切屑形成过程的有限元仿真研究

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1、切屑形成过程的有限元仿真研究本文探讨了切屑形成过程的3一D实时模拟过程;获得了加工过程中工件和切屑中的应力、应变分布情况;获得了斜刃切削条件下切屑卷曲的有限元仿真结果。仿真的结果与相关实验结果进行了比较，发现它们具有很好的一致性，表明了切屑形成过程的有限元模型在切屑形成控制上具有一定的实用价值和研究意义。关键词:有限元法，切屑形成，数学建模，切削力仿真1.切屑形状参数数学模型的建立在金属切削加工过程中，切屑形状千变万化，要实现切屑形成过程仿真，必须将切屑形状参数化，并根据加工条件计算这些参数。多年来，国内外学者对切屑形状

2、及其形成进行了大量深入的研究，建立起十几种切屑形成模型，在切屑流动方向、切屑卷曲机理和切屑折断方式等方面取得了重要成果。但由于切屑问题极为复杂，许多研究尚属于定性分析，特别是对切屑横向卷曲还没有量化计算的方法。本文根据切屑的形成机理及变形规律，给出了切屑的分类，并将各种切屑抽象，分析了切屑量化的基本参数，建立了切屑形状参数数学模型，为切屑生成的实时仿真提供了依据。切屑的种类与工件材料以及切削条件有关，可分为带状切屑、节状切屑、单元切屑和崩碎切屑等4种，本文主要研究对象为易形成带状切屑的塑性较好的材料。根据CIRP切屑分类

3、法[1]，可将之分成如下四种基本类型:(1)连续螺旋屑;(2)发条屑;(3)C形屑或弧片形屑;(4)垫圈形切屑。刀具切入工件时，切削层金属经剪切面发生塑性滑移变形成为切屑，经刀具前刀面后，卷曲变形，自然形成一个等螺距螺旋形切屑。其形状可由螺旋外径2、螺距p、螺旋面与轴的夹角确定(如图1)。切屑流出后受工件、刀具及机床等阻碍引起再度变形切屑流出后受工件、刀具及机床等阻碍引起再度变形或折断，从而产生各种类型的切屑，因此，其它类型切屑均可视为螺旋切屑的演变和组合。从切削机理方面分析，影响螺旋形切屑形状因素有:上向卷曲曲率，横向

4、卷曲曲率和切屑的流出角。根据上面的参数，则切屑的形状参数可以表示为[2]（1.1）（1.2）（1.3）切削加工过程中，、和受到许多因素的影响，这些因素主要包括加工参数、刀具尺寸、工件和刀具的材质以及切削用量等。图1螺旋切屑形状参数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2一D模型[3]，2一D有限元模型仅仅适合于正交切削的仿真，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3一D有限元模型来仿真切屑形成

5、过程。本文主要采用3一D有限元模型仿真切屑形成过程，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。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开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2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[4]。图2网格划分图2.2材料属性的定义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，工件材料根据需要选择相应材料。与实验加工的材料相对应，输入正交材料属性(杨氏

6、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。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。如对应力、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。应该将工件底面节点设定为Y方向速度为O，右侧面设定为X方向速度为0，刀具以一定的速度沿X正方向运动。这样就允许工件切入表面可以在切削力的作用下向X正方向少量

7、变形，符合实际情况。如图3，具体设置如下:图3研究切入阶段的_l:件边界条件实现图1）在工件底面建立一个刚性面，与工件为相互粘结(glue)，X、Y、Z方向速度为O;2）在工件的z方向的侧面建立一个刚性面，与工件为相互粘结(gule)，X、Y、z方向速度为O;3）在工件右侧面建立一个刚性面，工件为接触(tuoching)，X、Y、Z方向速度为O。以上论述了建模过程中的主要参数设置及其关键所在，具体细节没有详细描述。至此，有限元模型的构造己基本结束，模型完成后就可以递交分析、计算。3.仿真结果与分析图4中的五幅图显示了用带

8、有钝圆刀刃的刀具进行切削加工，其切削过程的仿真过程，同时也是切屑的形成过程。通过3D模拟的结果形象动态展示了工件材料在刀具的作用下，发生变形，切屑与工件逐渐分离，切屑发生卷曲变形。图4切削过程的3D模拟图图5等效应力分布图(MPa)图6等效应变分布图3.1切削力的有限元仿真结果与分析图7显示了仿真结果与文献上的实验结