高速金属切削的摩擦分析及有限元模拟

铝合金高速切削有限元仿真及实验研究作者：汪健明刘康来源：《软件工程》2021年第12期摘要：为了研究不同切削参数对铝合金切削过程中切削力和切削温度的影响，以铝合金7075-T651为对象，采用仿真与实验验证结合的方法，利用金属有限元切削专用软件AdvantEdge建立了铝合金7075-T651的二维正交切削仿真模型，并进行合理的工件和刀具材料参数以及本构模型设置。

通过仿真分析，研究了切削力和切削温度与进给速度以及切削深度的关系，并通过实验进行验证。

仿真和实验结果表明：在一定范围内，随着进给速度和切削深度的增大，切削力和切削温度增大。

切削铝合金7075-T651时，应采用较小的切削深度和进给速度。

关键词：AdvantEdge;铝合金7075-T651;切削力;切削温度中图分类号：TP319 文献标识码：AAbstract： In order to study the influence of different cutting parameters on cutting force and cutting temperature in cutting process of aluminum alloy， this research uses aluminum alloy 7075-T651 as the object， and takes the method of combining simulation and experimental verification as the research method. This paper proposes to use special software AdvantEdge of metal finite element cutting to establish two-dimensional orthogonal cutting simulation model of aluminum alloy 7075-T651. Reasonable workpieces， tool material parameters and constitutive model are set. Through simulation analysis， the relationship between cutting force and cutting temperature， feed speed and depth of cut are studied and verified by experiments. Simulation and experimental results show that within a certain range， with the increase of feed speed and cutting depth， cutting force and cutting temperature increase. When cutting aluminum alloy 7075-T651， smaller depth of cutting and feed rate should be used.Keywords： AdvantEdge; aluminum alloy 7075-T651; cutting force; cutting temperature1 引言（Introduction）由于鋁合金7075-T651具有高比强度和良好的热加工性能，以及高韧性和良好的耐腐蚀性，近年来在航空航天、模具加工、机械设备以及夹具中得到了越来越多的应用[1-2]。

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。

两种典型金属高速切削过程有限元模拟与分析的开题报告题目：两种典型金属高速切削过程有限元模拟与分析的研究一、研究背景金属加工是现代工业生产的重要组成部分，其中高速切削技术是一种重要的金属加工技术。

通过高速旋转的刀具对金属进行切削，可以快速地制造出各种形状的金属零件。

然而，在高速切削过程中，由于切削力、热量等因素的影响，会导致切削质量下降、加工精度降低、设备寿命缩短等问题，因此需要进行优化和控制。

有限元模拟是一种重要的工程仿真方法，已经广泛应用于金属加工领域。

通过建立相应的有限元模型，可以对金属加工过程中的力、温度、应变等参数进行预测和分析，为工艺的优化和控制提供理论依据。

因此，对于金属高速切削过程的有限元模拟和分析研究，具有重要的理论和实际意义。

二、研究内容本研究将以两种典型的金属高速切削过程——铣削和车削为研究对象，开展有限元模拟与分析研究，探讨切削参数对加工质量的影响，为优化和控制金属高速切削过程提供参考。

1. 铣削过程有限元模拟与分析铣削是一种常见的金属加工技术，其加工过程包括切入、切削和切出三个阶段。

在铣削过程中，切入阶段和切出阶段的切削角度较小，切削阶段的切削角度较大，因此这三个阶段对应的切削力和切削温度分布规律也不同。

本研究将建立铣削过程有限元模型，对切入、切削和切出三个过程的切削力、切削温度等参数进行模拟和分析，揭示不同切削参数对切削力和切削温度的影响规律。

2. 车削过程有限元模拟与分析车削是一种高效的金属加工技术，可以用于加工圆形、柱形等各种形状的零件。

在车削过程中，刀具切入工件后，与之接触的区域产生高温，导致金属发生塑性变形。

本研究将建立车削过程有限元模型，对切削力、切削温度等参数进行模拟和分析，揭示不同切削参数对加工质量的影响规律。

三、研究意义通过本研究，可以深入了解金属高速切削过程中的力学、热学和材料学等基本规律，为优化和控制切削过程提供理论依据。

此外，通过对不同切削参数对切削力、切削温度等参数的影响规律的分析，可以为金属加工工艺的优化和改进提供实用的建议和方法。

金属切削原理中切削力效果的仿真模拟研究随着工业技术的快速发展，金属切削加工在各个领域中都扮演着重要的角色。

而在金属切削加工过程中，切削力效果的研究对于提高切削加工的效率和质量具有重要的影响。

本文将以金属切削原理中切削力效果的仿真模拟研究为题，探讨金属切削过程中切削力的影响因素以及仿真模拟的方法。

首先，我们需要了解金属切削加工中切削力的概念和作用。

切削力是指在金属切削过程中刀具对工件产生的力。

它是通过与工件表面接触形成的摩擦力和切削力的合力，用于克服金属材料的强度和硬度，从而将金属材料切削成预定形状和尺寸的零件。

切削力直接影响着切削加工的效率、切削工具的寿命以及加工表面质量等方面。

在金属切削过程中，切削力的大小和方向受到多种因素的影响。

首先是刀具的几何形状和刀具材料的选择。

刀具的刃角、刃宽以及刀具材料的硬度和耐磨性等因素都会直接影响切削力的大小。

其次是被切削材料的性质。

材料的硬度、塑性和热导率等特性都会对切削力产生影响。

此外，切削速度、进给量和切削深度等工艺参数也会对切削力产生影响。

因此，研究这些影响因素对切削力的影响是非常必要的。

为了研究金属切削过程中切削力效果，研究人员常常采用仿真模拟的方法。

仿真模拟可以通过建立切削力的数学模型和计算机模拟技术，准确预测切削过程中的切削力大小和方向，并分析各种影响因素对切削力的影响。

其中，有限元法是一种常用的仿真模拟方法。

有限元法是一种数值计算方法，广泛应用于工程领域中的结构力学和材料力学问题。

在金属切削过程中，有限元法可以通过将切削区域划分成许多小块，建立小块上的切削力模型，并通过求解数学方程组来计算切削力的大小和方向。

通过调整模型中的参数，如刀具几何形状、工件材料特性、切削速度等，可以得到不同情况下的切削力效果。

此外，还可以使用商业仿真软件来进行金属切削过程中切削力效果的仿真模拟研究。

这些软件通过提供各种切削过程的模型和计算工具，能够更加方便地进行切削力的预测和分析。

《0Cr18Ni9Ti-U71Mn摩擦副高速重载磨损行为的有限元模拟》篇一一、引言随着现代工业的快速发展，高速重载环境下的机械零件摩擦磨损问题越来越受到人们的关注。

为了解决这些问题，许多研究聚焦于材料的磨损性能，其中，0Cr18Ni9Ti与U71Mn这两种合金摩擦副的研究备受瞩目。

由于这些合金具有出色的耐腐蚀性、良好的强度以及适宜的加工性，它们被广泛应用于高速度和高负载的机械设备中。

本文采用有限元模拟的方法，探究这两种材料构成的摩擦副在高速重载条件下的磨损行为，旨在揭示其内在的磨损机制，为提高材料的耐磨性及优化设计提供理论依据。

二、有限元模拟方法有限元模拟是一种有效的研究材料磨损行为的方法。

通过建立精确的模型、定义合适的材料参数以及边界条件，我们可以在计算机上模拟实际环境中的材料磨损过程。

这种方法具有效率高、成本低以及结果可视化的优点。

对于本研究所关注的0Cr18Ni9Ti-U71Mn摩擦副，我们首先建立三维有限元模型，通过赋予材料参数（如弹性模量、硬度、摩擦系数等）和边界条件（如接触压力、滑动速度等），模拟出摩擦副在高速重载条件下的实际工作状态。

然后，通过分析模拟结果，我们可以了解材料的应力分布、温度变化以及磨损情况等关键信息。

三、高速重载磨损行为分析根据有限元模拟结果，我们分析了0Cr18Ni9Ti-U71Mn摩擦副在高速重载条件下的磨损行为。

首先，我们发现由于接触压力和滑动速度的增加，摩擦副的应力分布发生了显著变化。

在接触区域，应力集中现象明显，导致材料局部发生塑性变形和磨损。

此外，由于摩擦热的产生，接触区域的温度也显著升高，进一步加剧了材料的磨损。

在分析过程中，我们还发现0Cr18Ni9Ti和U71Mn两种材料在磨损过程中的表现有所不同。

0Cr18Ni9Ti由于具有较高的硬度和耐腐蚀性，在磨损过程中表现出较好的耐磨性。

而U71Mn虽然具有较高的强度和韧性，但在高温和高应力条件下容易发生软化，导致磨损加剧。

金属切削加工有限元模拟技术发展现状分析摘要：随着科学技术的突飞猛进，人们对金属切削的掌握能力越来越高，同时也有了更高的要求，要求更高的效率，更高的精度，在这种情况下金属切削的有限元模拟技术应运而生，它的成本更低，操作更方便，对金属切削有很大的价值。

本文初步介绍了有限元法以及有限元法的当前发展，讨论了金属切削过程中有限元模型的类型，对所涉及的网格划分，刀-屑接触，以及分离准则等关键技术进行了研究。

关键词：金属切削：有限元法：刀-屑接触：有限元模拟Analysis of development status of finite element simulationtechnology for metal cutting processAbstract: With the rapid development of science and technology, people grasp of metal-cutting more and more, but also have higher requirements, requiring higher efficiency, higher accuracy, in this case the finite element simulation of metal cutting technology came into being, its lower cost, more convenient operation, the metal cutting is of great value.This paper introduces the current preliminary finite element method and finite element method, discussed the type of metal cutting process finite element model of the mesh covered knife - key technologies chip contact and separation criteria were studied.Keywords: Metal Cutting；Finite Element Method；tool-chip contact；Finite Element Simulation目录摘要................................................ 错误！未定义书签。

第22卷　第2期　2004年6月应用科学学报J OU RNAL OF APPLIED S CIENCESVo l.22,N o.2　June 2004　收稿日期:2003-01-11;　修订日期:2003-04-30基金项目:安徽省自然科学基金资助项目(01044107)作者简介:谢峰(1963-),男,安徽淮南人,副教授,硕士;刘正士(1947-),男,安徽合肥人,教授,博导. 文章编号:0255-8297(2004)02-0223-05金属切削刀具前、后刀面摩擦状况的数值模拟谢　峰,　刘正士,　杨海东(合肥工业大学机械与汽车工程学院,安徽合肥230009)摘　要:采用数值模拟技术,成功地模拟出了自由直角切削中刀具前、后刀面的摩擦状况,并模拟出切屑形成及计算出刀-屑摩擦面上接触对各节点的等效应力值;同时对有限元建模及计算过程进行了深入的阐述.通过剪切角的仿真计算结果和用快速落刀实验得到的实验数据的比较证实了该方法的可行性.关键词:金属切削;数值模拟;有限元法;刀具前、后刀面摩擦中图分类号:T G 113.26+4 文献标识码:AThe Numerical Simulation of Friction Status on the Rake Faceand Flank Face of Cutting ToolsXIE Feng ,　LIU Zheng -shi ,　YANG Hai -dong(S chool of M echanical and A utomobile Eng ineer ing ,H ef ei University of T echnology ,H ef ei 230009,china )Abstract :Based on the analysis of friction betw een the rake face of m etal-cutting tool and the chip as w ell as betw een the flank face of metal-cutting too l and the machined surface,the friction pr ocess and the chip forming in the tw o -dimensional metal cutting pr ocess are both num erically simulated by means of FEM softw are.T he equivalent str ess betw een the co ntacting nodes on the fr iction face of the chip-cutting to ol is calculated.The m odeling by FEM metho d and the calculat-ing process are also described.T hr oug h the com parison betw een the calculating results o f the simulation of the shearing ang le and the experiment data obtained by the rapid to ol -dr opped metho d,the feasibility of this method is confirm ed.T his m ethod is new and unique.Its applica-tio n will be helpful to the theoretical study of metal cutting and the design o f the cutting too ls.Key words :m etal cutting ;num erical sim ulation ;finite element method ;friction in the rake and flank face o f metal cutting 在机械制造的研究领域中,对金属切削过程的研究一直是国内外研究的热点和难点,其中刀具的前刀面与切屑之间的磨擦及刀具后刀面和工件已加工表面之间的摩擦,将对被切削金属的变形及切削刀具的磨损产生重要的影响[1,2].本文采用数值模拟技术,借助于国际上通用的大型有限元软件,来实现对金属切削刀具前、后刀面摩擦状况的动态模拟.应用该技术,可以在计算机上通过输入材料性能参数、建立有限元模型、加载、计算来真实地模拟出摩擦的整个过程,从而可得出摩擦区中应力场与应变场的变化,并可得出剪切角、切削力等参数,进而可对切削过程的参数进行优化,使金属切削过程的研究更加快捷、有效.因此,正确地模拟金属切削刀具前、后刀面的摩擦状况是对金属切削过程进行数值模拟及对切削刀具进行数字化设计的核心内容.1　刀具前、后刀面摩擦状况分析在塑性金属的切削中,切屑沿刀具前刀面流出时,由于受到挤压和剧烈摩擦,使切屑底层产生严重塑性变形.切屑与前刀面间的摩擦与一般金属接触面间的摩擦不同.切屑与前刀面接触部分划分为两个摩擦区域[3],如图1所示有黏结区和滑动区.图1　切屑和刀具前刀面摩擦情况示意图Fig .1　Fr ictio n bet ween chip andtoo l's r ake face 黏结区在近切削刃长度L f 1内,切削时由于高温(可达900°C)、高压(可达3.5GPa)的作用使切屑底层材料产生软化,切屑底层的金属材料黏嵌在前刀面上的高低不平凹坑中而形成黏结区.在黏结情况下,切屑与前刀面之间的摩擦不是一般的外摩擦,而是切屑和刀具黏结层与其上层金属之间的内摩擦.这摩擦实际就是金属内部的滑移剪切,它与材料的流动应力特性以及黏结面积大小有关,所以它的规律与外摩擦不同,其单位内摩擦力等于材料的剪切屈服强度 s .滑动区在切屑即将脱离前刀面时的L f 2长度的接触区内.在该区内切屑与前刀面间只是凸出的金属点接触,因此实际的接触面积远小于名义接触面积.滑动区的摩擦称为外摩擦,其外摩擦力可应用库仑定律计算.由此可见,切屑与前刀面间的摩擦是由内摩擦和外摩擦组成.通常以内摩擦为主,内摩擦力约占总摩擦力的85%.经测定在黏结区内单位切向力 基本上是不变的,它等于材料的剪切屈服强度s .黏结部分之外为外摩擦,该处的单位切向力 由 s 逐渐减小到零.在黏结、滑动区域内正应力 是变化的,近切削刃处正应力最大,离切削刃越远,正应力 越小,逐渐减小到零. 、 的分布见图1所示.令!代表前刀面上的平均摩擦系数,则按内摩擦的规律!=F f F n = s A f 1 av A f 1=s av(1)式中:A f 1为内摩擦部分的接触面积; av 为平均正应力; s 为工件材料的剪切屈服强度.此外,切削时由于切削刃口前方切削层内出现了复杂的塑性变形区域,以及工件已加工表面层的回弹,使刀具的后刀面与工件的已加工表面间发生强烈的挤压和摩擦.刀具的后刀面与已加工表面间的摩擦一般为外摩擦,摩擦力可应用库仑定律来计算,其大小比前刀面的摩擦力要小很多.由上述分析可知,刀具前、后刀面的摩擦,特别是刀具前刀面的摩擦有其特殊性,正确了解刀具前、后刀面的摩擦状况是对其进行数值模拟的关键.2　有限元建模要进行刀具前、后刀面摩擦状况的数值模拟需考虑的因素很多,其中主要的有以下三个方面:首先,在切削过程中,被剪切工件材料由弹性变形,到塑性变形,最后被撕裂并脱离已加工表面形成切屑,随后切屑沿前刀面流出时由于受到挤压和摩擦,还要发生进一步塑性变形,所以,整个切削过程是一个非常复杂的非线性问题.材料模型既有弹性变形,又有塑性变形.因此,就材料的非线性而言,我们要考虑其屈服准则、流动准则及强化准则[4].通用的屈服准则是Von M ises 屈服准则,其描述方式为:“材料处于塑性状态时,等效应力是一不变的定值.”用公式可表示为[5]-= s(2)即( 1- 2)2+( 2- 3)2+( 3- 1)2=2 2s(3)式中 -为等效应力; s 为材料的屈服应力; i 为材料的第i 主应力(i =1,2,3).在金属切削中,伴随大量切削热的产生,工件材料遵从应变硬化热软化模型[6],等效应力应变曲线表现为应变硬化后,继之为应变(热应变)软化.材料在热软化的过程中出现了流动性,单个塑性应变分224 应　用　科　学　学　报22卷　量∀pl x、∀pl y的发展方向则通过流动准则来描述,其表达式为{d∀pl}=#{ Q}(4)式中:∀pl为材料的塑性应变;#为塑性增量系数;Q为决定材料应变方向的应力函数.屈服准则随塑性应变的发展可用两种强化准则来描述:等向强化及随动强化.本研究中选用多线性等向强化准则(M ISO).等向强化准则可表达为1-3 =Y(5)式中Y为塑性功的函数.其次,在切屑形成过程中,切屑中单元位移的改变和单元取向的改变会改变整体模型的刚度,这是一个几何非线性问题,它包括大应变和大扰度.大应变公式表达为{U}={x}-{X}(6)式中:{U}为位移矢量;{x}为变形的位置矢量;{X}为未变形的位置矢量.大扰度公式表达为[∀]=[V]-[I](7)式中:[∀]为小(工程)应变;[V]为扩展矩阵;[I]为3×3的特征阵.由此,可以通过基于上述两式的大应变效应方程来迭代出一个正确的解.3　计算过程3.1　材料模型建立在金属切削过程中,被切削金属的变形主要是塑性变形,材料的行为是非线性的,因此正确确定工件材料的构成模型是成功地模拟金属切削中切屑形成的关键.经过比较,我们认为就本研究而言,选用多线性等向强化(M ISO)来构筑应力应变曲线更为合适.为了使数值模拟更具有代表性,选取硬质合金WC-TiC-Co(YT15)作为刀具材料,其弹性模量E =550GPa,泊松比!=0.3.由于刀具在切削过程中只进行弹性分析,不涉及塑性问题,故刀具材料不必输入应力-应变曲线.而工件材料由于在切削过程中既有弹性变形,又有塑性变形,最后被撕裂而形成切屑,所以必须建立一个正确的应力-应变关系才能完成以上过程,对于工件材料可知,当其应力达到屈服点时,材料发生塑性变形,随后开始进入强化阶段,应变逐渐增大,应力也逐渐增大.当应力突破极限应力时,材料出现了不稳定性,开始热软化,随着应变的进一步增大,其能承受的应力急剧下降.在工件材料模型中,极限点之前的一些数据取自材料手册,但热软化部分代表点的应力为极限应力的一半,而应变为极限应变的两倍[6].取工件材料为A3钢,其弹性模量E=210GPa,泊松比!=0.3,极限应力b= 520M Pa,屈服应力s=320M Pa,极限变形20%,屈服应变∀s=1500!∀.根据以上分析的材料模型,其应力-应变曲线如图2所示.图2　工件材料的应力-应变曲线Fig.2　St ress to str ain fo rw or kpiece's mat eria l3.2　接触类型选择由前述可知,切削时刀具与切屑和已加工表面之间存在摩擦,在数值模拟中此为接触问题,接触问题是一种高度的非线性行为,需要较大的计算资源.这里有两个方面的难点需要加以克服:首先接触区域接触面之间何时是接触的,何时分离,这在建模时要考虑进去;其次接触面之间存在摩擦问题,特别是在本研究中,在接触区域,摩擦类型较为复杂,特别是在刀-屑摩擦对中,如何界定滑动摩擦和黏接摩擦的区域范围,这直接影响到建模的精度.接触问题有两种基本类型:刚体对柔体的接触,柔体对柔体的接触.在金属切削中,由于刀具的强度远比工件的强度高,因此刀具一般被视为弹性体,而工件则被当作弹塑性体,故这里将切削中的接触总是定为刚体对柔体的接触问题,这与实际的切削过程是相吻合的.3.3　接触方式的选择及创建接触对所使用的软件提供了三种接触方式:点-点,点-面,面-面的接触.对于不同的接触方式,所用软件又提供了不同的接触单元,以对所解决的问题分类处理.在刀具与切屑底层的接触中,可以看作是一个典225　2期谢　峰等:金属切削刀具前、后刀面摩擦状况的数值模拟型的面-面接触.面-面接触是通过覆盖在分析模型接触面之上的一层接触单元来实现的.下面就面-面接触单元的一些特征作一些介绍:刚体-柔体间的面-面接触单元有两类,一类是目标单元,它覆盖在刚性面接触区,另一类是接触单元,它覆盖在柔性面接触区.在本研究中,目标单元选择T ar ge169,接触单元选择Conta172.一个目标单元和一个接触单元叫作一个“接触对”,程序通过一个共用的实常数号来识别“接触对”.面-面接触单元支持低阶和高阶单元,支持有大滑动和有摩擦的大变形,并且对刚体表面的形状没有限制.另外,它还允许多种建模控制[4].对于大多数接触问题,都可以通过接触向导来建立接触对.在建立接触对之前,应给可能成为接触面的所有部分划分网格.本研究要建立刚体-柔体的接触模型,那么在进入接触向导之前,需给要成为柔体接触面的部分(即被切削层和工件)及刚体接触面的部分(即刀具)划分网格.在金属切削模型中,应定义两对接触对,一对是刀具前刀面和可能的切屑底层;另一对是刀具后刀面和可能的已加工表面.在两对接触对中,刀具前刀面和后刀面为目标单元,而切屑底部和已加工表面为接触单元.3.4　摩擦类型的控制如前所述,刀具前刀面和切屑底面之间的摩擦分为两个区域,靠近刀尖处为黏接区,较远的为滑动区.这两个区域的大小和边界在一些资料上并没有给出有效的界定方法.我们知道,在黏接区材料基本上处于塑性状态,由材料模型知,此时材料承受的剪应力较大;在滑动区,材料变形后出现冷作硬化.以切削条件,特别是切削速度、刀具和工件材料为基础,可指定这些接触面相应的长度和摩擦系数.综合一些资料[5,7],刀-屑摩擦面的接触长度约为切削层中剪切面的长度,其中黏接区大约占总接触长度的1/2,而滑动区为总接触长度的1/2.在数值模拟中将黏接区的摩擦系数设为1(此即表示内摩擦),滑动区的摩擦系数设为0.2.在刀具后刀面与工件已加工表面的摩擦对中,也将其摩擦系数取为0.2.在计算中,我们以自由直角切削来建立有限元模型,由此金属切削过程的变形为二维的平面变形.刀具几何参数为:前角10°,后角8°.在刀具右端加水平向左的位移,刀具在给定的速度和不同的位移边界条件下向左移动,形成切削过程.通过计算软件的解算器进行综合计算.切屑与产生的已加工表面间的对应节点在初始时是联系在一起的,我们选取的分离准则为Von M ises 分离准则(等效塑性应变).随着刀具的位移,刀尖前面的节点对产生塑性应变,在每一时步,计算出对应节点的应变,当等效塑性应变值达到分离准则值时,节点对分开.随着节点对的连续分离,就形成了切削过程.同时在计算程序中,选择扩展的拉格朗日接触算法、足够小的时间步长及牛顿-拉普森平衡迭代,便可数值模拟出刀具前、后刀面的摩擦状况.4　结果分析4.1　计算结果计算结束后,计算结果便写进了所用软件的中心数据库中,用户可以通过其通用后处理器和时间历史后处理器来提取计算结果.计算结果一般包括以下几个部分:节点应力、节点位移、节点应变、接触面的接触负载等.图3所示为用数值模拟的方法模拟出的二维金属切削过程及刀具前、后刀面的摩擦状况.图中可明显地看出切削层的变形区.图3　数值模拟出的二维金属切削过程Fig .3　T w o-dim ensio nal met al cutting pro cessby simulaion 提取刀-屑摩擦面上接触对各节点的等效应力值,将各点的应力值作为纵坐标,点到刀尖的距离(图中用刀具前刀面上沿接触长度上的节点顺序号来表示)作为横坐标,得如图4. 图4清楚地表明了前刀面上等效应力和刀尖距离之间的分布关系.在切削刃处,刀具的等效应力最大,在接触长度的粘接区内急剧下降,在接触长度的滑动区内下降较为平缓,但接触长度之外它逐渐减小到最小值.此计算结果与图1所示刀具前刀面所受正应力的分布曲线是相吻合的.4.2　实验验证为了验证用上述有限元方法数值模拟出的切削226 应　用　科　学　学图4　刀具前刀面上各点的等效应力与其距刀尖距离的关系Fig.4　Relatio nship betw een the no de's equivalent st ress along the rake face and t he distance to too l's tip过程的正确性,我们选择剪切角参数来对计算结果进行验证.剪切角∃是剪切滑移面与切削速度间的夹角,剪切角的大小直接反映了切削变形的大小.是研究金属切削过程中一个很重要的参数.通过上述数值模拟可以观察到切削过程中剪切角的形成,如图3所示.图中可明显地看出切削层的第一变形区,由此,根据剪切角的定义,并借助于其他软件测量出的剪切面与水平方向(即切削速度方向)的夹角则为通过有限元法计算出的剪切角的大小.基于以上的研究,保持切削过程中的其他因素不变,在-5°～+20°之间设置不同的刀具前角,建立了不同的切削仿真模型进行计算,测得剪切角的变化范围为42°～57°.同时进行了快速落刀实验[8],来实际地测量出在上述计算的刀具几何条件下剪切角的大小.快速落刀实验是把刀具突然离开切削区以“冻结”退刀瞬时的切削状况,让切屑留在工件上,然后将切屑连同工件切下,制成金相标本,在金相显微镜下研究切削的瞬时状态并可测量出实际剪切角的大小,具体数据如下表:表　不同前角时计算与实验得出的剪切角Tab.　Shear ing ang les g ot ten by calculat ion andex per iment o n dif fer ent r ake ang les前角-5°5°15°20°计算得出的剪切角42°49°52°57°实验得出的剪切角41°47.5°51°56° 将表中有限元的计算结果和实验数据进行比较,发现两者表现出较好的一致性,这说明本文所提出的用有限元方法来数值模拟金属切削刀具前、后刀面摩擦状况具有可行性,并且其精确度也是可信的.5　结论与展望本文采用数值模拟技术,将自由直角切削的切削过程中刀具前、后刀面的摩擦状况,通过基于国际通用大型有限元软件,精确而生动地模拟出来,并模拟出切屑形成及计算出刀-屑摩擦面上接触对各节点的等效应力值.利用得出的切屑及工件已加工表面作用在刀具前、后刀面上的应力边界条件,对刀具进行了有限元分析,且可对刀具的几何参数进行优化,使刀具前、后刀面的摩擦状况的数值模拟与刀具的几何参数优化紧密地联合起来,以利于更好地将研究成果用于工程问题的分析中.为了检验数值模拟的正确性,用该方法计算出剪切角.比较计算结果和实验结果,可以看出该方法是有效的,同时说明利用这种方法来模拟刀具前、后刀面的摩擦状况是可行的.通过本文所采用方法对刀具前、后刀面摩擦状况的数值仿真和对刀-屑摩擦面上接触对各节点的等效应力值分析的成功尝试.可以相信,数值模拟方法,作为当前计算机辅助工程系统的一个重要的组成部分,必将成为金属切削理论研究和刀具产品开发领域中一种更为有效和可靠的研究方法.参考文献:[1]　奥斯塔费耶夫B A[苏].刀具动态强度计算[M].北京:机械工业出版社,1982.34-75.[2]　臼井英治[日].金属加工力学[M].北京:国防工业出版社,1984.277-287.[3]　周泽华.金属切削理论[M].上海:上海科学技术出版社,1992.59-65.[4]　A NSY S.V ersion 5.5document atio n[R].A NSY SInc,Inc1998.[5]　黄华.切削力学[M].北京:机械工业出版社,1992.55-64.[6]　Xie J Q.有限元分析建模和模拟金属切削时剪切区切屑形成[J].吴希让译.国外金属加工,1999,(2):41-52.[7]　K ug Weo n Kim,Hy o-Cho l Sin.F inite ElementM etho d and T her mo-V isco plastic Cut ting M odel inM anufactur ing Systems[M].N ew Y or k:CR C Pr ess,2001.24-30.[8]　袁哲俊.金属切削实验技术[M].北京:机械工业出版社,1992.17-19.227　2期谢　峰等:金属切削刀具前、后刀面摩擦状况的数值模拟。

高速切削高温合金有限元模拟及试验研究高速切削加工属于先进制造技术,由于其具有一系列的优点,因而在工业领域中获得了广泛的应用。

高速切削加工金属材料时常常会产生锯齿形切屑,锯齿形切屑的形成几乎影响到切削加工过程的各个方面,如切削力、切削温度、刀具磨损及加工表面质量等。

因此,研究高速切削加工过程中锯齿形切屑的形成与切削加工参数之间的关系就显得非常必要。

切屑的形成及切削力属于切削加工机理方面重点研究的内容,本文通过有限元模拟和试验相结合的方法对高速切削高温合金加工过程中切屑形成及切削力进行了研究,有利于人们加深对高速切削加工机理的认识。

本文利用大型通用商业有限元软件ABAQUS采用不用分离线的建模方法建立简化的二维正交切削有限元模型,选用基于温度的各向同性硬化材料本构关系模型,采用剪切损伤这一物理分离准则以实现切屑与工件的分离,模拟了高速切削高温合金GH4169时切屑形成过程及切削力,并通过改变不同的刀具前角、切削速度及切削厚度研究其对切屑形态及切削力的影响,并通过试验进行验证。

通过模拟结果和试验结果的对比分析,发现锯齿形切屑的锯齿化程度随着刀具前角的减小、切削速度的增大及切削厚度的增大而增大,切削力随着刀具前角的增大、切削速度的增大及切削厚度的减小而减小,两者达到了很好的一致,验证了有限元模型的正确性。

通过改变不同的摩擦系数研究了其对切削力及与刀具相接触的切屑底部所受到的正应力的影响,模拟结果表明,随着摩擦系数的增大,切削力及与刀具相接触的切屑底部所受到的正应力增大。

研究了不同的刀具前角对切屑与刀具接触长度的影响,研究表明刀具前角越小,刀具与切屑之间的接触长度就越大。

对切削加工过程中的Mises应力进行了分析。

研究了不同的刀具前角对锯齿形切屑绝热剪切带内的等效塑性应变及应变率的影响,研究表明刀具前角越小,锯齿形切屑绝热剪切带内的等效塑性应变及应变率就越大。

金属难加工材料切削及刀具磨损虚拟仿真报告金属难加工材料切削及刀具磨损虚拟仿真报告1. 简介•金属难加工材料指那些具有高硬度、高强度和高耐磨性等特征的金属材料，如高速钢、硬质合金、陶瓷等。

•金属材料的难加工性严重影响了加工效率和质量，而切削及刀具磨损虚拟仿真技术可用于解决这一问题。

2. 金属难加工材料的特点•高硬度：金属难加工材料具有极高的硬度，使得切削时刀具与工件之间的摩擦和剪切力增大。

•高强度：金属难加工材料具有较高的抗拉强度和屈服强度，增加了切削时材料的塑性变形阻力。

•高耐磨性：金属难加工材料的表面具有较高的硬度和耐磨性，导致切削加工时刀具易受磨损。

3. 切削及刀具磨损虚拟仿真技术•切削仿真：通过建立切削过程的数值模型，仿真分析切削力、温度分布、变形等参数，为切削参数的选定提供指导。

•刀具磨损仿真：基于刀具磨损的机理，模拟切削过程中刀具表面的磨损情况，预测刀具寿命并优化刀具设计。

4. 仿真结果与应用•通过切削仿真，可以优化切削参数，减小切削力和温度，提高切削效率和加工质量。

•通过刀具磨损仿真，可以预测刀具寿命，合理安排刀具更换周期，降低生产成本。

•仿真结果可应用于金属难加工材料的切削加工过程优化和刀具寿命管理等领域。

5. 总结•切削及刀具磨损虚拟仿真技术为金属难加工材料的切削加工提供了新的解决方案。

•仿真结果可为制造企业提供更科学、高效的切削方案和刀具磨损管理策略。

•进一步研究和应用虚拟仿真技术可以不断优化金属难加工材料的切削加工过程，提高生产效率和质量。

6. 下一步研究方向•开发更精准的金属难加工材料的切削仿真模型，提高仿真结果的准确性。

•结合材料力学和热力学等理论，深入研究金属难加工材料的切削机理。

•发展更高效的刀具磨损仿真算法，准确预测刀具寿命。

•研究切削仿真与实际切削加工过程的关联，进一步验证仿真结果的可靠性。

7. 实际应用与展望•虚拟仿真技术在金属难加工材料的切削加工领域具有广泛的应用前景。

高速切削锯齿形切屑的试验研究与有限元模拟高速切削是解决难加工材料加工的最有效手段之一,而难加工材料的锯齿形切屑试验研究是高速切削基础理论研究领域的重要组成部分。

本课题以钛合金和镍基高温合金两种工件材料为研究对象,采用切削试验和有限元模拟相结合的方法,对这两种材料锯齿形切屑的形成过程、演变机理及锯齿形切屑几何表征与切削用量关系展开了深入研究。

锯齿形切屑是高速切削加工过程中切屑的典型特征,在切削过程中它不仅会导致切削力在切削稳态下高频率的波动,还会使刀具的磨损和破损加剧,从而降低刀具寿命和已加工表面质量。

因此,对锯齿形切屑的实验研究有助于优化切削工艺,提高刀具寿命,保证已加工表面质量。

首先,通过钛合金Ti6A14V和镍基高温合金的切削试验,对切屑的宏微观形态和切削力进行了研究分析。

结果表明：切屑螺旋外径随着切削速度和进给量的提高而增大。

切削力随着进给量、背吃刀量的增大而增加,随切削速度的增加而减小。

建立了切削力的经验公式,并通过对比分析验证了其正确性。

锯齿化程度、锯齿化步距随切削速度、进给量和背吃刀量的增加而增大,锯齿化频率随进给量的增加而减小,随切削速度和背吃刀量增加而增大；绝热剪切带随着切削速度的提高而具有从形变带到转变带再到带裂纹转变带的转化趋势。

其次,利用ABAQUS软件建立了镍基高温合金的正交切削有限元模型。

几何模型采用设置剪切损伤区而不单独设置分离线的方法,材料本构关系选用能正确反映材料本质属性的Johnson-Cook本构模型；通过切削力和切屑形态的对比分析,验证了该模型的正确性。

最后,通过试验与模拟的对比分析,研究了锯齿形切屑形成过程及机理。

结果表明：锯齿形切屑的演变过程由锯齿雏形、锯齿雏形到锯齿节块及锯齿节块到锯齿切屑三个形成阶段组成。

温度弱化作用使剪切滑移变形始于切削层下部靠近刀尖区域,并呈尖峰状向切削层顶表面方向扩展；当刀尖处金属发生热塑失稳时,剪切滑移瞬间扩展至切削层顶表面形成了完整的剪切滑移窄带,锯齿雏形形成。

高速切削锯齿形切屑形成过程的有限元模拟段春争;王肇喜;李红华【摘要】为了研究和预测高速切削切屑形成过程，使用有限元分析软件ABAQUS 建立了高速切削高温合金的有限元模型，采用Johnson-Cook热粘塑性材料本构模型、剪切损伤切屑分离准则以及刀-屑界面粘结-滑移混合摩擦模型，对高速切削高温合金过程中锯齿形切屑的形态及切削力进行了研究。

通过模拟与实验的对比分析，验证了有限元模型的准确性。

切削参数对切屑形成的影响的研究结果表明，高速切削过程中锯齿形切屑的锯齿化程度、切削力以及绝热剪切带内的等效塑性应变随切削速度、刀具前角以及切削厚度的改变而规律性地变化。

%In order to study and predict the formation process of the serrated chip in high-speed cutting ( HSC) , a finite element model of the high-speed cutting of superalloy was constructed by using the finite element analysis soft-ware ABAQUS. By the adoption of the Johnson-Cook thermal visco-plastic constitutive model, the separation criteri-on of the chip damaged in shearing and the sticking-sliding mixed friction model of the tool-chip interface, as well as the morphology of the serrated chip and the cutting force in the high-speed cutting of the superalloy were studied. Through the contrast analysis of the simulation and experiment, the results verify the accuracy of the finite element model. The research results of the effects of the cutting parameters on the chip show that the serrated degree of the chip formed in the high-speed cutting, the cutting force and the equivalent plastic strain inside the adiabatic shear band regularlychange with the variation of the cutting speed, rake angle of the cutter and cutting thickness.【期刊名称】《哈尔滨工程大学学报》【年(卷),期】2014(000)002【总页数】7页(P226-232)【关键词】高速切削;有限元模拟;锯齿形切屑;高温合金;本构模型;切屑分离准则【作者】段春争;王肇喜;李红华【作者单位】大连理工大学机械工程学院精密与特种加工教育部重点实验室，辽宁大连116024;大连理工大学机械工程学院精密与特种加工教育部重点实验室，辽宁大连116024;大连理工大学机械工程学院精密与特种加工教育部重点实验室，辽宁大连116024【正文语种】中文【中图分类】TG506高速切削是一个涉及高弹塑性变形和高切削温度的复杂过程。

金属切削变形过程的有限元仿真初探金属切削是一种常见的金属加工方法，通过切削刀具对金属材料进行物理性质的改变，得到所需形状和尺寸的工件。

而金属切削变形过程的仿真研究能够帮助我们更好地理解切削过程中的力学行为和变形特性。

本文将对金属切削变形过程的有限元仿真进行初探。

首先，金属切削变形过程的有限元仿真需要进行材料特性的建模。

金属材料的切削行为受到材料的硬度、强度、塑性等力学性质影响。

因此，在有限元仿真中，需要根据实际材料的力学性质对材料进行建模。

常用的材料模型包括弹性模型和塑性模型。

弹性模型用于描述金属在没有发生任何永久变形之前的行为，而塑性模型则用于描述金属在切削过程中发生的塑性变形。

通过建立准确的材料模型，可以更好地预测材料在切削过程中的变形行为。

其次，金属切削变形过程的有限元仿真需要对切削刀具和工件进行建模。

切削刀具通常由硬质合金或高速钢制成，具有复杂的几何形状。

在有限元仿真中，需要将切削刀具的几何形状进行构建，并设置合适的边界条件和加载条件。

工件的模型则需要根据实际的几何形状进行建模，并设置适当的约束条件。

通过合适的切削刀具和工件建模，可以更准确地模拟实际切削过程中的力学行为。

然后，金属切削变形过程的有限元仿真需要对切削过程中的摩擦和热变形进行考虑。

摩擦力是切削过程中不可忽视的因素之一，会对金属材料的变形行为产生显著影响。

在有限元仿真中，需要引入摩擦力，并通过摩擦系数来描述切削刀具与工件之间的摩擦力。

此外，切削过程中还会伴随着热变形现象，特别是在高速切削中。

热变形的发生会导致金属材料的孔隙度增加、硬度降低等现象，因此需要考虑热效应对切削过程的影响。

最后，金属切削变形过程的有限元仿真需要进行切削参数的优化。

切削参数包括切削速度、进给量和切削深度等，它们会直接影响到金属切削过程中的力学行为和变形特性。

通过对切削参数进行优化，可以获得更理想的切削效果和更大的加工效率。

在有限元仿真中，可以通过改变切削参数的数值来模拟不同的切削条件，并通过参数优化来确定最佳的切削参数组合。

金属微切削过程的有限元仿真及实验研究(一)金属微切削过程的有限元仿真及实验研究研究背景•金属微切削是一种重要的金属加工方法，在现代制造业中得到广泛应用。

•有限元仿真技术可以为金属微切削过程提供可靠的数值模拟方法。

研究目的•通过有限元仿真分析，探究金属微切削过程中的关键参数及影响因素。

•结合实验研究，验证仿真结果的准确性，并提出优化方案。

研究方法1.设计并搭建金属微切削的有限元模型。

2.定义仿真中所需的材料参数、切削参数等。

3.使用商业有限元软件进行仿真分析。

4.对仿真结果进行数据处理、统计及可视化分析。

5.设计并进行实验验证，采集实验数据。

6.对比仿真结果与实验结果，验证仿真模型的准确性。

研究结果与讨论1.通过有限元仿真，得到了金属微切削过程中切削力、切削温度、表面质量等关键参数的变化规律。

2.实验结果与仿真结果一致，验证了有限元仿真模型的准确性和可靠性。

3.对比不同切削参数下的仿真结果与实验结果，发现切削速率、进给量等参数对金属微切削过程有显著影响。

4.提出了优化金属微切削过程的建议，例如调整切削参数，优化刀具设计等。

研究结论•通过有限元仿真及实验研究，我们深入了解了金属微切削过程的相关参数及影响因素。

•我们验证了有限元仿真模型的准确性，并提出了优化金属微切削过程的建议。

•本研究为金属微切削过程的优化与改进提供了重要的理论依据和实验支持。

研究展望•本研究在金属微切削过程的有限元仿真及实验研究方面取得了一定成果，但仍存在一些局限性。

•今后，可以进一步扩大研究样本和范围，优化有限元模型，提高仿真精度。

•进一步研究金属微切削过程中的机理，探索更有效的优化方法。

以上是关于”金属微切削过程的有限元仿真及实验研究”的相关研究报告。

*国务院侨务办公室自然科学基金(基金项目:06QZR06)收稿日期:2008年5月金属切削过程有限元仿真关键技术及应考虑的若干问题*李 涛 顾立志华侨大学摘 要:有限元仿真是研究金属切削的一门有效而重要的技术。

本文介绍在金属切削过程模拟中有限元仿真技术的应用和发展,深入分析和研究工件材料模型、自适应网格划分、切屑分离判别、刀)屑接触面摩擦模型以及刀)屑接触长度确定等五项关键技术;讨论了在实际金属切削过程有限元仿真中的真实性、可操作性、效率等方面应考虑的若干问题。

关键词:有限元, 金属切削, 弹塑性变形, 自适应网格Key Techniques of Finite Element Simulation in MetalCutting Process and Some C onsiderationsLi Tao Gu LizhiAbstract:Fini te element si mulation is an effecti ve and important technology in metal cutting studying.The application and develop ment of fini te element simulation technology in the metal cu tting process is introduced,and the five key technologies includ -ing work -piece material model,adaptive mesh,chip separation criterion,the friction model of too-l chip con tacted surface and too-l chip contacted length determination are researched and analyzed,and some considerations which are authentici ty,operability,eff-i ciency and so on i n fini te element si mulation based on metal cutting process are discussed.Keywords:finite elemen t, metal cutting, elastic -plastic deformation, adaptive mesh1 引言近年来,随着科学和软件技术的进步,已开发了若干可对金属切削过程进行建模、数值模拟仿真的软件(如ANSYS 、DEFORM 、ABAQUS 等),为金属切削过程仿真提供了有效的方法和技术手段。