在可接受范围内，可以认为模拟过程较为准确地反映了实际淬火过程中温度场的变化，考虑相变潜热后的模型能很好地对工件的淬火过程进行模拟.图4 零件测温点位置及实测温度与模拟温度的对比3.2 残余应力的分布在模型上表面的不同位置选取不同的点，用X射线应力仪测定这些点在淬火后的残余应力，并与模拟值进行对比，残余应力测定点的位置分布如图5(a)所示，其中α为测定点与圆心连线与水平坐标系所成角度，测量点选取线段AB的中点.在淬火后的偏心圆环上表面不同位置处选取9个点测定其残余应力的大小，每个点测定3次求平均值记为该点的残余应力值.模拟结果与实际测定结果如图5(b)所示. 由图5(b)中曲线可以看出:随着α的增大，残余应力值呈先增加后减小的趋势，最大残余应力出现在与水平坐标系呈45°的位置，此时实测的最大残余应力为520 MPa，模拟值为482 MPa;最小残余应力出现在0°和135°处，实测值与模拟值基本吻合，其值约为230 MPa，考虑到模型的对称性，最大残余应力出现在45°及315°位置，最小残余应力值出现在0°、135°及225°位置.从图5可以看出，虽然实际测定结果与模拟结果有一定偏差，但考虑到仪器本身的测量精度和人为操作引入的误差，可认为模拟值与实测基本吻合.因此对于该偏心圆环模型，采用的残余应力模型能够较为准确地预测淬火过程中残余应力的分布.图5 残余应力测试点分布示意图以及模拟和实测的残余应力分布曲线3.3 硬度分布图4给出了实验的硬度测定方向，在高度h方向和厚度d方向分别测定淬火后试样的硬度分布，其实验测定值与模拟值曲线分别如图6(a)和(c)所示.模型在淬火过程中不仅其组织发生了转变，还伴随着碳化物的析出，而本次研究的理论模型并未将析出碳化物的影响考虑在内，因此理论模型还有许多地方有待完善.从图6(a)～(d)对比中可以看出:虽然h方向和d方向的硬度分布模拟值略小于实测值，但是它与表面到内部马氏体含量的分布趋势一样;d方向上最表层中马氏体质量分数为91.4%，从表层到心部逐渐降低，在离表面16 mm的地方质量分数仅为84.2%达最小值，在接近偏心环内孔的地方马氏体质量分数又逐渐升高到86.1%.造成这种现象的原因是模型的表面直接与淬火液接触，过冷度较大，冷速也较大，因此奥氏体向马氏体的转变较为完全.随着与表面距离的增加，冷速逐渐降低，马氏体含量下降，而模型内环表面也与淬火液直接接触，冷速较大，因此d方向上马氏体含量降到一个最小值后又开始升高，硬度的分布与其马氏体分布大致相同，呈先降低后升高趋势;h方向上最表层马氏体质量分数为85.3%，由表层到心部呈下降趋势，直到接近心部的82.7%达最小值，其原因与d方向上的一致，淬硬性从模型表面到内部逐渐降低.在距表层5 mm处，马氏体含量有一个迅速降低的趋势，而在硬度分布图上观察不到此现象，可能是由于硬度取样点没有覆盖该区域引起，但是从整体上看硬度的分布与模拟得到的马氏体含量分布曲线大致相同.图6 偏心圆环模型硬度及马氏体含量分布曲线从图4中可以看出，h方向厚度80 mm，d方向厚度仅为24 mm，在淬火过程中d方向上整个偏心圆环的外圆面及内孔面均与淬火液直接接触，换热快、冷速高，而h方向上仅仅有两个端面与淬火液进行换热，因此其传热相对较慢，冷速比前者小，由此可以解释d方向上的最高马氏体含量比h方向的偏高.从整体上看，模拟结果较好地反应了淬火过程中组织的含量和分布，在后续的研究过程中应该建立更为完善的有限元模型，综合考虑各种影响因素，对工件淬火过程进行更为准确的模拟.4 结论1)考虑相变潜热后的温度模型准确的反应了淬火过程温度场的变化，模拟值与实测值基本吻合，本实验所建模型能准确地对淬火过程进行模拟研究.2)随着α的增大，偏心圆环上表面上残余应力值呈先增加后减小的趋势，考虑到模型的对称性，最大残余应力值出现在与水平坐标系呈45°及315°位置，最小残余应力出现在0°、135°及225°位置.3)偏心圆环模型淬火后硬度从表层到心部逐渐降低，马氏体含量从表层到心部也相应减少.d方向上最高马氏体质量分数为91.4%，最小马氏体质量分数为84.2%;h 方向上最高马氏体质量分数为85.3%，最小马氏体质量分数为82.7%.由于理论模型未将碳化物的影响考虑在内，模拟的硬度值略小于实测的硬度值，但整体上能较为准确地预测其硬度和淬火组织的分布.参考文献:［1］潘健生，胡明娟，田东，等.45钢淬火三维瞬态温度场与相变的计算机模拟［J］.材料热加工工艺，1998(1):9-12.PAN Jiansheng，HU Mingjuan，TIAN Dong，et puter simulation of 3-D temperature fields and phase transformation in the quenching process of 45 steel［J］.Hot working technology，1998(1):9-12.［2］潘健生，胡明娟.计算机模拟与热处理智能化［J］.金属热处理，1998(7):21-23.PAN Jiansheng，HU Mingjuan. 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XXXX大学毕业论文论文题目：淬硬钢材料高速切削过程的有限元仿真学院：机械与车辆工程学院专业：机械工程与自动化学生姓名：指导教师： ___摘要在金属切削加工中，对切削过程的研究有着重要的意义。
已有的研究表明，数值方法是研究切削加工过程的一种有效手段。
为此，本文采用三维热力耦合有限元模拟技术，对金属切削过程进行了系统的研究。
本文首先系统分析了金属切削过程的有限元建模理论，建立了金属切削三维热力耦合刚粘塑性有限元模型，确定了材料模型、切屑分离准则、网格划分、接触摩擦模型、磨损模型和边界条件等。
基于 DEFORM-3D 软件平台，成功地模拟了金属切削加工过程。
揭示了等效应变、温度场、刀具磨损的分布规律。
模拟结果表明该模型是可靠的。
研究揭示了主要工艺参数对切屑变形、切削力、切削温度、刀具磨损的影响规律。
通过与理论分析的比较，验证了数值模拟的可行性，为工艺参数优化、切削质量控制及刀具设计提供了依据。
关键词：切削,三维数值模拟,刚粘塑性有限元，热力耦合A B S T R A C TIn the field of metal cutting, it has an important significance to the investigation of the cutting process. The existed researches show that it is effective to investigate cutting process using numerical method. Therefore, in this paper, a systematic investigation on metal cutting process has been carried out using 3D coupled thermal-mechanical FEM numerical simulation.In this paper, the finite element models of metal cutting were first discussed systemically. A 3D finite element model under coupled thermo-mechanical effects of metal cutting has been developed based on rigid-viscoplastic FEM, and some key technologies have been confirmed, including material model, chip separation criteria, meshing, the contact friction model, abrasion model, contact boundary, etc. Based on the platform of finite element software DEFORM-3D, the processes of metal cutting were simulated successfully. The laws of distribution have been disclosed for equivalent strain field, temperature field and tool wear. The model has been validated by simulation results to be reliable.The influence of main process parameters on chip distortion, cutting force, cutting temperature and tool wear have been disclosed. By comparing with the theoretical analysis, the feasibility of the numerical simulation was validated, the obtained results may provide a guide to optimizations of process parameters, control of the cutting quality and tool design.KEY WORDS: Machining, Three dimensional numerical simulation, rigid- viscoplastic FEM,thermal-mechanical第1章绪论 (5)1.1引言 (5)1.2国内外研究综述 (5)1.2.1发展情况 (5)1.2.2有限元分析法研究高速切削 (6)1.3关于Deform-3D软件的介绍 (6)1.4淬硬钢高速切削的特点 (7)1.5难加工材料高速切削的展望 (7)1.6本文研究的主要内容 (7)第2章金属高速切削理论 (9)2.1金属切削基本理论 (9)2.1.1金属切削变形理论 (9)2.1.2热力耦合理论 (9)2.2车削过程分析 (9)2.2.1车削过程的塑性变形 (9)2.2.2切削力 (10)2.3高速金属切削的切削温度 (12)第3章金属切削过程仿真的有限元基础理论 (13)3.1有限单元分析方法概述 (13)3.2金属塑性成形有限元概述 (15)3.2.1弹（粘）塑性有限元法 (15)3.2.2刚（粘）塑性有限元法 (16)第4章淬硬钢34CrNiMo6的三维有限元模型建立 (17)4.1Deform-3D的建模理论 (17)4.1.1Deform仿真的顺序 (17)4.2刀具的模型建立 (18)4.3工件的本构关系 (18)4.3.134CrNiMo6的本构关系 (19)4.4刀具与工件的网格划分 (20)4.5摩擦模型的建立及接触问题的处理 (22)4.5.1摩擦模型的建立 (22)4.5.2接触问题的处理 (22)4.6刀具磨损模型 (23)4.7热力耦合分析技术及传热边界条件 (24)第5章34CrNiMo6的切削实验 (25)5.134CrNiMo6的材料属性 (25)5.2刀具的材料属性 (26)5.3车削的实验数据 (26)5.3.1各组切削实验数据 (26)5.4车削实验与仿真结果的试验验证 (28)第6章切削模型计算结果及分析 (30)6.1切削过程的模拟结果 (30)6.1.1切屑的形成过程 (30)6.1.2主切削力的提取 (31)6.1.3切削应力分布 (33)6.1.4切削应变的分布 (33)6.1.5温度的分布 (34)6.2切削参数对主切削力的影响 (34)6.2.1不同切削速度对主切削力的影响 (34)6.2.2进给量对主切削力的影响 (35)6.2.3背吃刀量对主切削力的影响 (35)第7章结论 (38)参考文献 (40)致谢 (41)第1章绪论1.1引言高速加工（High Speed Machining，HSM）技术是一项先进的，具有广阔应用前景的制造工艺。
经过长达60年的技术革新，高速切削加工从基础理论发展到应用于生产实际当中，大致经历了设想和理论探索、切削机理和理论的研究、应用探索、应用和逐渐成熟五个阶段。
高速切削作为一种先进切削加工技术, 近几年在航空、汽车、电子、模具等制造业中显示出明显的技术优势, 受到国内外越来越广泛的关注。
针对切削过程中各影响因素建立一个综合的数学力学模型, 就是对切削过程进行全面分析、从而预测不同切削条件下的切削状况。
近年来, 随着计算机性能和运算速度的迅速提高, 有限元法不但自身日趋完备, 而且在与其他技术相结合方面也取得了较大的进展, 与直接实验方法相比, 该方法费用低, 耗时短,在考虑多因素时其优势尤为显著, 同时, 随着计算机运算和视觉技术的发展, 也必将促进虚拟加工的进一步发展。
采用的模拟方法可以部分的取代实验研究，拓展了有限元理论的应用范围，促进了硬态切削机理的研究。
基于工艺的有限元法( FEM ) 广泛应用于高速加工过程, 以实现刀具切削力、应力和温度分布、刀具磨损和残余应力等的模拟分析, 刀具切削模型和切削条件等因素的优化。
在切削加工领域, 对大部分的工件材料而言, 其流动应力和摩擦特性的获得是很困难的。
工件材料初始阶段的塑性变形或流动中产生的流动应力和瞬时屈服强度主要受温度、应力和应变等因素的影响。
在高速切削加工中, 确定精确可靠的流动应力模型成为研究工件材料加工特性的首要工作。
1.2国内外研究综述1.2.1发展情况“高速切削”的概念首先是由德国的Salomon博士提出的, 并于1931 年4 月发表了著名的切削速度与切削温度的理论。
此后, 高速切削技术经过20 世纪50 年代的机理与可行性研究, 70 年代的工艺技术研究, 80 年代全面系统的高速切削技术研究,到90 年代初, 高速切削技术开始进入实用化, 到90 年代后期, 商品化高速切削机床大量涌现, 21 世纪初, 高速切削技术在工业发达国家得到普遍应用, 正成为切削加工的主流技术。
1.2.2有限元分析法研究高速切削目前，有限元分析方法在发达国家得到了广泛的应用，国内有限元分析方法的应用领域也在不断的扩展。
利用有限元原理来评估刀具涂层，切削环境及切屑形成对切削力和切削温度影响规律的研究一直都在进行。
这在研究切削工艺参数及切屑成形机理方面有着不可替代的作用。
最早采用有限元法研究切削加工的是Zienkiewicz（辛柯维奇）和Kakino（垣野）。
Zienkiewicz 于1971年采用预先给定切屑形状然后加载刀具的方法，分析了在刀具加载过程中工件材料发生塑性屈服的区域沿主剪切平面的扩张情况。
1976年Shirakashi（白樫）和Usui（薄井）对上述模型进行了改进，考虑了刀屑之间的摩擦以及工件材料流动应力受应变、应变速率和温度影响的特性。
他们采用反复调整切屑形状，直至在某种切屑形状下产生的塑性流动跟预先设定的取得一致，以此来获得切屑的形状。
他们采用的这种迭代收敛法(Iterative Convergence Method)取得了成功，并在后续的研究中得到了应用和进一步的发展。
20世纪80年代中期，Strenkowski（斯坦诺维斯基）和Carrol（卡罗尔）采用基于更新的拉格朗日公式弹塑性模型，并将等效塑性应变准则作为切屑分离准则，由于等效塑性应变值的选择影响了加工表面应力的分布。
Komvopoulos（坎弗普洛斯）和Erpenbeck（埃尔彭贝克）用库仑摩擦定律通过正交切削解析法得到了刀具与切屑之间的法向力和摩擦力。