正交切削加工过程仿真
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与研究，（Ｅ—ｍａｉｌ）ｘｉｊｉａｎｚｈｅｎｇ＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ
万方数据
第４期
郑夕健，等：正交切削加工过程仿真
４ｌ
１ 切削机理
切削过程中两个主要变形区分布在邻近刀具前 后边，通常称这两个主要变形区为主变形区和第２ 变形区（见图１）．主变形区从刀尖到工件未变形与 变形切削的连接处．在这个区域内，工件具有高应变 率的大变形，热的产生主要源于塑性变形．第２变形 区内，热的产生则主要来源于塑性变形以及刀具与 切削之间的摩擦．
第１６卷第４期 ２００７年１２月
计算机辅助工程
ＣＯＭＰＵＴＥＲ ＡＩＤＥＤ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
Ｖ０１．１６ Ｎｏ．４ Ｄｅｃ．２００７
文章编号：１００６—０８７１（２００７）０４－００４０－０３
正交切削加工过程仿真
郑夕健１’２， 戚作秋２…， 张国忠１
（１．东北大学机械工程与自动化学院，沈阳 １１０００４；２．沈阳建筑大学交通与机械工程学院，沈阳１１０１６８； ３．辽宁省安全科学研究院，沈阳１１０００４）
２．４刀削摩擦模型
刀具和切削的接触对摩擦力和切削热有着直接 影响．大量实验表明，在刀具的前刀面上有两个明显 的分区即滑动区和黏着区．在滑动区，正应力相对较 小，几乎没有干摩擦；在黏着区，切削底部与前刀面 发生黏结．这种情况下，切削与刀具前刀面之间的摩 擦不是外摩擦，而是切削与刀具黏结层与其上层金 属之间的内部滑移剪切．因而，进行有限元分析时， 在滑动区域使用常系数古典摩擦法，在黏着区则使 用常摩擦应力，用式（１）表示．
图３切削形成过程中网格的变化
２．３仿真采用的分离准则
切削形成时工件材料在刀刃处发生塑性流动并 随着变形增大，工件的初始网格会发生严重畸变．这 种网格畸变一方面会降低求解的精度，甚至导致负 的Ｊａｃｏｂｉ矩阵，使得分析失败；另一方面会使刀具与 工件接触产生穿透现象，与实际情况不符，使求解无 法进行．分析中判断网格是否进行重划分实际是采 用单元畸变和接触穿透两个几何准则作为判据，这 样随着刀具的不断进给，工件网格不断重划分实现 切削从工件分离．
（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇ．＆Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｎｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎ Ｕｎｉｖ．，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １ １００１４，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｔｒａｆｆｉｃ＆Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇ．Ｓｃｈｏｏｌ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｊｉａｎｚｈｕ Ｕｎｉｖ．，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １１０１６８，Ｃｈｉｎａ； ３．Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓａｆｅｔｙ Ｓｃｉ．，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １ １０００４，Ｃｈｉｎａ）
ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．ｓｔｒｅｓｓ，ｓｔｒａｉｎ ａｎｄ ｃｕｔｔｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｉｎ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｒｅａ ａｒｅ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｆｏｒ
ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｃｕｔｔｉｎｇ ４５ ｓｔｅｅｌ ｂｙ ＤＥＦＯＲＭ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆ ｓｅｒｆ－ａｄａｐｔｉｖｅ ｍｅｓｈ ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｉｓ
（３）
式中：７－，为工件和刀具接触面的剪切应力；蜥为工件
和刀具的相对速度．
生成的热量作为热载荷的方式，一半施加给工
件，一半施加给刀具．【６’刊
２．５．２切削力仿真
切削力随时间变化的曲线见图５．可以看出，在 刀具初始切入的瞬间，切削力急剧增大，但还没有达 到稳定状态，随着刀具的前进，单元节点被连续不断 地分离．当节点与工件表面分开时，切削力突然减 小，随后切削力继续增大直到下个节点分离．所以， 在切削初始阶段，切削力总的趋势是不断增加的，达
图５切削力随刀具行程的变化曲线 ２．５．３切削加工的应力仿真
实际切削加工过程中，由于切削层金属在挤压 条件下实现切削层与工件的分离会形成很强的塑性 变形应力场和温度场，工件表层的受热、受挤压部分 伸长，但受其他未加热和未挤压部分阻止不能伸长， 产生压应力．同理，未加热和未挤压部分受到拉应 力．
图６为切削过程中的应力等值线图．从图中可 以看出，在刀具前方主应力主要为压应力，而刀尖附 近及刀具经过的表面主要为拉应力．压应力的最大 值发生在刀具后下方，且在刀具经过表面薄层内存 在较大的切削应力．
摘要：为优化正交切削加工参数，采用弹一塑热耦合有限元方法，建立正交切削加工有限元模
型．应用ＤＥＦＯＲＭ软件，模拟出４５号钢件切削过程中变形区内温度、应力、应变以及切削力的分
布，采用自适应网格重划技术避免大塑性变形引起的网格畸变．该仿真结果能对切削加工参数的
选择及实际的切削加工提供指导．
关键词：正交切削；有限元；切削应力；ＤＥＦＯＲＭ
切削刀具尺寸参数与工件特性参数见表１．
表１切削刀具尺寸参数与工件特性参数
参数切削速度摩擦因数材料密度弹性模量 热导率Ａ／
名称ｖＪｍｍ·ｓ～
“ｐ／ｋｇ·ｍ３
Ｅ／Ｐａ Ｗ·ｍ～·Ｋ
根据第２．１节的假设和表１建立的正交切削加 工模型和物理特性模型见图２．将切削过程看作是 产生塑性变形且发生切削与工件分离的过程．在局 部切削区域内，产生高温大变形，这种大变形会使初 始网格产生严重畸变．ｈ５１这种网格畸变会对求解
到稳定后，却因节点的不断分离而具有波动现象，与 以往的研究和实验对比，说明此次仿真很好地反映 初始加工瞬间切削力的变化情况，对设备和夹具的 设计或选用很有帮助．
图４切削过程中工件及切削的温度分布云图
从图４可见，最高温度分布在刀具刚刚经过的
切削面以及前刀面与切削接触的部分，这主要是由 于工件的塑性变形和切削一刀具界面的摩擦使得刀
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｃｕｔｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｏｒｔｈｏｇｏ— ｎａｌ ｃｕｔｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｓ ｂｕｉｈ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ—ｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ ａｎｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｕｐｌｉｎｇ，
ｆ编辑予杰｝
万方数据
图６切削应力吼－等值云图 在切削加工过程中，加工表面会产生弹塑性变 形．加工结束后，弹性变形恢复而塑性变形使得加工 后的工件不符合加工要求．因此，对加工表面变形量 的研究就显得尤为重要．通过对不同参数条件的仿 真，选择适当的参数，从而降低切削带来的温度、应 力和切削力，从而提高切削加工的质量和效率．
本文使用ＤＥＦＯＲＭ软件动态仿真单刃正交切 削过程，得到不同加工时刻工件的应力、应变以及温 度分布，仿真不同切削参数对加工残余应力的影响， 为今后加工选择合理的参数提供依据．
收稿日期：２００７—０８—１７修回日期：２００７－０９—３０ 基金项目：国家“十一五”科技支撑计划项目（２００６ＢＡＪｌ２８０５）；沈阳市科技局基金项目（１０５３１２５·１－０６） 作者简介：郑夕健（１９６３一），男，山东荣成人，教授，博士研究生，研究方向为机械产品现代设计方法、工程机械产品设计与开发、物流装备设计
（４）应用ＤＥＦＯＲＭ软｛牛，在切削发生大变形的 区域可以采用动态自适应网格技术解决由于网格变 形过大丽导致的畸变，增加求解精度．
参考文献：
［１］ 昊玉华．金属切鲥加工技术［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９８：３－６． ［２］方刖，曾攀．纫削加工过程数值模拟的研究进展［Ｊ］．力学进展，２００１，３１（３）：３９４４０４． ［３］ 丁峻宏，李根国，金先龙，等．盾构刀盘切削的三堆并行数值模拟［Ｊ］．计算机辅助工程，２００６，１５（ｓ１）：３０３－３０７ ［４］黄劳，砖成文，郭乙本，金属正变切烈加工过程的耆限走分析［Ｊ】。机械强度，２００３，２５（３）；２９４２９７。 ［５］ 宋冬利，焦四海．欠型塑料模具钢模＝魄淬火工艺的有限元分析［Ｊ］．计算机辅助工程，２００６，１５（Ｓ１）：４３７４４０． ［６］黄志嘲，耪凌林，王立涛．金属切裁加工毒限无模耘的相美技术研究［Ｊ】。中圆机械王程．２００３，１４（１０）：８４６－８４９ ［７］ 顾立志，袁哲俊．正交切削中切削温成分布的研究［Ｊ］．机械工程学报，２０００，３６（３）：８２＿８５＋
产生影响：一是会降低求解精度；二是刀具模型会嵌 入材料内部与实际情况不符，导致求解无法进行．因 此，需要采用自适应网格重划技术，使得被加工部分 网格细化，没有加工和已加工的部分网格较粗．采用 ＤＥＦＯＲＭ中的网格重划技术，将工件的网格重新划分 为四边形、三角形或者二者的混合．在每个增量步开 始前，通过设定单元的最大和最小边长的值来控制网 格重划准则．切削形成过程中网格的变化见图３．
图２正交切削加工的模型
图１切削区域分布 第２变形区又可以分为黏着区和滑动区．在黏 着区内，工件附着在刀具上，与切削发生剪切摩擦， 产生热量．切削过程中切削的最高温度点通常在滑 动区内．
２切削过程有限元仿真
２．１基本假设 切削过程十分复杂，必须对模型进行简化并建
立假设条件，弹塑性有限元的条件假设怛’３１为：（１） 材料是非黏性的，其力学性质即本构关系与时间温 度无关；（２）材料是各向同性的；（３）材料符合Ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ屈服准则． ２．２仿真几何与物理特性建模
０引 言
切削工艺过程非常复杂，涉及弹性力学、塑性力 学、断裂力学、摩擦学、热力学等．‘１１因此，传统的解 析法很难对切削机理进行定量分析和研究．近年来， 计算机的飞速发展使得通过计算机数值模拟的方法 研究切削加工过程以及各种参数之间的关系成为可
能．有限元方法在切削工艺中的应用表明，切削工艺 和切削形成的有限元模拟对了解切削机理及切削的 形成等有很大帮助．
（下转第４６页）
万方数据
百度文库
（上接第４２页）
３ 结论
（１）在平面应变结构一热耦合的情况下，得到 刃其前方的变形区凌主要是压应力，刃具经过表题 主要为拽应力，且数值很大．工件表层很薄厚度内存 在较大的加工应力．
（２）仿真蹬工件在甥削过程审各区域溆度、切 削应力、应变分布以及刀具切削力大小．
（３）可依据仿真结果对实际的切削过程加工进 行指导，为切潮加工参数的选择莫定基础．
中图分类号：ＴＨｌ２３．２；ＴＢｌｌ５；ＴＰ３９１．９
文献标志码：Ａ
ｃｕｔｔｉｎｇＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ
Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏ ｏｎ ｎ ｏｒｏ。 ｃｅｓｓ １ Ｏｌ ｏｒｔ‘ｈ。ｏｇｏｏｇｏｎｎａａｌｌ ｃｕｔｔｉｎｇ
ＺＨＥＮＧ Ｘｉｊｉａｎｌ”，ＱＩ Ｚｕｏｑｉｕ２…，ＺＨＡＮＧ Ｇｕｏｚｈｏｎ９１
万方数据
４２
计算机辅助工程
２００７生
『Ｔｆ＝／ｚｏ－。
（当Ｔｆ＜丁。。。即滑动区），１、
【ｔ＝丁。。。
（当ｔ≥ｒ。。。即黏着区）
式中：ｔ为摩擦应力；盯。为摩擦正应力；肛为摩擦因
数；丁…为材料的剪切应力．
２．５有限元仿真结果
２．５．１ 工件及切削的温度仿真
图４为切削过程中第３００步时工件上的温度分 布云图．
具前刃局部区域的温度在数秒内上升到很高，切削
的塑性变形是导致温度上升的主要因素．单位体积
内的热生成率可通过等效应力和等效应变速率计
算，计算公式见式（２）．
Ｑ＝ｏ＇否／Ｊ
（２）
式中：孑为等效应力；否为等效应变速率；ｔ，为热功当 量．
工件和刀具之间的摩擦生热是另一个主要热
源，可通过式（３）获得．
ｑ＝＂Ｔｆ／ｖｆ／Ｊ
ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ａｖｏｉｄ ｔｈｅ ｍｅｓｈ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｌａｒｇｅ ｐｌａｓｔｉｃ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｃａｎ ｈｅｌｐ
ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｆｏｒ ｃｕｔｔｉｎｇ ａｎｄ ｇｉｖｅ ａｎ ａｄｖｉｃｅ ｆｏｒ ｃｕｔｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｃｕｔｔｉｎｇ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ；ｃｕｔｔｉｎｇ ｓｔｒｅｓｓ；ＤＥＦＯＲＭ
万方数据
第４期
郑夕健，等：正交切削加工过程仿真
４ｌ
１ 切削机理
切削过程中两个主要变形区分布在邻近刀具前 后边，通常称这两个主要变形区为主变形区和第２ 变形区（见图１）．主变形区从刀尖到工件未变形与 变形切削的连接处．在这个区域内，工件具有高应变 率的大变形，热的产生主要源于塑性变形．第２变形 区内，热的产生则主要来源于塑性变形以及刀具与 切削之间的摩擦．
第１６卷第４期 ２００７年１２月
计算机辅助工程
ＣＯＭＰＵＴＥＲ ＡＩＤＥＤ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
Ｖ０１．１６ Ｎｏ．４ Ｄｅｃ．２００７
文章编号：１００６—０８７１（２００７）０４－００４０－０３
正交切削加工过程仿真
郑夕健１’２， 戚作秋２…， 张国忠１
（１．东北大学机械工程与自动化学院，沈阳 １１０００４；２．沈阳建筑大学交通与机械工程学院，沈阳１１０１６８； ３．辽宁省安全科学研究院，沈阳１１０００４）
２．４刀削摩擦模型
刀具和切削的接触对摩擦力和切削热有着直接 影响．大量实验表明，在刀具的前刀面上有两个明显 的分区即滑动区和黏着区．在滑动区，正应力相对较 小，几乎没有干摩擦；在黏着区，切削底部与前刀面 发生黏结．这种情况下，切削与刀具前刀面之间的摩 擦不是外摩擦，而是切削与刀具黏结层与其上层金 属之间的内部滑移剪切．因而，进行有限元分析时， 在滑动区域使用常系数古典摩擦法，在黏着区则使 用常摩擦应力，用式（１）表示．
图３切削形成过程中网格的变化
２．３仿真采用的分离准则
切削形成时工件材料在刀刃处发生塑性流动并 随着变形增大，工件的初始网格会发生严重畸变．这 种网格畸变一方面会降低求解的精度，甚至导致负 的Ｊａｃｏｂｉ矩阵，使得分析失败；另一方面会使刀具与 工件接触产生穿透现象，与实际情况不符，使求解无 法进行．分析中判断网格是否进行重划分实际是采 用单元畸变和接触穿透两个几何准则作为判据，这 样随着刀具的不断进给，工件网格不断重划分实现 切削从工件分离．
（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇ．＆Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｎｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎ Ｕｎｉｖ．，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １ １００１４，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｔｒａｆｆｉｃ＆Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇ．Ｓｃｈｏｏｌ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｊｉａｎｚｈｕ Ｕｎｉｖ．，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １１０１６８，Ｃｈｉｎａ； ３．Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓａｆｅｔｙ Ｓｃｉ．，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １ １０００４，Ｃｈｉｎａ）
ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．ｓｔｒｅｓｓ，ｓｔｒａｉｎ ａｎｄ ｃｕｔｔｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｉｎ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｒｅａ ａｒｅ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｆｏｒ
ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｃｕｔｔｉｎｇ ４５ ｓｔｅｅｌ ｂｙ ＤＥＦＯＲＭ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆ ｓｅｒｆ－ａｄａｐｔｉｖｅ ｍｅｓｈ ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｉｓ
（３）
式中：７－，为工件和刀具接触面的剪切应力；蜥为工件
和刀具的相对速度．
生成的热量作为热载荷的方式，一半施加给工
件，一半施加给刀具．【６’刊
２．５．２切削力仿真
切削力随时间变化的曲线见图５．可以看出，在 刀具初始切入的瞬间，切削力急剧增大，但还没有达 到稳定状态，随着刀具的前进，单元节点被连续不断 地分离．当节点与工件表面分开时，切削力突然减 小，随后切削力继续增大直到下个节点分离．所以， 在切削初始阶段，切削力总的趋势是不断增加的，达
图５切削力随刀具行程的变化曲线 ２．５．３切削加工的应力仿真
实际切削加工过程中，由于切削层金属在挤压 条件下实现切削层与工件的分离会形成很强的塑性 变形应力场和温度场，工件表层的受热、受挤压部分 伸长，但受其他未加热和未挤压部分阻止不能伸长， 产生压应力．同理，未加热和未挤压部分受到拉应 力．
图６为切削过程中的应力等值线图．从图中可 以看出，在刀具前方主应力主要为压应力，而刀尖附 近及刀具经过的表面主要为拉应力．压应力的最大 值发生在刀具后下方，且在刀具经过表面薄层内存 在较大的切削应力．
摘要：为优化正交切削加工参数，采用弹一塑热耦合有限元方法，建立正交切削加工有限元模
型．应用ＤＥＦＯＲＭ软件，模拟出４５号钢件切削过程中变形区内温度、应力、应变以及切削力的分
布，采用自适应网格重划技术避免大塑性变形引起的网格畸变．该仿真结果能对切削加工参数的
选择及实际的切削加工提供指导．
关键词：正交切削；有限元；切削应力；ＤＥＦＯＲＭ
切削刀具尺寸参数与工件特性参数见表１．
表１切削刀具尺寸参数与工件特性参数
参数切削速度摩擦因数材料密度弹性模量 热导率Ａ／
名称ｖＪｍｍ·ｓ～
“ｐ／ｋｇ·ｍ３
Ｅ／Ｐａ Ｗ·ｍ～·Ｋ
根据第２．１节的假设和表１建立的正交切削加 工模型和物理特性模型见图２．将切削过程看作是 产生塑性变形且发生切削与工件分离的过程．在局 部切削区域内，产生高温大变形，这种大变形会使初 始网格产生严重畸变．ｈ５１这种网格畸变会对求解
到稳定后，却因节点的不断分离而具有波动现象，与 以往的研究和实验对比，说明此次仿真很好地反映 初始加工瞬间切削力的变化情况，对设备和夹具的 设计或选用很有帮助．
图４切削过程中工件及切削的温度分布云图
从图４可见，最高温度分布在刀具刚刚经过的
切削面以及前刀面与切削接触的部分，这主要是由 于工件的塑性变形和切削一刀具界面的摩擦使得刀
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｃｕｔｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｏｒｔｈｏｇｏ— ｎａｌ ｃｕｔｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｓ ｂｕｉｈ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ—ｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ ａｎｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｕｐｌｉｎｇ，
ｆ编辑予杰｝
万方数据
图６切削应力吼－等值云图 在切削加工过程中，加工表面会产生弹塑性变 形．加工结束后，弹性变形恢复而塑性变形使得加工 后的工件不符合加工要求．因此，对加工表面变形量 的研究就显得尤为重要．通过对不同参数条件的仿 真，选择适当的参数，从而降低切削带来的温度、应 力和切削力，从而提高切削加工的质量和效率．
本文使用ＤＥＦＯＲＭ软件动态仿真单刃正交切 削过程，得到不同加工时刻工件的应力、应变以及温 度分布，仿真不同切削参数对加工残余应力的影响， 为今后加工选择合理的参数提供依据．
收稿日期：２００７—０８—１７修回日期：２００７－０９—３０ 基金项目：国家“十一五”科技支撑计划项目（２００６ＢＡＪｌ２８０５）；沈阳市科技局基金项目（１０５３１２５·１－０６） 作者简介：郑夕健（１９６３一），男，山东荣成人，教授，博士研究生，研究方向为机械产品现代设计方法、工程机械产品设计与开发、物流装备设计
（４）应用ＤＥＦＯＲＭ软｛牛，在切削发生大变形的 区域可以采用动态自适应网格技术解决由于网格变 形过大丽导致的畸变，增加求解精度．
参考文献：
［１］ 昊玉华．金属切鲥加工技术［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９８：３－６． ［２］方刖，曾攀．纫削加工过程数值模拟的研究进展［Ｊ］．力学进展，２００１，３１（３）：３９４４０４． ［３］ 丁峻宏，李根国，金先龙，等．盾构刀盘切削的三堆并行数值模拟［Ｊ］．计算机辅助工程，２００６，１５（ｓ１）：３０３－３０７ ［４］黄劳，砖成文，郭乙本，金属正变切烈加工过程的耆限走分析［Ｊ】。机械强度，２００３，２５（３）；２９４２９７。 ［５］ 宋冬利，焦四海．欠型塑料模具钢模＝魄淬火工艺的有限元分析［Ｊ］．计算机辅助工程，２００６，１５（Ｓ１）：４３７４４０． ［６］黄志嘲，耪凌林，王立涛．金属切裁加工毒限无模耘的相美技术研究［Ｊ】。中圆机械王程．２００３，１４（１０）：８４６－８４９ ［７］ 顾立志，袁哲俊．正交切削中切削温成分布的研究［Ｊ］．机械工程学报，２０００，３６（３）：８２＿８５＋
产生影响：一是会降低求解精度；二是刀具模型会嵌 入材料内部与实际情况不符，导致求解无法进行．因 此，需要采用自适应网格重划技术，使得被加工部分 网格细化，没有加工和已加工的部分网格较粗．采用 ＤＥＦＯＲＭ中的网格重划技术，将工件的网格重新划分 为四边形、三角形或者二者的混合．在每个增量步开 始前，通过设定单元的最大和最小边长的值来控制网 格重划准则．切削形成过程中网格的变化见图３．
图２正交切削加工的模型
图１切削区域分布 第２变形区又可以分为黏着区和滑动区．在黏 着区内，工件附着在刀具上，与切削发生剪切摩擦， 产生热量．切削过程中切削的最高温度点通常在滑 动区内．
２切削过程有限元仿真
２．１基本假设 切削过程十分复杂，必须对模型进行简化并建
立假设条件，弹塑性有限元的条件假设怛’３１为：（１） 材料是非黏性的，其力学性质即本构关系与时间温 度无关；（２）材料是各向同性的；（３）材料符合Ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ屈服准则． ２．２仿真几何与物理特性建模
０引 言
切削工艺过程非常复杂，涉及弹性力学、塑性力 学、断裂力学、摩擦学、热力学等．‘１１因此，传统的解 析法很难对切削机理进行定量分析和研究．近年来， 计算机的飞速发展使得通过计算机数值模拟的方法 研究切削加工过程以及各种参数之间的关系成为可
能．有限元方法在切削工艺中的应用表明，切削工艺 和切削形成的有限元模拟对了解切削机理及切削的 形成等有很大帮助．
（下转第４６页）
万方数据
百度文库
（上接第４２页）
３ 结论
（１）在平面应变结构一热耦合的情况下，得到 刃其前方的变形区凌主要是压应力，刃具经过表题 主要为拽应力，且数值很大．工件表层很薄厚度内存 在较大的加工应力．
（２）仿真蹬工件在甥削过程审各区域溆度、切 削应力、应变分布以及刀具切削力大小．
（３）可依据仿真结果对实际的切削过程加工进 行指导，为切潮加工参数的选择莫定基础．
中图分类号：ＴＨｌ２３．２；ＴＢｌｌ５；ＴＰ３９１．９
文献标志码：Ａ
ｃｕｔｔｉｎｇＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ
Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏ ｏｎ ｎ ｏｒｏ。 ｃｅｓｓ １ Ｏｌ ｏｒｔ‘ｈ。ｏｇｏｏｇｏｎｎａａｌｌ ｃｕｔｔｉｎｇ
ＺＨＥＮＧ Ｘｉｊｉａｎｌ”，ＱＩ Ｚｕｏｑｉｕ２…，ＺＨＡＮＧ Ｇｕｏｚｈｏｎ９１
万方数据
４２
计算机辅助工程
２００７生
『Ｔｆ＝／ｚｏ－。
（当Ｔｆ＜丁。。。即滑动区），１、
【ｔ＝丁。。。
（当ｔ≥ｒ。。。即黏着区）
式中：ｔ为摩擦应力；盯。为摩擦正应力；肛为摩擦因
数；丁…为材料的剪切应力．
２．５有限元仿真结果
２．５．１ 工件及切削的温度仿真
图４为切削过程中第３００步时工件上的温度分 布云图．
具前刃局部区域的温度在数秒内上升到很高，切削
的塑性变形是导致温度上升的主要因素．单位体积
内的热生成率可通过等效应力和等效应变速率计
算，计算公式见式（２）．
Ｑ＝ｏ＇否／Ｊ
（２）
式中：孑为等效应力；否为等效应变速率；ｔ，为热功当 量．
工件和刀具之间的摩擦生热是另一个主要热
源，可通过式（３）获得．
ｑ＝＂Ｔｆ／ｖｆ／Ｊ
ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ａｖｏｉｄ ｔｈｅ ｍｅｓｈ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｌａｒｇｅ ｐｌａｓｔｉｃ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｃａｎ ｈｅｌｐ
ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｆｏｒ ｃｕｔｔｉｎｇ ａｎｄ ｇｉｖｅ ａｎ ａｄｖｉｃｅ ｆｏｒ ｃｕｔｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｃｕｔｔｉｎｇ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ；ｃｕｔｔｉｎｇ ｓｔｒｅｓｓ；ＤＥＦＯＲＭ