金属切削过程中刀具热变形对加工精度的影响

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1、机械设计与制造第11期218MachineryDesign&Manufacture2008年11月文章编号：1001—3997(2008)11—0218—03金属切削过程中刀具热变形对加工精度的影响胡旭林(长春工业大学基础科学学院，长春130012)ThenumericalsimulationanalysisoftoolsstressintheprocessofmetalcuttingHUXu—lin(ChangchunUniversityofTechnology，Changchun130012，China)【摘要】基于数值模拟技术，借助

2、于大型通用有限元软件ANSYS，成功地模拟出了金属切削过程中的切削力、切削热产生变形等问题。再通过有限元后处理结果来验证与理论分析的合理性和正确}生。关键词：数值模拟；ANSYS；切削热；热变形【Abstract】Adoptingthetechniqueofnumericalvaluesimulation，accordingtousingthesANSYSwegotthecuttingforce，cuttingformingandthequestionofdistortioninthecourseofmetalcutting．Thenva

3、lidatetherationali~andcorrectnessofthetheoryanalysisbythepostprocessorresultsofansys／s．Keywords：Numericalsimulation；ANSYS；Cuttingheat；Heatdistortion中图分类号：TH16，O241．82文献标识码：A1引言料不必输人应力—应变曲线。而工件材料渤由瑚于在锄切蜘削伽过程中既舳有0弹性变形，又有塑性变形，所以必须建立一个正确的应力～应变计算机技术是当代发展最迅速的一门学科，由于它和现代数关系才能完成以

4、上过程。选取工件材料为45#钢，其弹性模量E学，力学及新的计算方法的结合，出现了一门广泛吸收现代数学，=209GPa，泊松比／x=0．269，极限应力o'b=520MPa，屈服应力=力学等学科的理论基础，并借助于计算机技术而发展起来的-i'q377MPa，极限变形26％，屈服应变：1600~E。根据以上分析的新型的学科—数值模拟技术。通过这项技术，可对许多工程中的材料模型，其应力—应变曲线，如图1所示。实际问题进行数值仿真，从而加快了设计的速度，提高了设计的可靠性。这项技术工程上也称之为虚拟技术。近年来，该技术在工程中的许多领域得到了广泛

5、应用和推广，是现代工程学形成和发展的重要推动力。山0数值模拟技术是虚拟设计的核心技术，工程中常用的数值模妖拟技术有：有限单元法、边界元法、离散单元法和有限差分法，但就其实用性和应用的广泛性而言，有限单元法是最常用的。近年来，有限元分析技术在计算机技术发展的推动下不断发展，有力应变促进了虚拟设计技术的推广和应用。本研究就是应用大型通用有图1直角自由切削有限元模型限元软件ANSYS成功地模拟出了金属切削过程中的热应力、热对于二维自由直角切削，我们建立了平面图形的有限元模变形、切屑形成及分离等问题。型，如图2所示。2建模与计算2．1建立有限元模

6、型在金属切削过程中，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，最后脱离已加工表面形成切屑，整个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(本构方程)、强化准则。本论文采用米赛斯屈服准则、列维一米赛斯本构方程、多线性等向强化准则。图2工件材料的应力—应变曲线为了使数值模拟研究更具有代表性，本论文选取硬质合金刀具几何参数为：前角l0。，后角8。。对于切人状态模型定义YT15作为刀具材料，其弹性模量E=530GPa，泊松比0_3。由于单元类型为VISCO106和PLAN

7、E182，通过网格划分工件划分为刀具在切削过程中只进行弹性分析，不涉及塑性问题，故刀具材1750个单元，刀具分成100个单元；对于稳定状态模型定义单元★来稿日期：2008一叭一l4第11期胡旭林：金属切削过程中刀具热变形对加工精度的影响219类型为Plane42和Plane55，总共划分了207个单元，用有限元技切削中总的发热强度为：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Q总=：(277×120)，60=553(J／s)；系，并指定分离准则。进入刀具的热量Q刀是总热量的5％，2_2给模型加载及计算Q月=Q总×5％=553

8、x0．05=27．62(J／s)．为了模拟自由直角切削时工件和刀具的切削运动，在工件左如图5所示，为车刀传热学模型，当热量以箭头方向传人刀侧施加了方向的约束，在工件底部施加了和Y两个方向约体后