金属切削加工热弹塑性大变形有限元理论及关键技术研究
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刘战强
艾 ! 兴等
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金属切削加工有限元法的理论基础
从整个加工过 程 来 看 & 切削加工工艺属于冷
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$! 金属切削加工有限元模拟的关键技术
>= 工件的材料模型 在金属切削加工过程中 ! 工件材料处在高温 ’ 大应变和大应变 率 的 情 况 下 发 生 热 弹 塑 性 变 形 ! 因此综合考虑各因 素 对 材 料 流 动 应 力 的 影 响 ! 构 建能够真实 反 映 被 加 工 材 料 + 三 高 ,特 点 的 材 料 模型 ! 是保证加工 过 程 动 态 物 理 仿 真 结 果 正 确 性 和可靠性的基础和前提 #
中国机械工程第 ! & 卷第 ’ 期 $ # # % 年 ( 月下半月
金属切削加工热弹塑性大变形 有限元理论及关键技术研究
唐志涛 刘战强 艾!兴 付秀丽
山东大学 ! 济南 ! $ ) # # ’ !
摘要 ! 基于有限变形理论 " 虚功原理和更新的拉格朗 日公式 建 立 了 热 弹 塑 性 本 构 方 程 ! 导出了热弹 如 材 料 模 型! 工 件 和 切 屑 的 分 离" 断 塑性大变形耦合控制方程 # 对切削加工有限元模拟 中 的 关键 技术 ! 裂准则 ! 刀具 " 切屑间的接触摩擦模型以及切削热进行 了探 讨 ! 针 对这些 关 键 技 术 建 立 了 正 交 切 削 加 工 铝合金 % 对切屑形态 " 切削力 " 切削温度以及应 力场和 应变场 等物 理量的 分布进 # ) # 0 % * ) ! 有限元模型 ! 行了有效预测 # 关键词 ! 切削加工 " 热弹塑性大变形 " 有限元 " 摩擦 中图分类号 ! % 0 b ) # !" 0Y ! $ (!!! 文章编号 ! ! # # *#! ( $ 8$ $ # # % # ’## % * ’## ’ 9" 3 S / AW * ’ 2 $ . + ’ & + 3 # ) +% & + 3 # )H + 2 ’ +/ ’ A . 2 $ + 3 # . ,5 # , # 3 ’0 & ’ $ ’ , 3 <. 6 W * ’ . 2 , /; ’ ’ ) * , # S ’ -. A( ’ 3 + &@ S 3 3 # , # $ S & + 3 # . , <+ <W ^ 6" 0 B 5 : > L B ; D > <9 : B 5 > B 5 >8 > 5 <8 > < A > @9 a @ ] @ 6 & = > 5 B 5& $ ) # # ’ ! / : B 5 Q ; 5 5 > H I J K > L @4 M ! & 9 : 3 2 + ) 3\ B K I Q; 5L : I R > 5 > L IQ I R ; J S B L > ; 5L : I ; J > J L < B AT ; J [L : I ; J 5 Q< Q B L I QD B J B 5 IR ; J V M H MB ? @ @ L : IL : I J S ;+I A B K L > O+? A B K L > OO ; 5 K L > L < L > H II < B L > ; 5B 5 QA B J I+Q I R ; J S B L > ; 5R > 5 > L II A I S I 5 L S < A B L > ; 5& a @ & ; H I J 5 > 5 < B L > ; 5T I J IQ I J > H I Q U/ ; S I[ I I O : 5 > < I KK < O :B KS B L I J > B AS ; Q I A O : > I B J B L > ; 5B 5 Q @ @I a ML a ?K ? & ’ Q B S B IO J > L I J > B R J > O L > ; 5O ; 5 Q > L > ; 5 KB A ; 5 : IJ B [ I R B O I O : > > 5 L I J R B O IB 5 Q: I B L@ I 5 I J B L > ; 5 > 5L : I R > 5 > L I @ @L ? & I A I S I 5 L K > S < A B L > ; 5; RS I L B A O < L L > 5 J ; O I K KT I J IQ > K O < K K I Q > 5Q I L B > A K U 6 > 5 B A A > 5 > L II A I S I 5 LS ; Q I A @? M BR & & B 5 Q? J I Q > O L K L : I O : > ; J : ; A ; O < L L > 5 ; R; J L : ; ; 5 B A O < L L > 5 # ) # 0 % * ) !B A < S > 5 < SB A A ; B KP < > A L ?S ? @ M @ @ @% MT & & R ; J O I O < L L > 5 I S I J B L < J I I R R I O L > H IK L J I K KB 5 QK L J B > 5Q > K L J > P < L > ; 5U @L ? ! " " ; ’ 7 . 2 / O < L L > 5 L : I J S ; +I A B K L > O + A B K L > O A B J I +Q I R ; J S B L > ; 5" R > 5 > L II A I S I 5 L R J > O L > ; 5 @ ? @ <
#! 引言
切削加工过程是一个复杂的强热力耦合的动 态物 理 过 程 & 不 仅 涉 及 弹 性 力 学( 塑 性 力 学( 断裂 力学 & 还 有 热 力 学( 摩 擦 学 等 多 学 科 的 交 叉& 利用 传统的解析方法 & 很难对切削机理进行定量的分 特别是有限元法 & 析与研究 ) 借助数值仿真技术 & 可有效预测热力耦合作用下的切屑形态 & 工件 ( 刀 具以及切屑中的非均匀应力场 ( 应变场和温度场 & 以及切削力 ( 刀具磨损 & 工件加工表层残余应力等 一些物理量的分 布 情 况 & 从而建立切削加工工艺 参数 $ 加 工 路 径( 切 削 参 数( 刀 具 几 何 参 数( 装夹 等% 与 这 些 物 理 量 的 关 系 模 型& 进行工艺参数 优化 )
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尖与刀尖前单元节点的距离变化来判断切屑与工 件 分离与否 # 如图!所示 ! 当节点 8 和刀尖B 之间 其中一 的距离 < 达到临界值时 ! 8 点被分成两个 ! 个节点沿前刀面向 上 移 动 ! 另一个保留在加工表 面上 #
7 % E 7 " 为节点 E % 度 和等效应变率的变化率 ! 7 Q 2 Q 5 ", # 5 ", % E " E 5
加工的范畴 & 但从切屑形成的局部来看 & 切削加工 工艺具有高温 ( 大变形的特点 & 为了耦合机械载荷 可采用热弹塑性大变形有 和热载荷的相互 作 用 & 限元法 ) =U =! 热弹塑性本构方程 假设材料具有各向同性 基于有限变形 理 论 & 应变硬化的 特 性 & 塑性条件满足 H ; 5X > K I K屈 服 准则 & 采 用弹 塑性增 量理论 , J B 5 Q L A +N < I K K流 动 法则 & 则在弹性变形区域的热弹塑性本构方程为
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切削加工过程是一个复杂的强热力耦合的动 态物 理 过 程 & 不 仅 涉 及 弹 性 力 学( 塑 性 力 学( 断裂 力学 & 还 有 热 力 学( 摩 擦 学 等 多 学 科 的 交 叉& 利用 传统的解析方法 & 很难对切削机理进行定量的分 特别是有限元法 & 析与研究 ) 借助数值仿真技术 & 可有效预测热力耦合作用下的切屑形态 & 工件 ( 刀 具以及切屑中的非均匀应力场 ( 应变场和温度场 & 以及切削力 ( 刀具磨损 & 工件加工表层残余应力等 一些物理量的分 布 情 况 & 从而建立切削加工工艺 参数 $ 加 工 路 径( 切 削 参 数( 刀 具 几 何 参 数( 装夹 等% 与 这 些 物 理 量 的 关 系 模 型& 进行工艺参数 优化 )
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力的影响 ! 特别适 合 用 来 模 拟 高 应 变 率 下 的 金 属 材料 # 另一种适合金属切削高应变率特点的流动应
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尖与刀尖前单元节点的距离变化来判断切屑与工 件 分离与否 # 如图!所示 ! 当节点 8 和刀尖B 之间 其中一 的距离 < 达到临界值时 ! 8 点被分成两个 ! 个节点沿前刀面向 上 移 动 ! 另一个保留在加工表 面上 #
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