分层切削加工有限元仿真分析
金属切削加工过程的有限元建模与仿真
江苏大学硕士学位论文金属切削加工过程的有限元建模与仿真姓名：吴勃申请学位级别：硕士专业：计算机科学与应用指导教师：蔡兰20060301４．２切屑形成过程的仿真模型的构造大部分国内的切屑形成过程的有限元仿真都采用的是２．Ｄ模型‘蚓脚’，２．Ｄ有限元模型仅仅适合于萨交切削的仿真，在研究车削、刨削等切削加工时，必须对切削情况进行限定和简化，不仅视觉效果差，更重要的是仿真的范围受到极大的限制，因此，有必要发展３．Ｄ有限元模型来仿真切屑形成过程。
本部分主要采用３．Ｄ有限元模型仿真在正交切削和制刃切削条件下的切屑形成过程，为进一步对各种切削加工方法进行有效的有限元仿真奠定基础。
４．２．１几何模型的建立与网格划分本章主要研究刀具切入工件丌始到稳态切削这段过程的仿真。
采用三维有限元模型进行模拟，所建立的几何模型如图４．６所示。
网格划分可采用三维六面体网格，也可以采用三维四面体网格。
幽４６网格划分图４．２．２材料属性的定义金属材料非线性的本构关系主要分为以下四种类型，即弹塑性、刚塑性、弹粘塑性、刚粘塑性。
有限元模拟的准确性很大程度上取决于本构关系能否真实反映材料的真实特性。
在金属切削有限元仿真中，采用弹塑性材料模型时，既有塑性变形又有弹性变形，较为符合会属切削过程的真实情况。
本课题中，为了保证仿真结果的更接近于实际情况，工件材料选用弹塑性模型，而刀具属性定义为刚性。
为了与实验结果进行比较，工件材利根掘需要选择相应材料。
与实验加工的材料相对应，输入丁Ｆ交材料属性（杨氏模量、泊松比、材料密度等），以及ＪｏｈｎｓｏｎａｎｄＣｏｏｋ的经验模型公式中的参数Ａ、Ｂ、ｎ、Ｃ和ｍ。
江苏人学硕十学何论文４．２．３施加约束与载荷假定工件在切削过程中为无限长。
而在仿真模型中的工件不可能很长，否则计算效率会很低，必须用长、高都不大的工件代替，用必要的约束来模拟真实工件的边界条件。
当研究切屑形成过程中的现象时。
女ｎＸ，ｊ应力、应变、应变率和温度进行研究，以及对切屑卷曲现象进行研究时。
基于ANSYS的金属切削过程的有限元仿真-
金属切削理论大作业2017年04月1基于ANSYS金属切削过程的有限元仿真付振彪，2016201064天津大学机械工程专业2016级研究生机械一班摘要：本文基于材料变形的弹塑性理论，建立了材料的应变硬化模型，采用有限元仿真技术，利用有限元软件ANSYS，对二维正交金属切削过程中剪切层及切屑的形成进行仿真。
从计算结果中提取应力应变云图显示了工件及刀具的应力应变分布情况，以此对切削过程中应力应变的变化进行了分析。
关键词：有限元模型；切削力；数学模型；二维模型；ANSYS1 绪论1.1金属切削的有限元仿真简介在当今世界，以计算机技术为基础，对于实际的工程问题应用商业有限元分析软件进行模拟，已经成为了在工程技术领域的热门研究方向，这也是科学技术发展所导致的必然结果。
研究金属切削的核心是研究切屑的形成过程及其机理，有限元法就是通过对金属切屑的形成机理进行模拟仿真，从而达到优化切削过程的目的并且可用于对刀具的研发。
有限元法对切屑形成机理的研究与传统的方法相比，虽然都是对金属切削的模拟，但是用有限元法获得的结果是用计算机系统得到的，而不是使用仪器设备测得的。
有限元法模拟的是一种虚拟的加工过程，能够提高研究效率，并能节约大量的成本。
1.2研究背景及国内外现状最早研究金属切削机理的分析模型是由Merchant [1][2]，Piispanen[3]，Lee and Shaffer[4]等人提出的。
1945 年Merchant 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这是首次有成效地把切削过程放在解析基础上的研究，成功地用数学公式来表达切削模型，而且只用几何学和应力-应变条件来解析。
但是材料的变形实际上是在一定厚度剪切区发生的，而且它假设产生的是条形切屑，所以该理论的切削模型和实际相比具有很大的误差。
1951 年，Lee and Shaffer 利用滑移线场(Slip Line Field)的概念分析正交切削的问题。
圆盘剪分切工艺有限元仿真研究
Ａｂ ｔａ ｔ Ａｉ ｎ ｔｔ ｅ ｓ ｅ ｔｍｅａ ｓ ｌｔｎ ｒ ｃ ｓ ， ａ ２ ｍｏ ｅ ｆｔｅ ｓｅ ｔｍｅａ ｉｃｓｉｉ ｇｐ ｏ ｅ ｓｉ ｓａ ｌ ｈ ｄ ａ ｄ ｔｅ ｓｒ ｃ ： ｍｉｇ ａ ｈ ｈ ｅ ｔｌｄｉｃ ｓｉ ｉｇ ｐｏ ｅ ｓ ｔ Ｄ ｄ ｌｏ ｈ ｈ ｅ ｔｌｄ ｓ ｌｔｎ ｒｃ ｓ ｓｅ ｔｂｉ ｅ ｎ ｈ ｔ ｓ
元软件 Ａ Ａ Ｕ 仿真 了薄铜板材 冲裁过程 ，研究 ＢＱ Ｓ
了冲裁 间 隙 、模 具 磨 损 、摩擦 力 等 工艺 参 数 对 冲
断 面 质 量 和板 材 分 切 精 度 的影 响 规 律 ，对 提 高 板
国家 自然科学基金项 目 （ 编号 ：５ １５ ９ ） １７ ０ ０ ；广东 省教育部产学研结合项 目 （ 编号 ：２ １Ｂ０ ０４ ０ ２ ） ０ ０ ９ ０ ０ １ ２
中图分类号 ：Ｔ ８ ． Ｇ３６２ 文献标 识码 ：Ａ 文章 编号：１０ ０ ９—９ ９ ２ １） ０—０ １ ４ ２（０ ２ １ ｌ７—０ ６
Ａ ｔ ｄ ｆ ｓ ｌ ｔｎ ｏ ｅ ｓＵｓｎ ｎ ｔ ｅ ｅ ｔ ｉ ｌ ｔｏ Ｓ ｕ ｙ ０ ｃＳ ｉ ｉ ｇＰｒ ｃ ｓ ｉ ｇＦｉ ｉ Ｅｌｍ ｎ ｍｕ ａ ｉ ｎ Ｄｉ ｔ ｅ Ｓ
０前 言
切削加工中的有限元模拟
切削加工中的有限元模拟作者：BerendDenkena、Luis De Leon、Maya Otte 来源：德国Werkstatt + Betrieb杂志借助于有限元分析工具（FEM）的灵活性可以全面地描述切削过程；与实验测试相比，有限元分析可以更好地描述难以测量或者原本无法描述的加工过程。
切削过程的建模以及模拟对于降低加工工时和成本至关重要。
模拟作为开发工具可以用于质量管理和质量优化，并尽可能降低生产起步阶段的风险和试制费用。
有限元分析（FEM）是一种数学方法，尤其适用于解决与工程实际相关的问题，并能在更广的范围内传播。
首先将需计算区域划分为若干大小有限的小单元。
在每一个不等于0的有限单元内寻找解决方案。
整个区域的解决方案通常情况下由相当庞大但精巧的、填充好的线性方程式运算得出。
使用有限元模拟可以借助数学方法对切削过程进行重建，同时将整个过程中任意部位和时间点的温度、延展、延展率、应力和受力计算出来。
因此，有限元模拟可以用来支持不同场合下的实验研究（图1）。
图1 切削加工中的有限元分析在刀具开发过程中，诸如刀具磨损和生产效率等的因素将发挥决定性的作用，因为在整个加工过程中生产效率和质量受到影响。
刀具结构的优化可以提高刀具本身的使用寿命和加工质量。
为了获得比较优化的刀具几何结构，需要考虑切削过程中的热负荷和机械负荷。
此外需要分析沿刀刃和位于刀具内部的应力和温度。
切削刃接触区域内应力、延展、延展率以及温度的详细信息可以用于分析切屑形成的机制。
工件方面，借助有限元方法可以预测固定工件的边缘区域所受到的影响。
对工件内应力形成机制的研究可以用来控制切削过程并进一步调整特定边缘区域的特性。
图2的实例是直角切入式磨削的建模过程。
第一步，使用有限元软件（本例中采用了“Deform 2D”）按照给出的几何参数将刀具自动划分网格。
工件划分网格后再施加额外的边界条件。
根据工件的弹性-塑性形变计算结果选择合适的材料模型。
分层切削加工有限元仿真分析
分层切削加工有限元仿真分析ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＬａｙｅｒｂｙＬａｙｅｒＣｕｔｔｉｎｇ北京航空航天大学机械工程及自动化学院董兆伟张以都刘胜永万晓航［摘要］采用有限元分析方法，利用有限元增量理论，建立了二维金属切削仿真模型，分析中采用网格自适应准则，模拟了金属分层切削加工过程。
得到了每次切削加工的切削力、工件变形和加工后已加工表面的残余应力的大小以及分布状况，并进行了分析。
关键词：有限元网格重划分切削力残余应力［ＡＢＳＴＲＡＣＴ］Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｉｎ－ｃｒｅｍｅｎｔ，ｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｍｅｔｈｏｄｉｓｕｓｅｄｔｏｅｓｔａｂｌｉｓｈ２Ｄｍｅｔａｌｃｕｔｔｉｎｇｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌ．Ｉｎａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅｍｅｓｈａｄａｐｔｉｖｅｃｒｉｔｅｒｉａｉｓａｄｏｐｔｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｍｅｔａｌｃｕｔｔｉｎｇｌａｙｅｒ￣ｂｙ￣ｌａｙｅｒ．Ｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｆｏｒｃｅｓ，ｗｏｒｋｐｉｅｃｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｅｓａｎｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｏｎｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｓｕｒｆａｃｅｓｆｏｒｅｖｅｒｙｃｕｔｔｉｎｇａｒｅｏｂｔａｉｎｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＦｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔＲｅｍｅｓｈｉｎｇＣｕｔｔｉｎｇｆｏｒｃｅＲｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓ在机械制造业中，精度要求较高和表面质量限定较严的零件通常都要经过切削加工。
４０年代末兴起的无切屑生产过程以及电加工、电化学加工工艺方法经过几十年的发展，只能在某些零件制造中部分代替切削加工。
与此同时，由于刀具材料的改进，机床功率和切削速度的提高，机床刚度的增加，机床控制技术的进步，切削技术也取得了长足的进步。
在目前的金属加工方法中，切削仍然占据主导地位。
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。
金属切削加工仿真分析0512
1. 金属切削有限元仿真分析的意义：先进刀具、柔性夹具、新型冷却润滑和高效程编等技术相结合，是实现高效高品质数控加工的主要途径。
优化高效的切削参数数据库对于合理选择数控加工切削参数，对于实现数控机床和加工过程综合应用效率最优化，对于实现高效低成本加工具有重要的意义。
目前，数控加工企业已经普遍采用CAM软件进行刀具路径的规划和仿真分析，进行机床仿真及干涉碰撞检查。
但数控加工过程的仿真仅停留在刀轨路径仿真优化的几何层面，无法获取加工过程的物理特性。
传统的切削试验方法可以研究切削过程的切削力、切削温度和刀具磨损率等物理量，但是存在着成本高和效率低的缺点。
随着计算机和有限元技术的发展，对加工过程的关键环节进行科学的计算和预测成为可能。
近年来，有限元技术已被广泛应用于切屑形成与流动预测、刀具结构优化设计、工艺参数优化以及结构件的变形预测、控制与校正等相关领域的研究，有关研究结果已成功用于指导生产。
美国Third Wave公司的AdvantEdge FEM和AdvantEdge Production Module系统是商用金属切削有限元仿真软件中的杰出代表。
利用它们可以得到切削力、切削温度、刀具磨损和机床负载等数据，对加工过程进行分析与优化。
利用它们可以在多种方案种进行比较，选择最合适的刀具及其优化的工艺参数，从而提高加工质量，延长刀具寿命，提高生产效率和降低劳动损耗。
2. AdvantEdge系列软件的特点和优势采用AdvantEdge FEM和AdvantEdge Production Module金属切削仿真分析系统对切削过程实现物理仿真、对NC程序进行综合分析及优化，在科学分析的基础上逐步建立优化工艺参数数据库。
AdvantEdge FEM和AdvantEdge Production Module系统在金属切削加工中应用的突出优点主要表现在如下几个方面：（1）揭示许多实验无法获得的物理力学现象，获得实验难以测试的加工过程参数（如切削区的温度分布、应变率、应力和应变等），对不同切削条件下的切屑流动、切削力、刀具温度和应力进行预测，为高效加工提供理论支持；（2）大大减少实验研究的工作量，降低研究投入，缩短研发周期；（3）可以对整个工件的主要加工过程进行仿真分析，对加工变形进行预测，实现工艺参数等优化；（4）对机床、工件、刀具及NC程序进行综合分析，优化工艺参数，使机床负载平衡，降低振动，从而提高加工质量和效率。
切削加工有限元仿真教学设计与研究
切削加工有限元仿真教学设计与研究随着信息技术和机械加工技术的迅猛发展，切削加工工艺已经成为机械加工行业的重要组成部分，在产品加工质量的提高以及节能减排的要求下，切削加工的计算机仿真技术扮演着越来越重要的角色。
有限元仿真是切削加工仿真技术中非常关键的一种,基于有限元原理，通过设计有限元模型，建立适当的加工工艺参数，计算得出各种模型的加工结果，完成切削加工仿真的计算过程。
有限元仿真的教学设计要从教学内容、教学形式及教学方法等全面考虑。
首先，教师要教授学生基础的有限元理论，包括几何形态的建模，材料的选择，单元的设定，局部分析及总体分析等方面，教学形式则要通过课堂讲授，报告讲解，模拟训练，实验操作等多种方式来完成，教学方法则要结合理论教学和实验实践，把理论与实践紧密结合起来，有效地提高学生的学习效果。
有限元仿真的研究也非常重要，它与诸如机床控制、切削工艺设计以及计算机辅助设计等多个方面息息相关。
将有限元仿真与机床控制结合起来，研究出一种适应常规切削加工的全过程智能控制系统，可以有效改善切削过程的加工质量；切削工艺设计方面，研究出一种基于有限元仿真分析的试验积累法，可以极大地提高切削加工的过程控制水平；计算机辅助设计则可以通过有限元加工仿真来实现，使得产品的质量得到改善，生产周期得到缩短。
在现代工业自动化中，有限元仿真在机械加工行业中具有十分重要的作用，因此教师在教学中应该采用多种教学方法和教学形式，使学生充分了解到有限元仿真的重要性；研究方面也要联系实际，研究出一系列先进的方法，以提高切削加工的加工质量和效率。
本文从教学和研究的角度，讨论了有限元仿真的重要性及其在切削加工中的应用，给出了一些实用的建议，以帮助技术人员和学生在切削加工领域更好地应用有限元仿真仿真技术，促进了机械加工行业的发展和切削加工仿真技术的普及应用。
钻削过程切屑受力建模及有限元仿真研究
钻削过程切屑受力建模及有限元仿真研究一、概述钻削过程是金属加工中常见的加工工艺之一，其切削过程中切屑的形成和受力情况对加工质量和工件表面粗糙度有着重要影响。
本文将针对钻削过程中切屑受力建模及有限元仿真研究展开深入探讨，从宏观和微观两个角度分析切屑的形成机理和受力情况，旨在为钻削工艺提供更深入的理论基础和实用指导。
二、切屑形成机理分析1. 切屑形成的基本过程在钻削过程中，切屑的形成是由刀具对工件进行切削，其中金属材料在刀具作用下形成的薄层即为切屑。
切屑形成的基本过程可以简要概括为切屑的起始、发展和脱离三个阶段。
切屑的形成机理主要包括切削热、切削变形、切削厚度和切屑形状等因素的综合作用。
2. 切屑形成的影响因素切屑形成受到诸多因素的影响，包括工件材料性能、刀具的材料和几何形状、切削参数、冷却液的使用等。
不同的工件材料、刀具材料和切削参数组合会导致切屑的形态、厚度和温度等特性的差异，从而影响切屑的排屑能力、切屑的排屑性能和对切屑的进一步加工。
三、切屑受力情况分析1. 切屑的受力特点切屑在形成过程中会承受来自刀具的切削力、切削热和切屑自身的重力等多种力的作用。
其中，切削力是切屑受力的主要载荷，其大小和方向直接影响切屑的形状和质量。
切屑受力还与刀具的几何形状、切削参数和切削状态等因素相关。
2. 切屑的受力模型有限元分析是研究切屑受力的有效方法之一，通过建立钻削加工的切屑受力模型，可以分析切屑在加工过程中的受力情况。
通过有限元仿真可以得到切屑的应变、应力分布以及切屑的变形情况，从而为钻削工艺的优化提供理论支持。
四、有限元仿真研究1. 切屑受力的有限元模型建立在进行有限元仿真时，首先需要建立钻削过程中切屑受力的有限元模型。
该模型需要考虑刀具、工件、切屑和切削液等多个物理对象及其之间的相互作用，同时要考虑切屑受力的非线性、瞬态和热传导等特性。
通过对切屑受力的有限元模型建立，可以准确地模拟切屑在切削过程中的受力情况。
切削加工有限元仿真教学设计与研究
切削加工有限元仿真教学设计与研究江晋剑;胡桂姬;赵夫超【摘要】切削加工教学内容抽象,实践性强,为了加强学生对切削加工的感性认识,在切削加工实践教学过程中适当引入仿真教学.本文利用有限元软件ABAQUS,以不锈钢30CrMnSi作为工件材料、YT15作为刀具,构建二维正交切削模型在课堂上开展仿真教学.通过仿真切削加工过程,帮助学生理解切削加工机理,培养学生创新意识和实践能力,提高课堂教学效果.【期刊名称】《安庆师范学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(024)003【总页数】5页(P102-106)【关键词】切削加工;工件材料;正交切削;仿真教学【作者】江晋剑;胡桂姬;赵夫超【作者单位】安庆师范大学计算机与信息学院,安徽安庆246133;安庆师范大学计算机与信息学院,安徽安庆246133;安庆职业技术学院机械工程系,安徽安庆246003【正文语种】中文【中图分类】G433信息化技术的飞速发展使仿真教学应用越来越广泛。
对于专业实践性强的课程，比如切削加工，运用仿真教学能将理论与实践相结合[1]，让学生不用参加工程实践，就能对切削加工过程从任意角度进行观察，直观形象，让学生对切削加工有直观感性认识，从而提高学习的主动性与积极性。
考虑教学示范性和应用性等要求，本文运用耗时少、经费要求低的有限元软件ABAQUS对切削加工过程进行仿真[2]。
选取塑性大、导热能力差、容易导致加工硬化及加工性能较低的不锈钢30CrMnSi[3]作为仿真工件材料，在ABAQUS中建立二维切削加工模型进行仿真教学，在课堂上实时演示切削加工机理，加深学生对切削加工的感性认识，从而提高课堂教学效果。
1 基于有限元软件ABAQUS的切削加工仿真教学设计有限元软件ABAQUS，可以把刀具和被加工工件材料的受力特点和切削成形生动地展现出来，实现理论与试验教学相结合，通过情景教学培养学生分析和处理问题的能力。
下面就在ABAQUS中建立二维切削加工模型开展仿真教学设计。
金属切削变形过程的有限元仿真初探
金属切削变形过程的有限元仿真初探金属切削是一种常见的金属加工方法，通过切削刀具对金属材料进行物理性质的改变，得到所需形状和尺寸的工件。
而金属切削变形过程的仿真研究能够帮助我们更好地理解切削过程中的力学行为和变形特性。
本文将对金属切削变形过程的有限元仿真进行初探。
首先，金属切削变形过程的有限元仿真需要进行材料特性的建模。
金属材料的切削行为受到材料的硬度、强度、塑性等力学性质影响。
因此，在有限元仿真中，需要根据实际材料的力学性质对材料进行建模。
常用的材料模型包括弹性模型和塑性模型。
弹性模型用于描述金属在没有发生任何永久变形之前的行为，而塑性模型则用于描述金属在切削过程中发生的塑性变形。
通过建立准确的材料模型，可以更好地预测材料在切削过程中的变形行为。
其次，金属切削变形过程的有限元仿真需要对切削刀具和工件进行建模。
切削刀具通常由硬质合金或高速钢制成，具有复杂的几何形状。
在有限元仿真中，需要将切削刀具的几何形状进行构建，并设置合适的边界条件和加载条件。
工件的模型则需要根据实际的几何形状进行建模，并设置适当的约束条件。
通过合适的切削刀具和工件建模，可以更准确地模拟实际切削过程中的力学行为。
然后，金属切削变形过程的有限元仿真需要对切削过程中的摩擦和热变形进行考虑。
摩擦力是切削过程中不可忽视的因素之一，会对金属材料的变形行为产生显著影响。
在有限元仿真中，需要引入摩擦力，并通过摩擦系数来描述切削刀具与工件之间的摩擦力。
此外，切削过程中还会伴随着热变形现象，特别是在高速切削中。
热变形的发生会导致金属材料的孔隙度增加、硬度降低等现象，因此需要考虑热效应对切削过程的影响。
最后，金属切削变形过程的有限元仿真需要进行切削参数的优化。
切削参数包括切削速度、进给量和切削深度等，它们会直接影响到金属切削过程中的力学行为和变形特性。
通过对切削参数进行优化，可以获得更理想的切削效果和更大的加工效率。
在有限元仿真中，可以通过改变切削参数的数值来模拟不同的切削条件，并通过参数优化来确定最佳的切削参数组合。
切削加工有限元仿真教学设计与研究
切削加工有限元仿真教学设计与研究
近年来，切削加工机械学科受到越来越多关注，成为重要的工程技术教育学科之一。
切削加工有限元仿真技术在现代机械切削加工中起着重要作用，为切削加工技术的设计和优化提供了强大的支持。
为了使学生掌握切削加工有限元仿真技术，积极推进切削加工有限元仿真技术教学水平的提高，必须系统、合理地进行教学设计。
首先，在教学设计中，应详细说明有限元仿真技术的基本原理及其数值分析方法，介绍有限元仿真用到的模型以及有限元仿真在切削加工过程中的应用。
这样，学生能够更好地理解有限元仿真技术，并培养学生使用有限元仿真技术的能力。
其次，教学设计应加强实际操作的训练，安排实验，加强实践性教学，使学生更加熟悉和掌握切削加工有限元仿真技术，以及有限元仿真软件的使用方法，熟悉各种切削加工现象的有限元仿真技术，从而达到良好的学习效果；
此外，教学设计要求学生进行有关的课外研究，将学习的内容拓展到更广泛的领域，使学生整合切削加工有限元仿真技术和其他相关技术，培养学生的创新能力和实践能力，对学习有更深的理解；
最后，教学设计应引入最新的技术和知识，更新教学内容，丰富学生的学习内容，加强学生对新技术的研究，使他们能够从理论上和实践中得出有效的结论。
通过以上设计，一个完整的有限元仿真教学课程可以让学生全面掌握切削加工有限元仿真技术，为学生的今后工作和发展打下扎实的
基础。
有限元法在切削加工过程分析中的应用
有限元法在切削加工过程分析中的应用有限元法在切削加工过程分析中的应用班级：姓名：学号：摘要：介绍了切削加工过程有限元分析的发展，研究了切削加工过程有限元分析的关键技术；在总结有限元法在切削加工分析方面的主要应用的基础上，展望了切削加工过程有限元分析的未来研究趋势。
关键词：有限元法；切屑形成；断裂；积屑瘤1、引言切削加工是机械制造行业中应用最广的金属成形工艺，世界各国投入了大量的人力和物力用于研究切削加工的机理。
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。
Merchant 根据切削层中，塑性剪切平面应发生在消耗切削能量为最小的方向上这一假设，导出了Merchant 切削方程式。
Lee 和Shaffer 提出了一个由均匀场构成的滑移线场切削模型。
Shaw 认为切削层中的塑性剪切平面和最大剪切应力的方向存在一个偏转角度，据此提出了自己的方程式。
Oxley 根据材料的加工硬化，提出了一个考虑加工硬化、温度及应变速率因素的分析模型，使理论分析的结果和实验结果有了较好的一致性。
从切削模型的发展过程可以看出：人们越来越倾向于采用更严谨的理论和更复杂的方式来力图改善近似的方法，并致力于建立更完善的，即更接近于实际过程的数学—力学模型，以期得到更全面的分析结果。
但是采用传统的解析法在求解考虑材料的加工硬化以及几何非线性等复杂切削模型时往往导致不可解。
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，如自适应网格划分、三维场建模求解、耦合问题和开域问题等。
有限元法在求解非线性和多场耦合方面的强大功能也日益明显，从而被广泛地应用到对切削加工过程的研究中。
采用有限元法分析切削加工过程不仅有利于对切削机理的理解，而且也是机械加工工艺优化的有利工具。
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。
金属切削过程有限元仿真关键技术及应考虑的若干问题_李涛
*国务院侨务办公室自然科学基金(基金项目:06QZR06)收稿日期:2008年5月金属切削过程有限元仿真关键技术及应考虑的若干问题*李 涛 顾立志华侨大学摘 要:有限元仿真是研究金属切削的一门有效而重要的技术。
本文介绍在金属切削过程模拟中有限元仿真技术的应用和发展,深入分析和研究工件材料模型、自适应网格划分、切屑分离判别、刀)屑接触面摩擦模型以及刀)屑接触长度确定等五项关键技术;讨论了在实际金属切削过程有限元仿真中的真实性、可操作性、效率等方面应考虑的若干问题。
关键词:有限元, 金属切削, 弹塑性变形, 自适应网格Key Techniques of Finite Element Simulation in MetalCutting Process and Some C onsiderationsLi Tao Gu LizhiAbstract:Fini te element si mulation is an effecti ve and important technology in metal cutting studying.The application and develop ment of fini te element simulation technology in the metal cu tting process is introduced,and the five key technologies includ -ing work -piece material model,adaptive mesh,chip separation criterion,the friction model of too-l chip con tacted surface and too-l chip contacted length determination are researched and analyzed,and some considerations which are authentici ty,operability,eff-i ciency and so on i n fini te element si mulation based on metal cutting process are discussed.Keywords:finite elemen t, metal cutting, elastic -plastic deformation, adaptive mesh1 引言近年来,随着科学和软件技术的进步,已开发了若干可对金属切削过程进行建模、数值模拟仿真的软件(如ANSYS 、DEFORM 、ABAQUS 等),为金属切削过程仿真提供了有效的方法和技术手段。
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：
切削加工有限元仿真与应力分析
4 Usui E , Shirakashi T. Mechanic of machining from descriptive to predictive theory[A ] : on the art of cutting metals - 75 years later a tribute to F W Taylor. ASME PED - 7 , 1982 : 13～30
446
462. 6
k3
526. 6
548
398
R
167. 6
183
100. 3
表 4 和表 5 中 ki 为所有 i 水平的试验结果的平
图 3 刀具前进 9mm 后的切削温度分布
图 3 为刀具切入工件 9mm 后的温度分布图 ,从 图中看出切削温度最高点不在刀尖处 ,而是离开刀 尖一段距离 。整个切削过程中切削温度的峰值为
表 3 仿真结果
试验号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Fx(N) 321 483 585 286 443 781 250 571 715 T ( ℃) 364 329 384 381 460 581 350 551 679
3 切削区应力 、应变和温度分布
仿真结果中 ,切削力 、温度和应力的分布等都有 很大的相似性 。以表 1 的中间值 ( v = 1000/ min , ap = 0. 95mm ,α= 20°) 为例 ,说明仿真过程中随着切削 的进行 ,切削力 、切削温度以及切削区的应力状态的 变化 。图 2 所示为切削力随着切削进行的变化规 律 :随着刀具逐渐切入工件 ,切削力逐渐上升 ,在开 始接触的很短的范围内 ,切削力迅速升高 (峰值达到 700N) ,之后随着切削的进行切削力逐渐趋于稳定 。
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［ＡＢＳＴＲＡＣＴ］ Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｉｎ－ ｃｒｅｍｅｎｔ， ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｅｓｔａｂｌｉｓｈ ２Ｄ ｍｅｔａｌ ｃｕｔｔｉｎｇ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ． Ｉｎ ａｎａｌｙｓｉｓ， ｔｈｅ ｍｅｓｈ ａｄａｐｔｉｖｅ ｃｒｉｔｅｒｉａ ｉｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｍｅｔａｌ ｃｕｔｔｉｎｇ ｌａｙｅｒ￣ｂｙ￣ｌａｙｅｒ． Ｔｈｅ ｃｕｔｔｉｎｇ ｆｏｒｃｅｓ， ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓｅｓ ａｎｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ ｏｎ ｔｈｅ ｃｕｔｔｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅｓ ｆｏｒ ｅｖｅｒｙ ｃｕｔｔｉｎｇ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ．
１５８
１００
６．９
２．４９
９００
１６１
２００
６．１８
２．８４
９７０
１７５
３００
５．４
２．９９
１ ０２０
１８５
４００
４．８５
３．１４
１ １２０
１９３
５００
４．４５
３．１７
１ ３２０
１９７
在正交金属切削仿真中刀具的几何角度和切削条 件见表２。
表２ 刀具几何参数和切削条件
刀具前 角／（°）
刀具后 角／（°）
３ 工件材料属性
在切削加工时，金属发生弹性和塑性变形所消耗 的能量有９０％以上转换为热能，另外，切屑与刀具前刀 面、工件与刀具后刀面之间的摩擦也产生了大量的热， 因此，在高温和主应变的影响下进行切削加工模拟需 要正确确定材料的属性。
模拟采用工件材料为铝合金７０７５，泊松比为０．３３， 密度为２ ８００㎏／ｍ３，材料的弹性模量、线膨胀系数、热传 导系数以及比热容分别为温度变化的曲线函数［４］，其特 征值见表１。
科技成果·学术论文
网格重划分的方法来实现金属切屑与工件的分离。网 格的重划分技术已经被广泛应用到金属切削加工仿真 中。当金属塑性变形导致网格发生畸变时，重划分技术 可以在原来网格的基础上定义新的网格，以防止分析 在低劣的网格上进行，影响仿真结果的精度。
本课题综合运用了ＭＳＣ．Ｍａｒｃ非线性有限元软件 提供的下面两种网格重划分准则［３］，来实现切削仿真过 程中切屑与工件的分离。
图７是工件切削加工后的等效塑性应变分布。从 图中可以看到工件变形量大小，由切削加工引起的金 属变形仅发生在工件的表层部分，自表面向内部快速 减小，最后趋向于零。
切削加工模拟过程中，第二次走刀切削余量是第 一次走刀形成的已加工表面，所以第二次切削时工件 的初始应力是第一次切削产生的残余应力。从图６和 图７中可得到两次切削工件产生的残余应力曲线和等 效塑性应变曲线几乎重合。
科技成果·学术论文
" σ!＝ １ ２
（σｘ－ σｙ）２＋（σｙ－ σｚ）２＋（σｚ－ σｘ）２＋６（"２ｘｙ＋τ２ｙｚ＋τ２ｚｘ） ＝σｓ ，
式中，σ!为等效应力，σｓ为屈服应力，τｉｊ为任意坐标系中 材料３个正切应力，σｉ为任意坐标系中材料３个正应力。 其中ｉ、ｊ用ｘ、ｙ、ｚ表示。
（２）材料进入屈服阶段后，在继续加载的作用力下 引起塑性流动，塑性流动准则确定塑性应变分量在塑 性变化时的大小和方向，即：
切削深 度／ｍｍ
切削宽 度／ｍｍ
摩擦 系数
１０
８
０．２
３
０．１７
在切削加工过程中，切削区域材料产生了大的变
形，并伴有大量的热产生，为了能正确描述材料的非线
性行为，在模拟分析中要考虑材料的屈服准则、流动准
则和强化准则。
（１）屈服准则是判断材料在切削受力过程中处于弹 性状态还是塑性状态的力学标准。文中采用Ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ 屈服准则：
４ 摩擦模型
在刀具前刀面上，刀具和切屑接触区域分为粘着
区和滑动区。本文采用库仑摩擦模型［３］来描述这两种现
象。
% & ｆｔ＝－ μｆｎ π２ ａｒｃｔａｎ
ｖｒ ｒｖ
·ｔ ，
式中， ｆｔ为剪切力，μ为摩擦系数，ｆｎ为法向力，ｖｒ为刀屑
之间的相对滑移速度，ｒｖ为发生滑动时刀屑之间的临界
相对速度，ｔ为相对滑动速度方向上的切向单位矢量。
本课题采用有限元分析方法，利用有限元增量理 论，建立了二维金属切削仿真模型，分析中采用网格自 适应准则，模拟了两次走刀切削加工过程，得到两次切 削加工切削力、切削加工引起的工件变形和已加工表 面的残余应力大小以及分布状况。这对工程中提高切 削效率以及切削参数的优化具有重要意义。
１ 有限元分析模型
金属切削过程即是材料被去除的过程。切削中，刀 具以一定的切削速度接近工件并进行切削，切削层的 金属在切削力的作用下发生塑性流动而变形，最后形 成切屑，其变形属于复杂的材料非线性行为。因此，正 确建立金属切削的有限元分析模型是模拟成功的关 键。
本课题的试验是在室温下进行的，取Ｔ０＝２０℃，表 面对流放热系数ｈ＝０．４Ｎ／（ｓ·ｍｍ·℃）。
６ 仿真结果及分析
刀具从初始位置以增量步的形式切入工件。随着 刀具的不断进给，工件网格不断重划分，连续切屑形 成，实现切屑从工件分离。通过切削加工有限元的模拟 计算，可以得到每次切削的切削力、应力和应变分布情 况。
（１）单元畸变准则。 单元畸变准则基于增量步结束时单元角度的检查 及对下一个增量步单元角度变化的预测，如图２所示， 假设Ｘｎ为增量步开始时的坐标，ΔＵｎ为增量步的位移， 便有：
Ｘｎ＋１＝Ｘｎ＋ΔＵｎ 和 Ｘｎ＋２＝Ｘｎ＋１＋ΔＵｎ 。
从理论上讲，切屑与刀具前刀面接触点的反力为 零时，切屑与刀具前刀面分离，但在实际数值运算中， 可能在发生分离时节点上仍有一个小的正反力存在， 此时可通过设置一个引起接触节点发生分离的最小节 点反力作为分离力。本课题采用最大反力的５％作为所 有无接触节点的分离力。
模型的初始边界条件为：工件作为变形体被放置 在对称的刚体上，以限制工件ｙ方向的位移，工件的右 侧用一固定的刚体来限制切削加工过程中工件＋ｘ方向 的位移。这样既能使工件加工时得以定位又能使网格 的重划分（Ｒｅｍｅｓｈｉｎｇ）得以顺利进行。
２ 切屑分离准则
金属切削过程也是切屑形成的过程，本课题采用 ２００７ 年第 ７ 期·航空制造技术 ７５
有限元分析模型由变形体和刚体组成。由金属切 削原理可知，金属切削刀具的硬度比工件的硬度要高 得多，同时要具有高耐热性［１］。因此，切削中假定刀具为 理想的刚体，不发生变形，但考虑其热传导；忽略机床 工作台和工件夹具在加工中受力变形，也定义为刚体； 工件则定义成变形体。设定被切削层的切削宽度是切 削深度的１０倍以上，切削模型满足平面应变条件。模型 的初始网格采用边长为０．０１ｍｍ×０．０１ｍｍ的４节点四边 形平面应力单元，在平面应变分析中这种低阶单元已 经被证明比高阶８节点单元计算结果更准确［２］，见图１。
参考文献
１ 陈日曜．金属切削原理，第２版．北京：机械工业出版社， ２００４．１８￣２０，４１￣４２
２ Ｋｏｎｔｅｒ Ｉｒ Ａ Ｗ Ａ． ＦＥＭ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｃｏｎｔａｃｔ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｉｎ ｍｅｔａｌ ｆｏｒｍｉｎｇ ａｎｄ ｒｕｂｂｅｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ， ＭＡＲＣ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ， Ｅｕｒｏｐｅ， Ｚｏｅｔｅｒｍｅｅｒ， １９９３（４）：２２￣３３
７６ 航空制造技术·２００７ 年第 ７ 期
表１ ７０７５材料的物理和力学性能
温度／℃ 弹性模量／ １０４ＭＰａ
热膨胀系数／ １０－ ５℃－ １
比热容／ 导热系数／ （Ｊ·ｋｇ－·１ ℃－１） （Ｗ·ｍ－·１ ℃－１）
０
７．３３
２．２６
８３０
１５５
２５
７．２
２．３５
８６０
பைடு நூலகம்
１５６
６０
７．１２
２．４
８７０
图４是两次走刀切削加工的切削力，从图中可以看 到第二次切削加工的切削力比第一次切削加工的切削 力下降了５％左右。其原因可用图５材料拉伸试验曲线 说明，第一次走刀切削加工是在工件假定初始应力为 零的情况下进行的，其力的加载从坐标原点Ｏ点开始。 第二次走刀切削加工时，工件表层已存在第一次走刀 切削加工产生的残余应力，相当于力的加载从Ａ点开 始。
７８ 航空制造技术·２００７ 年第 ７ 期
７ 结论
（１）工件表层的残余应力，容易使表层的被切削金 属产生塑性变形。
（２）工件表层残余应力的存在，使得切削加工时切 削力会降低。
（３）前一次的切削加工对切屑形成的影响不大。 当后一次切削深度超过前一次切削加工引起的残 余应力的分布深度后，前一次走刀对第二次走刀产生 的残余应力影响非常小，可以忽略不计。
通过合理的设置，ｒｖ就可以较好地模拟粘着区和滑
动区之间的摩擦变化。
（２）刀屑之间的摩擦产生的热可由下式得出： Ｑ＝Ｆｆ·ｒ ｖ·ｒ Ｊ ，
式中， Ｆｆｒ为两对接触面之间的摩擦力。 （３） 刀具和工件的自由表面与空气发生的对流散
热： ｑｈ＝ｈ·（Ｔｗ－ Ｔ０） ，
式中，ｈ为表面对流放热系数，Ｔｗ为刀具和工件的表面 温度，Ｔ０为周围环境温度。
５ 热传导［５］
众所周知，在金属切削过程中产生的大量的热在
工件、切屑和刀具上的分布情况是一个非常重要的指
标，因为这直接影响工件表面的质量和刀具的寿命。
（１） 工件塑性变形而产生单位体积的热生成率可 由下式得到：
ｑ＝
ＪｋＷｐ ρ
，
式中， Ｊ为热功当量；ｋ为塑性变形功转化为热系数，取 ｋ＝０．９，Ｗｐ为塑性变形功转化热能比率，ρ为材料的密 度。
分层切削加工有限元仿真分析