基于Abaqus的二维金属切削有限元仿真

背景介绍切削过程是一个很复杂的工艺过程，它不但涉及到弹性力学、塑性力学、断裂力学，还有热力学、摩擦学等。

同时切削质量受到刀具形状、切屑流动、温度分布、热流和刀具磨损等影响，切削表面的残余应力和残余应变严重影响了工件的精度和疲劳寿命。

利用传统的解析方法，很难对切削机理进行定量的分析和研究。

计算机技术的飞速发展使得利用有限元仿真方法来研究切削加工过程以及各种参数之间的关系成为可能。

近年来，有限元方法在切削工艺中的应用表明，切削工艺和切屑形成的有限元模拟对了解切削机理，提高切削质量是很有帮助的。

这种有限元仿真方法适合于分析弹塑性大变形问题，包括分析与温度相关的材料性能参数和很大的应变速率问题。

ABAQUS作为有限元的通用软件，在处理这种高度非线性问题上体现了它独到的优势，目前国际上对切削问题的研究大都采用此软件，因此，下面针对ABAQUS的切削做一个入门的例子，希望初学者能够尽快入门，当然要把切削做好，不单单是一个例子能够解决问题的，随着深入的研究，你会发现有很多因素影响切削的仿真的顺利进行，这个需要自己去不断探索，在此本人权当抛砖引玉，希望各位切削的大神们能够积极探讨起来，让我们在切削仿真的探索上更加精确，更加完善。

问题描述切削参数：切削速度300m/min（5000mm/s），切削厚度0.1mm，切削宽度1mm尺寸参数：本例作为入门例子，为了简化问题，假定刀具为解析刚体，因为在切削过程中，一般我们更注重工件最终的切削质量，如应力场，温度场等，尤其是残余应力场，而如果是要进行刀具磨损或者涂层刀具失效的分析的话，那就要考虑建立刀具为变形体来进行分析了。

工件假定为一个长方形，刀具设置前角10°，后角6°，具体尺寸见INP文件。

下面将切削过程按照ABAQUS的模块分别进行叙述，并对注意的问题作出相应的解释。

建模建模过程其实没有什么好注意的，对于复杂的模型，我一般用其他三维软件导入进来，注意导入的时候尽量将格式转化为IGES格式，同时要把一些不必要的东西去掉，比如一些尖角，圆角之类的，如果不是分析那个部位的应力集中的话就没必要导入它，如果导入，还要进行一些细化，大大降低了计算的效率。

ABAQUS二次开发在钛合金本构模型中的应用及切削仿真钛合金Ti-6Al-4V以其比强度高、耐氧化性好、耐腐蚀性好等特点被广泛应用于航空、航天、化工、机械等众多领域。

然而,钛合金Ti-6Al-4V的难加工性制约着其进一步的推广应用,其切削加工机理方面的探索也已经成为了一项研究热点。

钛合金Ti-6Al-4V的切削加工过程中伴随着高应变、高应变率和高温的热-力耦合变形,因此,选择合适的本构模型来描述用于钛合金切削的变形行为,进行有限元仿真模拟,对钛合金加工具有重要的指导作用,对提高航空工业的制造水平具有积极的意义。

本文考虑到商用ABAQUS有限元软件材料库所包含的本构模型适用性有限的问题,利用VUMAT用户子程序接口对ABAQUS进行二次开发,将JC 模型、JCM模型和KHL模型嵌入到主程序中进行使用。

VUMAT子程序的编写需要使用FORTRAN编程语言。

在开发了VUMAT子程序后,采用铝合金7075材料和钛合金Ti-6Al-4V材料分别建立不同的有限元模型,对比使用VUMAT子程序开发的JC模型和ABAQUS自带的JC模型的仿真结果,验证了子程序编制的正确性。

针对钛合金Ti-6Al-4V的正交切削过程进行有限元建模,分别使用JC模型、JCM模型及KHL模型对材料进行定义,得到不同的模拟预测结果。

结合有限元仿真的切削条件,设计钛合金Ti-6Al-4V直角切削试验,分别对使用三种本构模型的仿真预测结果进行验证。

从切屑形态和切削力方面的进行比较,发现三组本构模型与试验的结果的吻合程度较高,而使用JCM模型和KHL模型的预测比JC模型更加精确,说明JCM模型和KHL模型能够更好地描述钛合金Ti-6Al-4V在切削加工中的变形行为,且本文所编制的VUMAT子程序及建立有限元仿真模型的方法能够准确地对实际加工进行模拟预测。

武汉理工大学基于Abaqus的刀具切削仿真Abaqus的功能介绍•线性静力学，动力学和热传导学•非线性和瞬态分析•多体动力学分析Abaqus的界面介绍切削模拟的假设条件本文建立的金属切削加工热力耦合有限元模型是基于以下的假设条件:•刀具是刚体且锋利，只考虑刀具的温度传导;•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;•被加工对象的材料是各向同性的；•不考虑刀具、工件的振动；•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；采用单位：N，Pa，m，S，K，J其他零件尺寸如下：•JOINT分离线为切削时切屑与工件分离的部分•零件分开画，材料接触和变形不同，便于赋予不同的材料特性与接触属性•注意每个零件的原点位置，便于装配Abaqus 零件网格划分对整个零件进行自适应网格常用操作：对零件的每条边分布种子网格控制，单元形状指派网格单元类型控制单元属性执行网格划分零件CHIP 网格划分：点击 ，选择上长边，进行边布种，确定弹出图中，选择按个数补种，单元数250接下来，以相同方式按顺时针布种，数目分别为6，20，6，250，20，201.CHIP 网格形状控制：点击 ，，选择整个零件后确定，选择如下图参数 2.CHIP 网格元素类型：点击 ，选择整个零件，参数如下3.最后点击 ，完成网格划分零件分离线，工件网格划分与此相同刀具TOOL网格划分：1.点击边布种，如图，按住shif 选择前刀面与后刀面，使用密度偏离布种 2.控制网格形状，三角形，技术自由3.网格类型与前面类似Abaqus零件网格划分生成网格零件：1.点击菜单栏‘网格’，选择‘创建网格部件’2.取名‘TOOL-MESH’ 3.确定，生成绿色的网格零件4.在道具右上创建一个参考点，便于施加载荷和输出切削力5.其他零件生成网格零件如图常用操作：创建材料，设置材料参数创建截面，将不同的材料参数赋予到不同的截面上指派截面，将不同的截面赋予到不同的部件上管理项，对左边对应项进行编辑、复制、删除等管理，材料名为点击‘通用’选择密度创建材料GH4169的参数：3.点‘力学’、‘塑性’，选择‘与温度有关的数据’，赋予数据4.设置线膨胀系数，，点‘力学’‘膨胀’5.设置热传导率，点‘热学’‘传导率’，输入数据创建材料GH4169的参数：5.点‘热学’‘非弹性热份额’6.点‘热学’‘比热’，输入参数创建材料GH4169_FAIL的参数：1.点，选GH4169，‘复制’，命名‘GH4169_FAIL’2.选‘GH4169_FAIL’，点‘编辑’‘力学’‘延性金属损伤’‘剪切损伤’，破坏机制参数如下3.点‘子选项’‘损伤演化’‘破坏位移参数’如下GH4169_FAIL赋予给分离线，破坏到一定程度，网格开裂创建刀具TOOL-M 的参数：1.刀具‘密度’‘杨氏模量’‘泊松比’如下2.点‘力学’‘膨胀’，设置‘膨胀系数’3.设置‘热传导率’‘比热’设置截面属性：1.点，名称‘Section_CHIP&WORK’,设置如下，继续，材料选择‘GH4169’2.建‘Section_JOINT’,赋予材料‘GH4169_FAIL’3.建‘Section_TOOL’,赋予材料‘TOOL_M’赋予零件截面属性：1.‘部件’栏点选‘CHIP_MESH’，点2.选择整个零件确定后，赋予零件截面属性‘Section_CHIP&WORK’3.同理，赋予其他零件对应的截面属性Abaqus模型装配常用操作：导入模型阵列平移实例旋转实例合并、切割实例Abaqus模型装配1.点击，导入零件2.点，选择实例‘WORKPIECE-MESH’,选右上角作‘起点’，‘JOINT_MESH’右下角作终点确定3.同理，将刀具顶点移到（2E-5，5E-6）常用操作：创建分析步创建场输出创建历程输出对左边对应项进行管理定义分析步：1.点，建分析步‘Unsteady cutting’插在初始步后，参数设置如下2.时间长度设为2E-5，几何非线性设为‘开’切换到‘相互作用’1.通过菜单、视图，只显示零件CHIP2.菜单栏，‘工具’‘创建面’定义接触面：3.表面命名为‘CHIP_BOT’4.其他表面定义（红色线）如下选择如下红色边确定CHIP_ALLJOINT_BOTJOINT_TOPWORK_TOPTOOL_FACE定义接触性质：1.点，命名‘int-con’,继续2.力学分别定义‘切向行为’‘法向行为’3.定义热传导，定义传导率与距离的函数对应关系如下定义接触性质：类似操作分别定义接触PROCESS_CON：增加‘生热’THIRD_CON:摩擦改为零定义接触对：总共有5对接触1.点 ，选择接触的2个面‘CHIP_BOT ’‘CHIP_TOP ’,力学接触为罚接触 ，接触属性为Initial_on2，按相同方法，按实际接触 定义其他4对接触3.定义刀具为刚性约束。

Abaqus切削仿真常见问题及其解决个⼈总结切削仿真常见问题及其解决2014年10⽉17⽇14:03【关于截⾯定义】1.进⾏⼆维切削仿真时，定义的截⾯属性要勾选平⾯应变应⼒厚度，⽽且⼀定要将默认值1改为实际要仿的切削深度（对于车削，为径向车削深度）尤其是以⽶为单位时。

1.⽹格过度变形（mesh distorted exessively）：可能原因有：切屑分离临界值定义过⾼；材料参数数量级错误；如果定义了ALE可以减⼩remeshing frequency的值从⽽提⾼⽹格重划分频率。

ERROR: There are a total of 7 excessively distorted elementsThe following checklist may be helpful in diagnosing the error:1. Check contact definitions for problems such as excessive initialoverclosure or unrealistic tied definition between contact pairs.A vector plot of velocities or accelerations will usually help toidentify contact problems.2. Check stiffness (elastic modulus) and mass (density) definitions forconsistent units and verify that the combination is reasonable.3. Check for poor mesh definition.4. Check the boundary conditions for an excessive loading rate. The*DIAGNOSTICS, DEFORMATION SPEED CHECK=DETAIL option may be used to obtaindetailed diagnostics information.5. Check the current status of the structure to see if it hastotally failed.6. A dashpot or a very stiff spring may cause the analysis to go unstable. The *DYNAMIC, DIRECT option may be used to control the time increment directly.2.发现有⽹格剧烈变形呈突刺状：碰到过的原因有两种：1）field output中没有勾选state⾥⾯的STATUS变量，突刺状⽹格实际上是已经破坏掉的⽹格，勾选status变量可以使已破坏的⽹格不显⽰。

切削仿真常见问题及其解决2014年10月17日14:03【关于截面定义】1.进行二维切削仿真时，定义的截面属性要勾选平面应变应力厚度，而且一定要将默认值1改为实际要仿的切削深度（对于车削，为径向车削深度）尤其是以米为单位时。

1.网格过度变形（mesh distorted exessively）：可能原因有：切屑分离临界值定义过高；材料参数数量级错误；如果定义了ALE可以减小remeshing frequency的值从而提高网格重划分频率。

ERROR: There are a total of 7 excessively distorted elementsThe following checklist may be helpful in diagnosing the error:1. Check contact definitions for problems such as excessive initialoverclosure or unrealistic tied definition between contact pairs.A vector plot of velocities or accelerations will usually help toidentify contact problems.2. Check stiffness (elastic modulus) and mass (density) definitions forconsistent units and verify that the combination is reasonable.3. Check for poor mesh definition.4. Check the boundary conditions for an excessive loading rate. The*DIAGNOSTICS, DEFORMATION SPEED CHECK=DETAIL option may be used to obtaindetailed diagnostics information.5. Check the current status of the structure to see if it hastotally failed.6. A dashpot or a very stiff spring may cause the analysis to go unstable. The *DYNAMIC, DIRECT option may be used to control the time increment directly.2.发现有网格剧烈变形呈突刺状：碰到过的原因有两种：1）field output中没有勾选state里面的STATUS变量，突刺状网格实际上是已经破坏掉的网格，勾选status变量可以使已破坏的网格不显示。

abaqus二维切削结论-回复Abaqus是一种常用的有限元分析软件，广泛应用于模拟和分析各种工程问题。

二维切削是机械加工中最常见的一种情况，研究其行为和性能对于工艺优化和切削工具的设计具有重要意义。

本文将从建模、材料属性、切削力、切削温度以及切削力对工件的影响等方面探讨abaqus在二维切削问题中的应用和结论。

首先，我们需要对二维切削进行建模。

在abaqus中，可以通过创建一个二维平面模型来模拟切削过程。

通过定义切削刀具的几何形状和刀具的运动轨迹，可以模拟出实际切削过程中的各种情况。

其次，在模拟二维切削时，确定材料属性是非常重要的。

常见的材料属性参数包括杨氏模量、泊松比和屈服强度等。

这些参数可以通过实验测试获得，也可以通过文献和材料数据库得到。

在abaqus中，将这些参数输入材料卡片中，模拟时将使用这些参数进行计算。

切削力是切削过程中的重要物理量之一。

切削力的大小和方向对于工件表面质量和切削工具寿命有着直接影响。

在abaqus中，可以使用机械加工模块中的切削力模拟工具来计算切削过程中的切削力。

这个模拟工具可以根据所输入的切削参数和材料属性参数自动计算出切削力的大小和方向。

切削过程中产生的切削温度也是一个重要的参数。

高温会对工件和切削工具的性能产生重要影响。

在abaqus中，可以使用热模块对切削过程中的切削温度进行模拟。

在这个模拟中，我们需要输入材料的热导率、比热容等参数，以及切削参数和切削速度等。

最后，我们需要考虑切削力对工件的影响。

切削力的大小和方向会导致工件的变形和损伤。

在abaqus中，可以使用固体模块对切削过程中的工件进行强度分析。

通过输入工件的材料属性和切削参数，可以分析出工件可能发生的变形和损伤情况。

综上所述，abaqus在二维切削问题中可以提供全面的分析和模拟工具，可以帮助我们了解切削过程中的行为和性能。

通过建模、确定材料属性、计算切削力和切削温度，以及分析切削力对工件的影响，我们可以得到关于二维切削的详细结论。

优秀设计二维硬态切削过程的有限元仿真摘要本文提供了一个用聚晶立方氮化硼刀具（PCBN）切削淬硬钢的有限元分析模型。

该模型基于自适应网格技术和大变形技术，从而解决了在切屑变形过程中由于网格变形过大出现的网格畸变问题。

在模拟切屑形成的过程中，使用了纯粹的变形技术来弥补了基于切屑分离准则的传统有限元模型的不足。

这种方法不仅消除了切屑分离准则和预先定义分离线的需要，同时获得了一个更加真实和合理的切屑成形过程。

本文用商业有限元软件ABAQUS/Explicit模拟不同刀具几何参数对切削力的影响，建立了直角切削时平面应变条件下刀具切削过程的仿真模型，并对不同切削几何参数（倒棱角度、切削速度）的有限元模型进行了计算分析和比较，并通过进行正交高速切削实验与仿真结果进行对比，得出了较为合理的硬态切削过程的刀具几何参数，这对实际切削过程的刀具优化设计和降低成本有着重要的指导意义。

关键词切削仿真；ABAQUS/Explicit 软件；自适应网格技术；二维直角切削目录摘要 (I)第1章绪论 (1)1.1 课题背景 (1)1.1.1 课题来源 (1)1.1.2 课题的研究的背景和意义 (1)1.1.3 课题的总体内容 (1)1.2 超硬刀具材料发展状况 (2)1.2.1 概述 (2)1.2.2 超硬刀具材料发展概况 (2)1.2.3 PCBN刀具的性能及应用 (3)1.3 有限元仿真技术在切削加工中应用 (6)1.4 有限元仿真技术发展状况及前景 (8)1.4.1 ABAQUS (8)1.4.2 几种有限元软件的发展和比较 (11)1.4.3 国内外有限元软件的发展与现状 (12)1.5 本章小结 (13)第2章有限元方法简介 (14)2.1 有限元法分析问题概述 (14)2.2 平面问题的有限元法 (16)2.3 ABAQUS/Explicit分析的基本原理 (16)2.3.1 切屑成形仿真 (16)2.3.2 稳定时间限定值 (17)2.3.3 接触和摩擦分析 (17)2.3.4 自适应网格技术 (18)2.4 本章小结 (20)第3章ABAQUS的仿真建模 (21)3.1 金属切削过程描述 (21)3.2 ABAQUS仿真模型的建立 (21)3.2.1 总体模型 (21)3.2.2 材料特性 (23)3.2.3 边界条件 (23)3.2.4 划分网格 (23)3.2.5 提交作业 (24)3.3 模型子程序 (24)3.4 本章小结 (30)第4章ABAQUS的仿真计算分析与结果比较 (31)4.1 倒棱角度对切削力的影响 (31)4.1.1 实验参数 (31)4.1.2 切削过程的模拟结果 (31)4.1.3 工件切削区域的应力分布 (32)4.1.4 切削力影响分析 (34)4.2 刀具进给速度对切削力的影响 (35)4.2.1 实验参数 (35)4.2.2 工件切削区域的应力分布 (35)4.2.3 切削力影响分析 (35)4.3 正交切削实验 (37)4.3.1实验条件 (37)4.3.2 正交高速硬态切削实验 (38)4.4 本章小结 (40)结论 (41)参考文献 (42)致谢 (44)附录 (45)第1章绪论1.1课题背景1.1.1课题来源本课题来源于国家自然科学基金项目“淬硬钢高速切削过程的建模与仿真”。

基于ABAQUS 的航空7075铝合金切削二维仿真孙会来1，李丹1，赵方方2，于欣欣1（1.天津工业大学机械工程学院，天津300387；2.天津工业大学管理学院，天津300387）摘要：针对切削过程理论分析和实际模拟仿真所遇到的问题，分析讨论在模拟金属仿真切削过程中材料的本构模型、失效模型、切屑的分离准则和热力耦合等关键性技术，并利用大型通用有限元仿真软件ABAQUS 对7075铝合金切削进行二维切削仿真，模拟得到切削仿真过程中切削力、切削热、应力应变.结果表明：有限元仿真与实际切削加工中的理论相符；利用有限元的方法模拟切削仿真可靠实用.有限元模拟方法得到的各种结果为航空铝合金的切削加工的工艺参数优化、刀具优选和工艺规划奠定了基础，同时也为进一步有效控制整体结构变形提供了新的研究手段.关键词：有限元模拟；仿真加工技术；切削力；切削热；应力应变中图分类号：TG519.1文献标志码：A 文章编号：1671-024（2017）01-0083-06Two-dimensional simulation on cutting process of aviation7075aluminum alloy based on ABAQUSSUN Hui-lai 1，LI Dan 1，ZHAO Fang-fang 2，YU Xin-xin（1.School of Mechanical Engineering ，Tianjin Polytechnic University ，Tianjin 300387，China ；2.School of Management ，Tianjin Polytechnic University ，Tianjin 300387，China ）Abstract ：Based on the theoretical analysis of the cutting process and the problems encountered in the actual simulation ，the constitutive model ，failure model ，separation criterion of chip and thermodynamic coupling in the simulation of metal cutting process are discussed.Two-dimensional cutting simulation of 7075Aluminum Alloy was per 鄄formed with the large general-purpose finite element simulation software ABAQUS.The cutting force ，cutting heat and stress and strain in the process of simulation are obtained.The results show that the finite element simu 鄄lation is consistent with the theory in the actual cutting process ，which shows that the use of finite element method to simulate the cutting process is reliable and practical.The results obtained by the finite element simula 鄄tion technology laid the foundation for the optimization of the technological parameters ，the cutting tools and the process.At the same time ，it provides a new method for the further control of the deformation of the whole aircraft.Key words ：finite element simulation ；simulation processing technique ；cutting force ；cutting heat ；strain and stress收稿日期：2016-05-10基金项目：天津市高等学校科技发展基金（20130402）；天津市科技特派员项目（14JCTPJC00536）通信作者：孙会来（1974—），男，博士，副教授，主要研究方向为机电成套装备系统.E-mail ：**************.cn随着航天事业的飞速发展，一些新型材料被应用于该行业，但对于这些材料的后续加工却面临着一系列的加工工艺等难题.面对新的材料，为保证设计的工件精度、表面质量、工件强度等要求，先进材料加工技术的理论研究便显得尤为重要[1].以往为得到合适的加工参数，大多数企业采用的是人工试切的方法，这种方法不仅成本高效率低，而且容易造成零件的变形报废，从而产生严重的经济损失[2].为了从根本上解决加工大型零件的加工工艺问题，保证加工工件的精度要求，必须对加工过程中的机理进行深入研究，而有限元模拟是分析研究加工过程机理的有效手段.进行有限元模拟仿真的前提是建立正确的材料本构模型[3]，目前研究涉及的材料本构模型主要有材料的失效、材料的损伤等.分析利用有限元进行模拟仿真时的关键性技术，可以解决加工中面临的工艺问题.有限元模拟仿真技术随着计算机的图形处理技术的发展，其内部控制算法技术不断提高.仿真模拟也大量的应用于切削技术中，并逐步形成了切削仿真天津工业大学学报ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＴＩＡＮＪＩＮＰＯＬＹＴＥＣＨＮＩＣＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ第36卷第1期２０17年2月Vol.36No.1February 2017DOI ：10.3969/j.issn.1671-024x.2017.01.015. All Rights Reserved.天津工业大学学报第36卷这门学科.大型通用的有限元模拟仿真软件ABAQUS 可以通过建立刀具-工件模型、赋予材料属性对切削过程进行数值仿真.本文通过ABAQUS 对切削过程中的关键技术进行分析讨论，得到模拟仿真切削过程中的切削力、温度、应变和应力等，并将这些结果与切削基础理论进行对比分析，为实际加工提供参考.1切削模型建立在切削加工过程中刀具刚切入工件时，与刀具首先接触的工件部分会产生弹性变形.随着刀具继续切入，弹性区域逐步缩小，塑性区域则不断地扩大.当刀具与工件全面接触时，产生弹塑性变形，或称为约束性塑性变形.随着刀具更进一步的加载，塑性区的变形增大为有限变形（相对于弹性区的微小变形而言），这种变形肉眼可见[4].工件在发生大的变形后形成切屑.其具体过程如图1所示.从OA 的弹性变形到AB 的塑性变形阶段，再到BC 的损伤阶段代表着材料在切削过程中的变化.图中：A 点为屈服极限点；B 点为初始损伤点；C 点为完全损伤点；D 点为B 点对应的应变（断裂应变）；E 点为损伤过程中的任意点；F 点为E点对应的应变.1.1切削材料本构的模型7075-T651铝合金材料在实际加工过程中，在受到切削力和切削热的情况下常常处在高温、大变形和大应变速率的状态下，进而发生弹塑性应变.综合考虑应变、应变率、热软化等因素对工件材料硬化的影响，利用Jonson-Cook 本构模型[5]考虑等向强化对材料的综合影响，其本构模型为：滓=f （着p ）f （着）f （T ）（1）滓=[A +B 着n ][1+c ln （着觶着觶0）][1-（T -T r T m -T r ）m ]（2）式中：A 、B 、c 、m 、n 分别为材料参数；着觶着觶0为无量纲的等效塑性应变；滓为流动应力；着觶P 为材料的等效塑性应变；着觶0为准静态实验下材料的应变率；T r 、T m 为环境温度值与材料的熔化温度值.以上的未知数可以分别通过动态的霍普金森杆、准静态实验、压杆、拉伸和扭转等实验得到结果.其中材料屈服应力可以通过同应变率下高温和参考温度下测出.最终结果如表1所示.1.2切削材料的损伤有限元方法在切削过程中需要综合考虑节点和单元的失效模型，由Johnson 等[6]提出的Johnson-Cook 损伤演化模型是应用较为广泛的失效准则模型，综合考虑了切削过程中大应力、大应变和温度等因素，模型为w =nj=1移（驻着pl着Dpl）（3）式中：驻着pl 为单元积分点的等效塑性应变；着D pl为临界等效塑性应变；w 为单元积分点的等效塑性应变与临界等效塑应变之比.公式的叠加包含分析过程中每个增量步；除非w值已经累加到1，此时说明材料已经失效.其中公式（3）中着D pl的表述为：着D pl=[d 1+d 2exp （d 3滓p 滓min）][1+d 4ln （着·着·）]·[1+d 5（T -T room T melt -T room）]（4）这些未知参数d 1、d 2、d 3、d 5可以通过准静态圆柱压缩试验、圆棒扭转实验、单向拉伸试验带缺口的拉伸试验、不同的温度下进行拉伸试验中得到.并且可以利用反算的Taylor 实验中的临界开裂的工况算出d 4[7]；得到7075-T651失效参数如表2所示.1.3切屑分离准则模型目前，有限元模拟金属切屑分离标准主要有以下2种方法：位移分离法和能量分离法.位移分离法是基于刀尖与刀尖前单元节点的距表17075-T651Johnson-Cook 本构参数Tab.1Johnson-Cook constitutive parameter for 7075-T651材料A /MPa B /MPa n c m 7075-T651435278.940.340.0190.96图1弹塑性材料损伤累积示意图Fig.1Sketch map of damage accumulation elastic andplastic materials滓滓y 0滓0OABD E 着plE （D =0）F（1-D ）E着滓軍着plfCED 滓軍84——. All Rights Reserved.第1期表27075-T651Johnson-Cook 失效参数Tab.2Johnson-Cook Failure parameter for 7075-T651材料d 1d 2d 3d 4d 57075-T6510.0590.246-2.41-0.10.147离变化来判定单元是否与材料进行分离.通过位移分离的模型较为简单，效果也较好.其公式为：D =u 軈pl u f pl =u 軈plL 着fpl（5）式中：u 軈pl 为等效塑性位移；u f pl为失效时刻的等效塑性位移；L 为单元的特征长度；着f pl为失效时刻的等效塑性应变.在仿真实验中D 达到1的时候，单元失效.这种分离准则简单方便，但不足之处在于难以找到一种通用的临界值，来满足切削加工中不同的加工材料和加工工艺.能量分离法与切削过程中工件受到的应变、应力、应变能相关.相比于位移分离法，能量分离法在有限元仿真的应用更接近于实际的金属切削状态.其公式为：D =u p乙滓軍d u 軈pl G f （6）G f =1-v 2EK IC 2（7）式中：Ｄ为单元刚度衰减因子；Ｇf 为断裂能；滓軍为应力；Ｅ为弹性模量；d 为位移；K IC 为材料断裂韧度；Ｖ为泊松比.仿真切削过程中分子部分积分得到的能量大于断裂能时，单元失效，网格删除.但是作者在进行大量的ABAQUS 仿真实验中经常发现刀尖已经达到应该分离的节点时，因为设置的能量还没有达到，节点位置材料并没有失效.这种现象明显与现实情况不符，因此本文设置了基于位移和能量的综合标准作为材料的失效方式：以能量失效为主，位移失效为辅.即在运算时当单元的能量还没有达到断裂能时，但是刀尖已经接近分离点或者小于分离点时运用位移法强制使节点分离.运用这种补充的实验方法，在实验仿真中明显提高了切削仿真的质量，增加了实验的可靠性.1.4切削加工过程的热力耦合模型切削过程的实质是被切削的金属层在刀具的切削刃和前刀面的作用下，经受挤压而产生剪切滑移变形的过程，该过程的本质就是切削中能量的传递和转换.因此在仿真切削过程中不仅要考虑切削力对工件的弹性变形和塑性变形产生影响，也要考虑切削加工中产生的切削热对加工弹塑性变形产生的影响.因为切削力与切削热之间是相互关联的，为得到较为准确的仿真结果，有必要建立与之相符的热力耦合模型.在切削加工过程中，材料发生的蠕变和切屑的形成相比较为微小，因此在仿真过程中可以对此忽略.基于上述条件及虚功原理、大变形理论建立热-弹塑性控制方程，其表达式为[8]：（[K ep ]+[K G ]）{d觶}=v乙[D ep]{着觶t}d v -v乙[B 着]T{R觶着觶}T d v +{F 觶0}（8）式中：[K ep ]为弹性刚度矩阵；[K Ｇ]为几何刚度矩阵；d 觶为节点速度；R觶着觶相对温度和等效应变率的变化率；d 为节点位移；F觶0为外部载荷的变化率.以上考虑的只是切削过程中切削热和切削力对工件的弹性和塑性的影响.如果还要考虑金属在加工过程中刀具与切屑之间的摩擦和它们之间载荷的变化率，则上面的耦合方程可扩展为：（[K ep ]+[K G ]+[K e ]+[K ｆ]）{d觶}=v乙[Ｂ着]T[D ep]{着觶Ｔ}d V -v乙[B 着]T{R 觶·着T}d V +{F 觶n}（9）式中：[K c ]和[K ｆ]分别为工件通过修正的载荷和摩擦力；[F觶n ]为刀尖与工件接触的节点法线方向载荷变化率.2仿真及分析利用本文建立的有限元模型，对7075-T651铝合金材料进行正交切削仿真.工件尺寸设置为5mm ×2mm ，刀具材料为普通的硬质合金刀，前角为10°，后角为15°，无切削液的干切削形式.刀具的进给速度为0.15mm/rec ，切削深度设置为0.2mm ，切削的长度设置为3mm ，初始温度设置为20℃.2.1切削热分析在切削过程中，工件在刀具的作用下形成切屑，其中第一变形区的弹性和塑性变形的损耗功是产生切削热的一个重要来源，大概占总比重的80%.此外，切屑与刀具、工件与后刀面界面之间的摩擦也要耗功.这些摩擦功转化为大量的热量，这些热量主要集中于第二变形区域，约占总比重的18%.另外2%的能量产孙会来，等：基于ABAQUS 的航空7075铝合金切削二维仿真85——. All Rights Reserved.天津工业大学学报第36卷生主要集中于刀尖与切屑之间的相互作用和摩擦.这些机械能几乎都可以转化为热能，传递给工件与刀具，因此设定的转换系数为0.95[8].在切削加工过程中共有3个发热区域：剪切面区域、切屑与前刀面接触区域、后刀面与过渡表面接触区域.温度的具体分布如图2所示.由图2可知，剪切面、切屑与前刀面的接触区、后刀面与过渡表面接触区域的温度分布.这些能量大约75%被切屑带走，5%的能量传入到工件，20%的能量传给了刀具[9].虽然在实际的切削过程中因为各种条件的限制，很难对温度进行实时的测量；但是有限元却可以利用计算机仿真技术很方便地实时测量刀具与工件的各个区域之间的温度.从图2中可以看出，最高温度分布在刀尖与切屑的接触区域.这是因为在切削过程中，切屑在第一变形区形成时，工件的材料产生了极高的应变和应变率.这些能量转换为能量形成高温，这些温度较高的切屑来不及向外扩散就和刀具的前刀面发生摩擦，进一步提高了切屑的温度[10].从图2中还可以看出，最高温度出现在刀尖与工件接触区，约为360℃，这与实际实验的情况较为符合.2.2切削力分析切削力分析对切削机理的研究，对功率消耗的计算，对刀具、机床、夹具的设计，对制定合理的切削用量及优化切削几何参数，都有非常重要的意义[11].本文通过设置，输出工件所受的切削力，图3所示为对切削力进行拟合优化得到的仿真过程中切削力的曲线图.由图3中可以看出，在切削达到稳定状态之前，进给力、切深抗力随着刀具切入迅速增至最大值，并在整个切削过程中有着不断的波动，但是整体趋于平衡.波动的原因有几方面：①在切削过程中，剪切区的温度的升高导致了金属材料的热软化效应使切削力降低，但是随着切削力的降低，加工过程中的切削热量也随之减少，使得加工的金属材料硬化，切削力又升高了，因此产生周而复始作用；②在金属进行切削的过程中，网格的重新划分使得有限元模拟切削过程产生不连续性，因此切削力产生不小的波动；③在切削的过程中，切屑会从切削层分离，切削力也会因此产生波动[12].比较图3中的切削力曲线发现，在切削稳定后Ｘ方向切削力的大小为210N ，比Y 方向的切削力大；并可以计算出当刀具切入到工件5×１０－５m 时，切削力趋于稳定，也说明了切屑与工件的接触长度不会超过5×１０－５m.2.3应力场分析应力状态的分布不同对切削加工中零件的变形影响程度不同，分析切削中的应力分布对切削加工有着重要的指导意义[13].有限元模拟应力场的结果如图4所示.从不同的分析步中可以看出，在刀具刚接触工件时，工件中最大应力存在于刀尖与工件的相接处.刀具的前刀面和后刀面都存在一个最大的应力点，由此可以推断出刀具的破坏形式主要为靠近刀具刀尖的前刀面和后刀面以及切削刃.在主后刀面产生最大应力点的原因是在加工过程中其受到已加工表面的挤压与摩擦作用，刀尖的最大应力点主要由刀具对工件的冲击、热力耦合等现象形成.刀具前刀面的应力主要是由于刀具与工件的摩擦造成.随着仿真的进行，可以看出最大应力处区域不断增加，并且最大应力明显的分布在第一变形区域，这主要是由于第一变形区发生了弹塑性变形.从图4中可以看出，材料属性在切削过程中并不稳定，这是因为在切削过程中存在材料从弹性变形到塑性变形的损伤演化.在这过程中产生大量的切削热，这些热量造成材料的软化，而使所需的塑性变形的应力减少，最后趋于稳定.从图4看出在各个时间步中，虽然最大应力的区域面积和区域图2切削热分布图Fig.2Graph of cutting heat distributionX /mm5.04.5 5.52.5Y /m m2.0T /℃358.624337.439316.254295.069273.884252.699231.514210.329189.144167.959146.774125.589104.40383.2185图3切削力曲线图Fig.3Graph of cutting forcet /s0.00082001501000切削力/Ｎ0.00060.00040.000200.001XY86——. All Rights Reserved.第1期图4切削应力场云图Fig.4Graph of cutting stress fieldX /mm5.04.85.22.22.12.01.91.81.7Y /m m应力/MPa1000933.333866.667800733.333666.667600533.333466.667400333.333266.667200133.33366.66670X /mm5.04.85.22.22.12.01.91.81.7Y /m m应力/MPa1000933.333866.667800733.333666.667600533.333466.667400333.333266.667200133.33366.66670X /mm5.04.85.22.22.12.01.91.81.7Y /m m应力/MPa1000933.333866.667800733.333666.667600533.333466.667400333.333266.667200133.33366.66670（a ）第1步（b ）第5步（c ）第10步位置不同，但是应力的最大值始终保持不变.这也相应地验证了冯·米塞斯屈服准则，即材料达到塑性应变时，应力值不变.2.4应变场分析第一变形区和第二变形区形成切屑并影响切屑的应变分布[14].根据有限元技术分析切削过程中3个变形区域和两侧方向对应变及应变造成的影响.图5为切削应变场云图.由图5可见，工件在开始受刀具切削作用时，7075-T651铝合金受塑性应变主要集中于刀具的刀尖处，并随着切削的继续进行，塑性变形逐渐扩大至整个剪切面，从下面的不同的时间步看出，塑性应变从刀具与工件接触的表面逐渐减少.这也验证了在于刀尖处材料最不稳定并发生了塑性变形.由于切屑沿前刀面排出时进一步受到前刀面的挤压和摩擦，使靠近前刀面材料也发生塑性变形，即在第二变形区和第三变形区也发生了塑性变形，但是相对于第一变形区较小.对于在已加工表面受到刀具钝圆部分和后刀面的挤压和摩擦，而产生塑性变形，但相对变形较小.3结论本文通过建立有限元仿真中材料Johnson-Cook 本构模型、Johnson-Cook 材料失效模型、位移和能量的X /mm5.054.80 5.102.052.001.951.901.851.80Y /m m弹性应变43.733333.466673.22.933332.666672.42.133331.866671.61.333331.066670.80.5333330.266667（a ）第1步4.954.904.855.00X /mm4.805.102.202.152.102.052.001.951.901.851.801.75Y /m m弹性应变43.733333.466673.22.933332.666672.42.133331.866671.61.333331.066670.80.5333330.266667（b ）第5步4.905.004.705.20图5切削应变场云图Fig.5Graph of cutting strain fieldX /mm4.805.102.202.152.102.052.001.951.901.851.801.75Y /m m弹性应变43.733333.466673.22.933332.666672.42.133331.866671.61.333331.066670.80.5333330.266667（c ）第10步4.905.004.70 5.20孙会来，等：基于ABAQUS 的航空7075铝合金切削二维仿真87——. All Rights Reserved.天津工业大学学报第36卷切屑分离准则和热力耦合模型等，模拟仿真出切削热、切削力、应力场、应变场的变化情况.从仿真的结果可以看出，模拟过程与实际的切削过程基本相符.为模拟航空结构件铣削加工奠定了基础.利用该方法可以组合不同的切削参数，分别对其进行有限元模拟仿真，得到优化的切削参数；也可以利用不同的刀具材料和刀具几何角度，优化设计刀具，减少刀具的磨损，提高刀具的使用寿命.参考文献：[1]彭明玉.飞机复合材料损伤机理及适航评定技术研究[D].南京：南京航天航空大学，2008.PENG M Y.Research on damage mechanism of aircraft composite material and airworthiness evaluation technology[D].Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astron-autics，2008（in Chinese）.[2]曹宏瑞，陈雪峰，何正嘉.主轴-切削交互过程建模与高速铣削参数优化[J].机械工程学报，2013，49（5）：161-166.CAO H R，CHEN X F，HE Z J.Modeling of spindle-process interaction and cutting parameters optimization in high-speed milling[J].Journal of Mechanical Engineering，2013，49（5）：161-166（in Chinese）.[3]SHATLA M，KERK C，ALTAN T.Process modeling in machin-ing Part I：Determination of flow stress data[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture，2001，41（10）：1511-1534.[4]葛茂杰，单国峰，于健.7050-T7451铝合金三维微铣削建模仿真[J].工具技术，2016，50（2）：59-62.GE M J，SHAN G F，YU J.FEA modeling and simulation of micro-milling of aluminium alloy7050－T7451[J].Tool Techno-logy，2016，50（2）：59-62（in Chinese）.[5]JOHNSON G R，COOK W H.A constitutive model and datafor metals subjected to large strains，high strain rates and high temperatures[C]//Proceedings of the7th In ternational Sym-posium on Ballistics.1983：541-547.[6]JOHNSON G R，COOK W H.Fracture characteristics of threemetals subjected to various strains，strain rates，temperatures and pressures[J].Engineering Fracture Mechanics，1985，21（1）：31-48.[7]张伟，魏刚，肖新科.2A12铝合金本构关系和失效模型[J].兵工学报，2013，34（3）：276-282.ZHANG W，WEI G，XIAO X K.Constitutive relation andfracture criterion of2A12aluminum alloy[J].Acta Armamen-tarii，2013，34（3）：276-282（in Chinese）.[8]成群林，柯映林，董辉跃.航空铝合金高速铣削加工的有限元模拟[J].浙江大学学报：工学版，2006，40（1）：113-117.CHENG Q L，KE Y L，DONG H Y.Simulation of high-speed milling process of aerospace aluminum alloy[J].Journal of Zhejiang University：Engineering Science Edition，2006，40（1）：113-117（in Chinese）.[9]SHI H A J，YANG H T Y.Experimental and finite elementpredictions of residual stresses due to orthogonal metal cutting [J].International Journal for Numerical Methods in Engineer-ing，1993，36（9）：1487-1507.[10]董辉跃，柯映林，成群林.铝合金三维铣削加工的有限元模拟与分析[J].浙江大学学报：工学版，2006，40（5）：759-762.DONG H Y，KE Y L，CHENG Q L.Finite element simula－tion and analysis of aluminum alloy three-dimensional milling [J].Journal of Zhejiang University：Engineering Science Edi－tion，2006，40（5）：759-762（in Chinese）.[11]COLOMBO V，GHEDINI E，MASINI G，et al.2-D and3-Dfluid dynamic and plasma characterization of DC transferred arc plasma torches for metal cutting[J].High Temperature Ma－terial Processes：An International Quarterly of High-Technol－ogy Plasma Processes，2006，10（3）：379-392.[12]苏玉龙.7075-T6铝合金微铣削力及加工工艺的研究[D].太原：太原理工大学，2015.SU Y L.Research on micro milling force and machining pro－cess of7075-T6aluminum alloy[D].Taiyuan：Taiyuan U－niversity of Technology，2015（in Chinese）.[13]LIN Z C，YANG Y D.Three-dimensional cutting processanalysis with different cutting velocities[J].Journal of Materials Processing Technology，1997，70（1）：22-33.[14]温效朔，王克琦.切削加工有限元仿真与应力分析[J].工具技术，2006，40（7）：30-32.WEN X S，WANG K Q.Finite element simulation and stress analysis in cutting processing[J].Tool Engineering，2006，40（7）：30-32（in Chinese）.[15]曲海军，杨金花，王贵成，等.直角切削过程中应变的有限元分析[J].机械科学与技术，2013，32（1）：59-62.QU H J，YANHG J H，WANG G C,et al，FEM analysis of strain in orthogonal cutting[J].Mechanical Science and Tech－nology，2013，32（1）：59-62（in Chinese）.88——. 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