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高速金属切削的摩擦分析及有限元模拟

Fr iction Ana lysis and F in ite Elem en t S i m ula tion s of H igh2speed M eta l Cuttin g
W a ng X iao Lu S hub in Gao C hua nyu
( J iangsu U niversity, Zhenjiang J iangsu 212013, China)
表 1 工件与刀具的材料特性
泊松比
013 0122
- 1 - 1 比热 / (J ・ kg ・ ℃ )
热传导率 / (W ・ m
5115 120
- 1
- 1 ・ ℃ )
热膨胀系数 / ( × 10
- 6
- 1 ℃ )
470 34313
113 ( 425 ℃) 114 ( 650 ℃) 512
3 切削模型
收稿日期 : 2006 - 06 - 19 作者简介 : 王霄 ( 1964 —) , 男 , 博士研究生 , 副教授 , 主要研究方向 : 微造型及性能数值模拟 , CAD /CAE /CAM , 虚拟样机技术等 1 E 2 mail: wx@ ujs1 edu1 cn1
在早期的切削加工分析中 , 普遍采用传统的库仑摩擦理论 , 其认为前刀面上摩擦剪切应力与正应力成正比 , 数学公式如下 : τ σn ( 1) f =μ σ μ 式中 : τ 为摩擦剪切应力 ; 是正应力 ; 是摩擦 f n 因数。
和刀 2 屑接触长度的预测值更接近参考文献中的值。定性上说明了粘结 2 滑移摩擦模型更符合金属切削的实际摩擦模型 , 也证明了刀 2 屑接触表面上滑移摩擦和粘结摩擦是同时存在的。 6 结论 ( 1 ) 在金属正交切削过程中 , 刀 2 屑接触表面不仅存在滑移摩擦 , 同时还存在粘结摩擦。 ( 2 ) 所建立的滑移 2 粘结摩擦模型能较好地反映了金属切削的真实摩擦状况 , 同时也说明了利用有限元方法分析金属切削加工的过程是有效的手段 , 这为切削的有限元分析提供了良好的理论基础。

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。

高速切削TC4有限元数值模拟研究

磨损，机技术，发展。

Komanduri ［1切失稳理论。

Iwata ［2］建立一个刚塑性有限元模型，模拟了切屑的厚度以及切屑的卷曲。

Obikawa 和Baker ［3-4］采用几何分离准则，并在预先定义分离线的情况下，仿真出连续锯齿状切屑。

上述研究有的以单一变量为研究对象，有的采用与实际加工有较大差距的几何分离准则，对实际加工没有借鉴意义。

以TC4的切削过程为研究对象，采用与实际加工过程相近的物理分离准则，更好地得到了材料弹塑性流动趋势。

仿真结果的提出忽略了刀具与工件之间温度场的影响。

故研究锯齿状切屑［5-8］。

它源于塑围环境基本一致，塑性硬化占主导地位；第二阶段随着塑性硬化的下降和应变软化的增加，材料呈现二者的平衡状态；最后一个阶段因为材料的导热性差，进一步引起材料的局部塑形剪切失稳。

由于高速切削，热量没有时间传递出去，加剧了这种情况的发生。

本研究利用绝热剪切理论来生成锯齿状切屑。

周期性断裂理论认为锯齿状切屑的形成是由于从工件自由表面向切削刃扩展一定距离的周期性整体断裂造成的。

高速切削TC4有限元数值模拟研究郭磊1，吴红兵2（1.太原科技大学，山西太原030000；2.浙江大学宁波理工学院，浙江宁波315100）摘要利用有限元分析软件，研究刀具高速切削钛合金时锯齿状切屑的形成过程。

模型采用绝热剪切准则，有效解决了锯齿状切屑形成的问题。

仿真模拟了刀具在不同切削深度以及不同切削速度的情况下，参数的改变对切削过程的影响。

结果表明，锯齿状切屑的形成与绝热剪切有关。

关键词锯齿状切屑；高速切削；绝热剪切；钛合金中图分类号TH16文献标识码Ａ文章编号1004-244X （2013）02-0088-04Abstract The studied with finite element effectively solved.The influence that the formationof saw⁃tooth Key words 收稿日期：2012-11-02；修回日期：2013-02-25作者简介：郭磊，男，硕士研究生。

淬硬钢高速切削过程的有限元仿真

淬硬钢高速切削过程的有限元仿真制造业始终在探索零件产品的低成本加工方法和对现存工艺的高效率利用与改进,高速切削加工是先进制造技术的一个重要组成部分,已成为淬硬钢等高硬度材料切削加工的重要手段。

PCBN刀具的出现及其精密加工过程可以满足这些零件的加工要求,而替代或减少磨削加工。

本文以有限元理论为基础,针对高速硬态切削淬硬钢的特点,利用MSC.Marc 和ABAQUS/Explicit两种有限软件建立了适于硬态切削的二维平面应变有限元模型,模拟了硬态切削中连续与锯齿状切屑形成过程和刀具的磨损情况。

考虑工件材料机械物理性能随时间的变化和流动应力受应变、应变速率和温度影响特性来模拟材料的非线性问题;采用MSC.Marc的网格重划分技术和ABAQUS/Explicit 的剪切失效准则、单元去除和自适应重划分技术模拟了切屑的形成;为了处理硬态切削过程中的几何非线性问题,分别采用了更新的Lagrange格式的有限元法与ALE法;采用库仑摩擦模型模拟硬态切削过程中的摩擦问题;利用ABAQUS结合Python语言,模拟分析刀具的磨损。

在高速硬切削过程中,切削力随着切削宽度增加而成比例增加,形成锯齿状切屑时切削力随着锯齿的形成与发展呈周期性变化;切削区温度随切削宽度增加略有增加;圆弧刃和倒棱刃刀具的已加工表面残余应力具有相同的变化规律和最大应力值;锋利刃、倒圆刃和倒棱刃3种常见的刃口形式中,锋利刃由于刃口强度差不适合淬硬钢的切削加工,倒圆刃和倒棱刃相比,倒棱刃的切削温度分布好,已加工表面温度低;ABAQUS与Python语言结合可以预测刀具磨损情况。

采用Element Six公司的AMBORITE DBA80刀具在CA6140车床上对淬硬轴承钢GCr15(HRC60-62)进行了一系列切削力、切削温度实验。

通过试验与仿真分析对比,有限元仿真切削力、切削温度和已加工表面残余应力有较好的精度,并可以模拟加工过程中的不连续切屑形成和刀具磨损。

基于ABAQUS的不锈钢材料切削过程的模拟与数值分析

论文研究了不同切削参数对直角切削和立铣过程的切削力、切削温度和切屑的影响。
1.通过研究 AISI-316L 材料 Johnson-cook 本构方程、刀-屑接触模型、切屑分离模型、切屑损伤断裂等关键技术建立了正交切削有限元模型。其中切屑分离模型是整个切削模拟过程中最重要部分，对切屑的形成机理也有重要作用，论文采用单元累进损伤失效技术，将上述关键技术分别应用在切削过程的有限元仿真中。
2.加工硬化现象。由于 316L 不锈钢在加工过程中的网格畸变引起的加工硬化现象，其表面硬化强度可到 1800Mpa，其硬化层厚度约占整个加工深度的 1/3 甚至更大，表面强度也提高至接近原来的 2 倍左右。发生加工硬化更深层次的原因主要是，材料内部晶格发生扭曲和滑移，在高温下部分奥氏体组织发生金相变化生成了更稳定的马氏体结构，同时材料中所含的杂质也发生扩散，使材料的组成结构发生变化，最后产生加工硬化层。虽然一定的硬化层会提高零件的机械性能，提高抗应力腐蚀能力，但是会在加工过程中增加刀具与零件的摩擦，加速刀具的磨损现象，同时对零件的表面粗糙度也是有一定影响的。
1.3 不锈钢的切削加工特点
以 AISI-316L 不锈钢(国内牌号 00Cr17Ni14Mo2)为例，其可加工厚度一般在 0.3mm-0.5mm 之间，是一种难切削材料。不锈钢材料切削加工的特点主要是以下几个方面[5-14]:
1.切削力大。316 不锈钢的抗拉强度和硬度随温度变化幅度较小，普通材料在加工过程中会随着加工温度的升高，强度发生下降，很容易发生切屑分离，完成切削过程。316L 材料在常温下强度与硬度接近于中碳钢，但当在温度升至 700℃时仍不能降低其机械性能(500℃时的σ b =500Mpa)，使工件很难发生切屑分离。从而引起加工过程中的切削力过大，影响刀具寿命。同时由于其相对于普通钢材良好的延伸性，加工时塑性应变偏大，导致材料内部晶格发生严重扭曲，同时连带产生加工硬化的现象。而上述这些因素都会引起加工过程的切削力偏大。

基于DEFORM-3D的不锈钢切削力有限元仿真

涉及到材料学、学、力热学及摩擦学等相关知识。以
前，学者通常通过试验和解析的手段来研究切削过程，
往往耗时、耗力、成本高，难以精确测量切削力、应力应变、温度场分布等关键数据，而计算机技术的飞速发展使得利用有限元方法来研究切削加工成为了可能 ¨ 引。
内牌号为０ｒ８ｉＣｌＮ９不锈钢）。
金属切削过程中，刀具切人工件，使被加工材料发生变形成为切屑所需要的力称为切削力，它包含主切削力、进给力和背向力３部分。因为主切削力是计算车刀强度、设计机床零件和确定机床功率的主要依据，因此，择主切削力作为研究对象。选相关的仿真参数见表１。表１仿真切削参数表
体常应变单元划分网格。通常在一些场变量变化梯度较大的区域，划分较为致密的网格，反之则应划分较为
稀疏的网格。
４２相关结果分析．图２表示主切削力仿真曲线。从图中可看出，主切削力先由零线性增大至最大值，然后减少并逐步接近稳定，这与实际的切削过程一致。当刀具开始
削过程进行了建模与仿真，分析Ｏｒ８ｉＣｌＮ９不锈钢的切削力变化规律以及切削速度和进给量对其切削力的影响．同理并论计算结果进行对比验证。研究表明，ＥＯＭ－Ｄ软件所得仿真数据与理论计算结果吻合度较高，明仿真结果具有ＤＦＲ３说较高的可信度，系统地研究金属的切削过程提供了一种新的途径。图４表１参１为０关键词：削加工；ＥＯＭ一Ｄ软件；切ＤＦＲ３有限元仿真；削力切

PCBN高速切削25CrM04过程的切削力研究

ｍｅｎｓｉｏｎｌａｉｆｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌＷａｓｂｕｉｌｔｗｉｔｈｔｈｅａｉｄｏｆＤｅｆｏｒｍ－３Ｄｓｏｆｔｗａｒｅａｎｄｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｗａｓｓｉｍｕｌａｔｅｄ．Ｖａｒｉａｔｉｏｎｌａｗｏｆｃｕｔｔｉｎｇｆｏｒｃｅｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｕｔｔｉｎｇｓｐｅｅｄｓ，ｂａｃｋｃｕｔｔｉｎｇｄｅｐｔｈｓａｎｄｆｅｅｄｓｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓ，ａｎｄｈｅｔｏｐｔｉ－
（ＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｉｒｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｉｒｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＺｈｅｎｇｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＬｉｇｈｔ
ｍｕｍｃｕｔｔｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄｔｈｒｏｕｇｈｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓ．Ｃｕｔｔｉｎｇｅｘｐｅｉｒｍｅｎｔｓｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｕｎｄｅｒｔｈｅｏｐｔｉ－ｍａｌｃｕｔｔｉｎｇｐａｒｍｅａｔｅｒｓ．Ｔｈｅｅｘｐｅｉｒｍｅｎｔｌａｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｌａｖａｌｕｅｓｏｆｃｕｔｔｉｎｇｆｏｒｃｅａｇｒｅｅｗｅｌｌｉｔｗｈｈｅｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｌｔｕｓ，ｗｈｉｃｈｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｔｈｒｅｅ — ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｌａｉｆｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｃｕｔｔｉｎｇｍｏｄｅｌｂｕｉｌｔｕｓｉｎｇＤｅｆｏｒｍ－３Ｄｓｏｆｔｗａｒｅａｎｄｔｈｅｆｏｌｌｏｉｎｗｇｃｕｔｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｈｉｔｓｃａｎａｃｃｕｒａｔｅｌｙｓｉｍｕｌａｔｅｈｉｇｈ — ｓｐｅｅｄｃｕｔｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｈａｒｄｅｎｅｄ２５ＣｒＭｏ４ｓｔｅｅｌｕｓｉｎｇＰＣＢＮｔｏｏｌｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｈａｒｄｅｎｅｄｓｔｅｅｌ；Ｈｉｇｈ — ｓｐｅｅｄｃｕｔｔｉｎｇ；Ｃｕｔｔｉｎｇｆｏｒｃｅ；Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；Ｏｒｔｈｏｇｏｎｌａｅｘｐｅｉｒｍｅｎｔ

完整_基于有限元的锻件成形过程模拟

摘要金属的镦粗是一个比较复杂的变形过程，不同的工艺参数会对变形产生不同的影响。

为了能比较客观的分析不同的工艺参数对变形的影响，本文应用DEFORM-3D 软件对锻件成形过程进行有限元分析及数值模拟计算。

基于此软件平台，模拟分析在热镦粗过程中热变形温度、变形速率对锻件内部的等效应变，等效应力，温度场及金属流动速度的影响，分析模拟过程中对工件变形的影响。

结果表明，变形初始温度、变形速率均对变形产生影响，但是温度的影响更显著。

在镦粗过程中，由于应力变化不均匀，会导致工件产生鼓型。

关键词：有限元 DEFORM-3D 等效应力等效应变鼓形目录1 引言 (3)2 有限元理论简介 (3)2.1 有限元的应用情况 (3)2.2 刚塑性有限元法的理论计算 (5)2.2.1 刚塑性有限元法基本方程 (5)2.2.2刚塑性有限元法变分原理 (6)2.3 DEFORM软件的介绍及应用情况［9］ (7)2.3.1 Deform软件的模块结构 (8)2.3.2 Deform软件的功能 (9)3 基于DEFORM-3D的矩形坯料镦粗的模拟分析 (10)3.1 本节主要内容 (10)3.2网格的划分［10］ (10)3.3 温度场的定义 (11)3.4 摩擦因子的分析 (11)3.5 材料的选取 (11)3.6 模锻工艺数值模拟方案［11］-［14］ (11)3.6.1 变形速度对锻件成形的影响 (12)3.6.2 变形温度对锻件成形的影响 (14)3.6.3 变形温度对金属流动的影响 (16)3.6.4 不同下压量对工件变形的影响［15］ (17)4 结论 (20)谢辞 (21)参考文献 (22)1 引言锻造工艺因为有细化工件晶粒和提高工件强度的优点，所以广泛应用于工业生产。

镦粗的目的主要有以下几种［1］-［2］：⑴由横截面积较小的坯料得到横截面积较大而高度较小的锻件；⑵冲孔前增大坯料横截面积和平整坯料端面；⑶提高下一步拔长时的锻造比；⑷提高锻件的力学性能和减少力学性能的各向异性；⑸破碎合金工具钢中的碳化物，并使其均匀分布；因而对该工艺过程的组织模拟和变形模拟引起越来越多研究者的兴趣。

带轮淬火过程的有限元分析(毕业设计说明书论文模板)

带轮淬火过程的有限元分析摘要【为分析带轮淬火过程中的各场量变化情况，利用ANSYS的热分析功能对带轮进行瞬态热传递分析。

以采用实体单元离散带轮模型及设定时间历程变量的方法来研究锻造带轮在终锻后进行淬火的过程，分析其表面到中心各个部分的温度变化。

】关键词：淬火，数值模拟，有限元法，热分析Belt wheel quenching process based on finite element analysisABSTRACT【Analysis of quenching process for belt wheel in the field variation, The use of ANSYS thermal analysis function of belt wheel for transient heat transfer analysis. By using the solid element discrete belt wheel model and setting the time history variable approach to the study of forging belt wheel in the end after forging quenching process. Analysis of the surface to the center of the various parts of the temperature change.】KEY WORDS: Quench，Numerical simulation，The finite element method，Thermal analysis目录前言 (1)第1章问题描述 (3)1.1 设置带轮初始条件 (3)第2章问题的分析 (5)2.1 瞬态热分析 (5)2.2 分析模型的选择 (5)2.3求解的问题 (6)第3章带轮瞬态热分析的求解过程 (7)3.1 建立工作文件名和工作标题 (7)3.2 定义单元类型 (7)3.3 定义材料性能参数 (8)3.4创建几何模型、划分网络 (9)3.5加载求解 (20)3.6查看求解结果 (23)第四章命令流文件 (36)第五章实验结论 (42)谢辞 (43)参考文献 (44)附录 (46)外文资料翻译 (47)前言【有限元法是以电子计算机为手段的“电算”方法，它以大型问题为对象，未知的个数可以成千上万，因而为解决复杂的力学问题提供了一个有效的工具并被广泛应用于分析其他各种问题，尤其是热分析中的场问题，甚至成了该领域主要的分析方法。

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XXXX大学毕业论文论文题目：淬硬钢材料高速切削过程的有限元仿真学院：机械与车辆工程学院专业：机械工程与自动化学生姓名：指导教师： ___摘要在金属切削加工中，对切削过程的研究有着重要的意义。

已有的研究表明，数值方法是研究切削加工过程的一种有效手段。

为此，本文采用三维热力耦合有限元模拟技术，对金属切削过程进行了系统的研究。

本文首先系统分析了金属切削过程的有限元建模理论，建立了金属切削三维热力耦合刚粘塑性有限元模型，确定了材料模型、切屑分离准则、网格划分、接触摩擦模型、磨损模型和边界条件等。

基于 DEFORM-3D 软件平台，成功地模拟了金属切削加工过程。

揭示了等效应变、温度场、刀具磨损的分布规律。

模拟结果表明该模型是可靠的。

研究揭示了主要工艺参数对切屑变形、切削力、切削温度、刀具磨损的影响规律。

通过与理论分析的比较，验证了数值模拟的可行性，为工艺参数优化、切削质量控制及刀具设计提供了依据。

关键词：切削,三维数值模拟,刚粘塑性有限元，热力耦合A B S T R A C TIn the field of metal cutting, it has an important significance to the investigation of the cutting process. The existed researches show that it is effective to investigate cutting process using numerical method. Therefore, in this paper, a systematic investigation on metal cutting process has been carried out using 3D coupled thermal-mechanical FEM numerical simulation.In this paper, the finite element models of metal cutting were first discussed systemically. A 3D finite element model under coupled thermo-mechanical effects of metal cutting has been developed based on rigid-viscoplastic FEM, and some key technologies have been confirmed, including material model, chip separation criteria, meshing, the contact friction model, abrasion model, contact boundary, etc. Based on the platform of finite element software DEFORM-3D, the processes of metal cutting were simulated successfully. The laws of distribution have been disclosed for equivalent strain field, temperature field and tool wear. The model has been validated by simulation results to be reliable.The influence of main process parameters on chip distortion, cutting force, cutting temperature and tool wear have been disclosed. By comparing with the theoretical analysis, the feasibility of the numerical simulation was validated, the obtained results may provide a guide to optimizations of process parameters, control of the cutting quality and tool design.KEY WORDS: Machining, Three dimensional numerical simulation, rigid- viscoplastic FEM,thermal-mechanical第1章绪论 (5)1.1引言 (5)1.2国内外研究综述 (5)1.2.1发展情况 (5)1.2.2有限元分析法研究高速切削 (6)1.3关于Deform-3D软件的介绍 (6)1.4淬硬钢高速切削的特点 (7)1.5难加工材料高速切削的展望 (7)1.6本文研究的主要内容 (7)第2章金属高速切削理论 (9)2.1金属切削基本理论 (9)2.1.1金属切削变形理论 (9)2.1.2热力耦合理论 (9)2.2车削过程分析 (9)2.2.1车削过程的塑性变形 (9)2.2.2切削力 (10)2.3高速金属切削的切削温度 (12)第3章金属切削过程仿真的有限元基础理论 (13)3.1有限单元分析方法概述 (13)3.2金属塑性成形有限元概述 (15)3.2.1弹（粘）塑性有限元法 (15)3.2.2刚（粘）塑性有限元法 (16)第4章淬硬钢34CrNiMo6的三维有限元模型建立 (17)4.1Deform-3D的建模理论 (17)4.1.1Deform仿真的顺序 (17)4.2刀具的模型建立 (18)4.3工件的本构关系 (18)4.3.134CrNiMo6的本构关系 (19)4.4刀具与工件的网格划分 (20)4.5摩擦模型的建立及接触问题的处理 (22)4.5.1摩擦模型的建立 (22)4.5.2接触问题的处理 (22)4.6刀具磨损模型 (23)4.7热力耦合分析技术及传热边界条件 (24)第5章34CrNiMo6的切削实验 (25)5.134CrNiMo6的材料属性 (25)5.2刀具的材料属性 (26)5.3车削的实验数据 (26)5.3.1各组切削实验数据 (26)5.4车削实验与仿真结果的试验验证 (28)第6章切削模型计算结果及分析 (30)6.1切削过程的模拟结果 (30)6.1.1切屑的形成过程 (30)6.1.2主切削力的提取 (31)6.1.3切削应力分布 (33)6.1.4切削应变的分布 (33)6.1.5温度的分布 (34)6.2切削参数对主切削力的影响 (34)6.2.1不同切削速度对主切削力的影响 (34)6.2.2进给量对主切削力的影响 (35)6.2.3背吃刀量对主切削力的影响 (35)第7章结论 (38)参考文献 (40)致谢 (41)第1章绪论1.1引言高速加工（High Speed Machining，HSM）技术是一项先进的，具有广阔应用前景的制造工艺。

经过长达60年的技术革新，高速切削加工从基础理论发展到应用于生产实际当中，大致经历了设想和理论探索、切削机理和理论的研究、应用探索、应用和逐渐成熟五个阶段。

高速切削作为一种先进切削加工技术, 近几年在航空、汽车、电子、模具等制造业中显示出明显的技术优势, 受到国内外越来越广泛的关注。

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。

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, 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。

采用的模拟方法可以部分的取代实验研究，拓展了有限元理论的应用范围，促进了硬态切削机理的研究。

基于工艺的有限元法( FEM ) 广泛应用于高速加工过程, 以实现刀具切削力、应力和温度分布、刀具磨损和残余应力等的模拟分析, 刀具切削模型和切削条件等因素的优化。

在切削加工领域, 对大部分的工件材料而言, 其流动应力和摩擦特性的获得是很困难的。

工件材料初始阶段的塑性变形或流动中产生的流动应力和瞬时屈服强度主要受温度、应力和应变等因素的影响。

在高速切削加工中, 确定精确可靠的流动应力模型成为研究工件材料加工特性的首要工作。

1.2国内外研究综述1.2.1发展情况“高速切削”的概念首先是由德国的Salomon博士提出的, 并于1931 年4 月发表了著名的切削速度与切削温度的理论。

此后, 高速切削技术经过20 世纪50 年代的机理与可行性研究, 70 年代的工艺技术研究, 80 年代全面系统的高速切削技术研究,到90 年代初, 高速切削技术开始进入实用化, 到90 年代后期, 商品化高速切削机床大量涌现, 21 世纪初, 高速切削技术在工业发达国家得到普遍应用, 正成为切削加工的主流技术。

1.2.2有限元分析法研究高速切削目前，有限元分析方法在发达国家得到了广泛的应用，国内有限元分析方法的应用领域也在不断的扩展。

利用有限元原理来评估刀具涂层，切削环境及切屑形成对切削力和切削温度影响规律的研究一直都在进行。

这在研究切削工艺参数及切屑成形机理方面有着不可替代的作用。

最早采用有限元法研究切削加工的是Zienkiewicz（辛柯维奇）和Kakino（垣野）。

Zienkiewicz 于1971年采用预先给定切屑形状然后加载刀具的方法，分析了在刀具加载过程中工件材料发生塑性屈服的区域沿主剪切平面的扩张情况。

1976年Shirakashi（白樫）和Usui（薄井）对上述模型进行了改进，考虑了刀屑之间的摩擦以及工件材料流动应力受应变、应变速率和温度影响的特性。

他们采用反复调整切屑形状，直至在某种切屑形状下产生的塑性流动跟预先设定的取得一致，以此来获得切屑的形状。

他们采用的这种迭代收敛法(Iterative Convergence Method)取得了成功，并在后续的研究中得到了应用和进一步的发展。

20世纪80年代中期，Strenkowski（斯坦诺维斯基）和Carrol（卡罗尔）采用基于更新的拉格朗日公式弹塑性模型，并将等效塑性应变准则作为切屑分离准则，由于等效塑性应变值的选择影响了加工表面应力的分布。

Komvopoulos（坎弗普洛斯）和Erpenbeck（埃尔彭贝克）用库仑摩擦定律通过正交切削解析法得到了刀具与切屑之间的法向力和摩擦力。