ABAQUS金属切屑毕业说明书

第1章绪论

1.1引言

切削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、尺寸以及表面光洁度的方法。为了提高切削加工特别是精密和超精密切削的生产效率和加工质量，需要深入研究切削机理、切削加工和切屑形成理论。实际上，切削加工是个很复杂的工艺过程，它不仅涉及到弹性力学、塑性力学、断裂力学，还有热力学、摩擦学等。切削质量受刀具形状、切屑流动、温度分布和刀具磨损等的影响。切削表面的残余应力和残余应变严重影响了工件的精度和疲劳寿命。传统的金属切削过程的研究一般采取解析法，很难对切削机理进行定理的分析和研究。而切削操作人员和刀具制造商往往都是利用试验法，如侧面方格变形观测法、高速摄影法、快速落刀法、扫描电镜显微观察法、光弹性（光塑性）法以及Ｘ射线法等来获耿一些经验值，但这种方法往往耗时、耗力，试验成本高，在一定程度上阻碍了切削技术的发展。

随着计算机技术的飞速发展，出现了一门新型的学科一数值模拟技术。工程上也称之为虚拟技术。通过这项技术，可对许多工程中的实际问题进行数值仿真，从而加快了设计的速度，提高了设计的可靠性。数值模拟技术的发展，离不开不断发展的数值模拟方法，工程技术中常用的数值模拟方法有：有限元法、边界元法、离散单元法和有限差分法，就其实用性和应用的广泛性而言，有限元法是最常用的。

数值模拟技术在切削加工领域也得到了广泛的应用。近年来，数值模拟方法特别是有限元方法在切削模拟中的地位越来越明显。有限元方法在切削工艺中的应用表明，切削加工的有限元模拟对了解切削机理，提高切削质量有很大的帮助。

1.2研究背景及国内外研究现状

几十年来，很多工作都致力于金属切削过程的研究。金属切削过程的建模方法已经从最初的简单的剪切平面法发展到更加复杂的有限元方法。在金属切削过程的建模方法中，有限元方法代表着最新的趋势。它利用大变形塑性理论，数值解技术及计算机计算能力的飞速发展，几乎能模拟金属切削过程的各个方面，从而更为细致地揭示了金属切削过程。 1940年，最早研究金属切削机理的是Merchant、Piispanen、Lee]1[和Shaffer等人，他们建立了金属切削的剪切角模型，并确定了剪切角与前角之间的对应关系。此后，大量学者开始将切削过程中的摩擦、高速应变率、加工硬化和切削温度对工件和加工精度的影响考虑到切削的模型中去，这使得对会属切削仿真计算的结果与实际测量数据更加接近，增加了人们对金属切削机理的认识。

1951年Trigger和Chao]2[在分析模型中考虑了加工过程中因塑性变形及摩擦而产生的热的问题；1959年Palmer和Oxley]3[、1961年Oxley等在他们的模型中考虑了构件硬化和应变率对加工过程造成的影响，使材料模型更加合理；1965年Kudo建立了切屑卷曲模型，但这些模型都没有考虑切削热对材料的影响。

有限元方法最早被应用在切削加工的模拟是在70年代，1973年，B.E.Klameckit最先系统地研究了金属切削加工中切屑形成的原理，并用三维有限元模型分析了切屑形成的初始阶段。1978年Usui等用能量方法建立了一个模型，该模型考虑了三维几何条件在加工过程中的影响。

1980年jczoktll在其博士论文中应用有限元法初步分析了切削工艺。

1982年，Usui和Shirakashitl为了建立了稳态的正交切削模型，第一次提出了刀面角、切屑几何形状和流线等概念，预测了应力应变和温度等参数；1984年，Iwata利用等塑性有限元方法分析了在低切削速度、低应变速率下的稳态切削。但是，他们都没有考虑弹性变形，所以没有计算出残余应力。

1985年，Strenkowski和Carrol建立了一个较新的有限元模型，此模型包括一个基于有效塑性应变的切屑分离准则，一些以前被忽略的参数被考虑进有限元模型，如构件、刀具被考虑为弹塑性材料，刀具与切屑之间的摩擦等。

1990年，Stren-kowski和Moon利用Eluer有限元模型研究正交切削，模拟了切屑形状，预测了工件、刀具以及切屑中的温度分布；Usuitl等人首次将低碳钢流动应力假设为应变、应变速率和温度的函数，以此模拟了连续切削中产生的切屑瘤，而且在刀具和切屑接触面上采用库仑摩擦模型，利用正应力、摩擦应力和摩擦系数之间的关系模拟了切削工艺；Komvopoulos和Erpenbeck用弹塑性有限元模型研究了钢质材料正交切削中刀具侧面磨损、积屑瘤及工件中的残余应力等。

1993年，Toshimichi Moriwaki等用刚塑性有限元模型模拟了红铜材料切屑形成，他们还模拟了切削深度在毫米到纳米范围内红铜材料正交切削过程中的温度场。

1996年，Sasahara和Obikawa等利用弹塑性有限元法，忽略了温度和应变速率的效果，模拟了低速连续切削时被加工表面的残余应力和应变；Zone-Ching Lin，Yuung-Der Yarng利用更新的拉格朗日方程及增量理论建立了三维弹塑性有限元模型，并研究了不同切削速度下切削中碳钢时切削力及残余应力的变化。

1998～1999年，Lars Olovsson，Larsgunnar Nilsson，Kjell Simonesson，M.Movahhedy，M.S.Gdala，Y.altintas用ALE法对正交金属切削过程进行了研究；T.Altan和E.Ceretti 合作展开了直角与斜角切削过程中应力、温度场分布的二维和三维有限元分析；Liangchi

Zhang等人对有限元分析『Ｆ交切削中的切屑分离准则作了深入研究。

2000年，台湾科技大学的Zone-Ching Lin等对NIP合会的正交超精密切削深

度和切削速度对残余应力的影响做了研究，模拟前对单向拉伸试验数掘进行回归分

析，得出材料的流动应力公式，考虑切削加工中热一机耦合效应，建立了热弹塑性

有限元模型。

2001年，X.P Yang，C.Richard Liu建立了切削加工中摩擦力随压力变化的有限

元模型，并研究它对残余应力的影响。

2002年，P.J.Arrazola]4[，F.Meslin，C.R.liu，Y.B.Guo等人对三维金属切削过程的

模拟进行了深入研究，分别建立了金属切削仿真的二维和三维切削模型，他们采用了网格自适应重划算法（adaptive remeshing alagorithm）来解决刀一屑接触区局部单元所产生的大变形问题，分析了切削过程中的工件和刀具中的温度场、Von-Mises应力分布等，成功地模拟了切屑的形成过程。

2003年，宋金玲等通过计算机模拟金属切削连续稳态成屑过程，以三角元素进行有限元网格划分，采用Von-Mises屈服判据和Prandtl．Reuss流动定律，对工件切屑进行弹塑性变形及受力分析。

2004年，姚永琪利用商业有限元软件ABAQUS对正交金属切削的温度场进行了研究，并与理论模型计算所得温度场进行了比较；Yung-Chang Yen，Anurag Jain，Taylan Altan 分析了切削刃形状对切屑成形、切削力和其它切削过程的物理现象（切削温度、应力和应变等）。

2005年，闫洪、夏巨谌对H13淬硬模具钢精密切削工艺参数对刀具性能和切削质量的影响做了研究。

2006年，江苏大学的卢树斌]8[采用DEFORM软件建立了二维和三维金属切削模型，研究了高速金属切削机理，模拟了高速切削下切屑的形成过程，并对刀具的磨

损状况进行了预测。

2007年，刘胜永]9[等讨论了二维切削中摩擦系数对切屑变形、切削温度等的影响。

综上可见，尽管国内外关于金属切削过程有限元模拟方面的研究工作已经开展多年，三维有限元模型也被越来越多的人采用，但三维有限元模型中的多数工作也仅仅是针对简化后的刀具几何结构，且很少涉及到刀具的磨损，其模拟结果有较大的理想性，在一定程度上限制了模拟结果对实际加工的预测和指导意义。此外，以往国内外的学者仿真时仅考虑加工过程中的某个或几个因素，并且在自己的研究成果上编写相应的有限元子程序，受