基于ANSYS模拟金属切削切削力变化的数值仿真

基于ANSYS模拟金属切削切削力变化的数值仿真

李根

天津理工大学天津300384

摘要：本文是基于金属切削的基本理论，借助ANSYS软件从刀具，工件的材料选取以及ansys模型

的建立中都符合实际的进行了准确设置，最终得到切削力的变化曲线，目的就是为了预测切削力的变化，为进一步对刀具破损，磨损和切削振动等方面进行研究提供数据，节约实验成本。

关键词：ANSYS；切削力：仿真；分析

1 前言

切削加工机理很复杂，它涉及到金相学、弹性力学、塑性力学、断裂力学、传热学以及摩擦接触、润滑等很多领域，受工件材料、刀具参数、加工工艺等多方面的影响，这些都给切削力的建模计算带来了困难。以往切削力的主要研究方法是在切削理论研究的基础上建立切削力的解析表达式，搭建切削实验平台拟合得到切削力经验公式。传统的通过搭建实验平台获取切削力的方法只能获得特定加工工艺下特定刀具、工件参数的结果，其结果的准确性依赖实验平台搭建的合理与否，并且实验周期长，相对花费比较高[1]。随着有限元技术的不断发展和完善，有限元商业软件日益成熟利用计算机仿真切削过程逐渐成为切削力研究的主要方向，通过有限元软件建立切削力模型，可以根据具体的材料参数、刀具模型及边界条件进行灵活的处理，仿真周期短，结果直观。

本文就是基于ANSYS软件对于刀具切削过程中切削力的分析仿真，获得研究刀具性能的大量数据，不仅使刀具研究、刀具产品的开发更加精确、可靠，并且大大缩短了研究开发的周期，节省了用于样品试制及实验设备等方面的费用。

2 建模与计算

2.1 基本理论

金属切削过程中切削力只要来源于以下两个方面[2]：

（1）切削层金属，切屑和工件表面层金属的弹性、塑性变形所产生的抗力。

（2）刀具与切屑、工件表面间的摩擦阻力。

因此，在金属切削过程中仿真要考虑的因素很多，其中主要有以下三个方面：

首先，在切削过程中，材料模型既有弹性变形，又有塑性变形。被剪切工件材料由弹性变形到塑性变形，最后被撕裂并脱离已加工表面形成切屑，整个切削过程是一个非常复杂的

非线性问题。因此，就材料的非线性而言，我们要考虑其屈服准则、流动准则及强化准则。通用的屈服准则是米塞斯（V on Mises ）屈服准则[3]，其描述方式为：“材料处于塑性状态时，等效应力是一不变的定值。”用公式可表示为：

()()()[]⎭⎬⎫⎩⎨⎧-+-+-=213232221212/1σσσσσσσ 式中：σ—等效应力；

1σ、2σ、3σ—材料的第1、2、3主应力。

材料在热软化的过程中出现了流动性，单个塑性应变分量pl x ε、pl

y ε的发展方向则通过流动准则来描述，其表达式为[4]： }{}{σ

λε∂∂=Q d pl 式中：pl x ε—材料的塑性应变； λ—塑性增量系数； Q —决定材料应变方向的应力函数

屈服准则随塑性应变的发展可用两种强化准则来描述：等向强化及随动强化，本研究中选用多线性等向强化准则（MIHO ）。等向强化准则可表达为[5]：

Y =31-σσ

式中：Y —塑性功的函数。

其次，在切屑形成过程中，切屑中单元位移的改变和单元取向的改变会改变整体模型的刚度，这是一个几何非线性问题，它包括大应变和大扰度。大应变公式表达为[5]：

{}{}{}X U -=x

式中：{

}U —位移矢量； {}x —变形的位置矢量； {}X —未变形的位置矢量。 2.2 建立有限元模型

在切削过程中，由于刀具的硬度比工件的硬度高得多，为了符合实际切削过程，在建模时，将刀具看作为刚体，工件作为柔体。刀具材料的变形按弹性计算，而工件材料的变形按弹塑性计算。所以，工件采用大应变弹塑性单元进行弹塑性分析；刀具采用弹性单元只进行弹性分析。考虑到前刀面与切屑以及后刀面与工件之间存在摩擦，且摩擦类型因刀面上各个点所受的等效剪应力而异，因此，在各接触对上采用目标单元和接触单元来模拟接触并控制

摩擦类型。另外，用有限元技术模拟切屑形成，在建模时应首先建立切屑与加工表面的初始联系，并指定分离准则。

材料模型的建立对于仿真的正确性十分重要[6.7]。在ANSYS中刀具材料选用YT类硬质合金，查相关手册得相关数据：弹性模量E=600GPa，泊松比μ=0.3，刀具前角10°，后角8°；选取工件材料为45钢，其弹性模量E=200GPa，泊松比μ=0.28。切削厚度为2mm进行切削，模型采用直角自由切削，建立如图1所示的二维模型。工件被划分为:1500个单元，刀具分成100个单元。工件底部约束X和Y两个自由度，左侧约束X自由度；刀具约束Y 方向的自由度。

图1 工件与刀具的三维有限元模型

2.3 加载与计算

在刀具右端加水平向左的位移，刀具在给定的速度和不同的位移边界条件下向左移动，形成切削过程。通过计算软件的解算器进行综合计算。切屑与产生的已加工表面间的对应节点在初始时是联系在一起的，我们选取的分离准则Von Mises 分离准则（等效塑性应变）。随着刀具的位移，刀尖前面的节点对产生塑性应变，在每一时步，计算出对应节点的应变，当等效塑性应变值达到分离准则值时，节点对分开。随着节点对的连续分离，就形成了切削过程。

3 结果分析

3.1 提取计算结果获得更时步的切削力

通过ANSYS的通用后处理器和时间历史后处理器来提取某时步计算结果。由图2知，在靠近切削刃的应力具有最大值，在前刀面上，有效应力从切削刃处开始急剧下降，后刀面的有效应力下降较为缓慢。在刀尖附近应力最大，工件整个受力较为均匀。

图2 刀具的等效应力图

由于刀尖部位为最大应力点，由此可知刀具破坏的主要形式为刀尖和刀刃破坏，因此选用高强度的刀片材料对于增加刀具强度是十分必要的。由于切削过程中会产生高温，且刀具与工件之间存在较大的压力，因此当温度和压力达到一定水平时在应力最大处就可能产生刀刃点蚀以及刀具塑性变形，使加工精度难以保证，为此必须调整切削参数以降低应力，以保证刀具在稳定的切削状态下工作。此外由于刀尖部位应力最大。磨损严重，将直接影响加工质量，因此需要及时检查刀具状况并进行刀具补偿。

3.2 切削力变化规律

通过ANSYS结果后处理将计算结果提取出来，通过上述方法获得各时步的主切削力进行比较得到图3[8.9]的变化曲线。

图3 有限元仿真主切削力变化曲线

在切削过程中，切削力由零线性增至最大值，然后减小并且逐步接近稳定。在切削的起始阶段，随着刀具与工件接触长度的增加以及刀具克服工件弹性变形，刀具对工件的作用力是逐渐增加的。当工件进入塑性变形阶段时，工件材料软化，刀具克服塑性变形所做的功小于克服弹性变形所做的功，切削力因此逐渐减小，在最后形成稳定切削时，切削力便保持在