分层切削加工有限元仿真分析

江苏大学硕士学位论文金属切削加工过程的有限元建模与仿真姓名：吴勃申请学位级别：硕士专业：计算机科学与应用指导教师：蔡兰20060301４．２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．Ｄ模型‘蚓脚’，２．Ｄ有限元模型仅仅适合于萨交切削的仿真，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．Ｄ有限元模型来仿真切屑形成过程。

本部分主要采用３．Ｄ有限元模型仿真在正交切削和制刃切削条件下的切屑形成过程，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。

４．２．１几何模型的建立与网格划分本章主要研究刀具切入工件丌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４．６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。

幽４６网格划分图４．２．２材料属性的定义金属材料非线性的本构关系主要分为以下四种类型，即弹塑性、刚塑性、弹粘塑性、刚粘塑性。

有限元模拟的准确性很大程度上取决于本构关系能否真实反映材料的真实特性。

在金属切削有限元仿真中，采用弹塑性材料模型时，既有塑性变形又有弹性变形，较为符合会属切削过程的真实情况。

本课题中，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，工件材利根掘需要选择相应材料。

与实验加工的材料相对应，输入丁Ｆ交材料属性（杨氏模量、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。

江苏人学硕十学何论文４．２．３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。

女ｎＸ，ｊ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。

金属切削理论大作业2017年04月1基于ANSYS金属切削过程的有限元仿真付振彪，2016201064天津大学机械工程专业2016级研究生机械一班摘要：本文基于材料变形的弹塑性理论，建立了材料的应变硬化模型，采用有限元仿真技术，利用有限元软件ANSYS，对二维正交金属切削过程中剪切层及切屑的形成进行仿真。

从计算结果中提取应力应变云图显示了工件及刀具的应力应变分布情况，以此对切削过程中应力应变的变化进行了分析。

关键词：有限元模型；切削力；数学模型；二维模型；ANSYS1 绪论1.1金属切削的有限元仿真简介在当今世界，以计算机技术为基础，对于实际的工程问题应用商业有限元分析软件进行模拟，已经成为了在工程技术领域的热门研究方向，这也是科学技术发展所导致的必然结果。

研究金属切削的核心是研究切屑的形成过程及其机理，有限元法就是通过对金属切屑的形成机理进行模拟仿真，从而达到优化切削过程的目的并且可用于对刀具的研发。

有限元法对切屑形成机理的研究与传统的方法相比，虽然都是对金属切削的模拟，但是用有限元法获得的结果是用计算机系统得到的，而不是使用仪器设备测得的。

有限元法模拟的是一种虚拟的加工过程，能够提高研究效率，并能节约大量的成本。

1.2研究背景及国内外现状最早研究金属切削机理的分析模型是由Merchant [1][2]，Piispanen[3]，Lee and Shaffer[4]等人提出的。

1945 年Merchant 建立了金属切削的剪切角模型，并确定了剪切角与前角之间的对应关系这是首次有成效地把切削过程放在解析基础上的研究，成功地用数学公式来表达切削模型，而且只用几何学和应力-应变条件来解析。

但是材料的变形实际上是在一定厚度剪切区发生的，而且它假设产生的是条形切屑，所以该理论的切削模型和实际相比具有很大的误差。

1951 年，Lee and Shaffer 利用滑移线场(Slip Line Field)的概念分析正交切削的问题。

切削加工中的有限元模拟作者：BerendDenkena、Luis De Leon、Maya Otte 来源：德国Werkstatt + Betrieb杂志借助于有限元分析工具（FEM）的灵活性可以全面地描述切削过程；与实验测试相比，有限元分析可以更好地描述难以测量或者原本无法描述的加工过程。

切削过程的建模以及模拟对于降低加工工时和成本至关重要。

模拟作为开发工具可以用于质量管理和质量优化，并尽可能降低生产起步阶段的风险和试制费用。

有限元分析（FEM）是一种数学方法，尤其适用于解决与工程实际相关的问题，并能在更广的范围内传播。

首先将需计算区域划分为若干大小有限的小单元。

在每一个不等于0的有限单元内寻找解决方案。

整个区域的解决方案通常情况下由相当庞大但精巧的、填充好的线性方程式运算得出。

使用有限元模拟可以借助数学方法对切削过程进行重建，同时将整个过程中任意部位和时间点的温度、延展、延展率、应力和受力计算出来。

因此，有限元模拟可以用来支持不同场合下的实验研究（图1）。

图1 切削加工中的有限元分析在刀具开发过程中，诸如刀具磨损和生产效率等的因素将发挥决定性的作用，因为在整个加工过程中生产效率和质量受到影响。

刀具结构的优化可以提高刀具本身的使用寿命和加工质量。

为了获得比较优化的刀具几何结构，需要考虑切削过程中的热负荷和机械负荷。

此外需要分析沿刀刃和位于刀具内部的应力和温度。

切削刃接触区域内应力、延展、延展率以及温度的详细信息可以用于分析切屑形成的机制。

工件方面，借助有限元方法可以预测固定工件的边缘区域所受到的影响。

对工件内应力形成机制的研究可以用来控制切削过程并进一步调整特定边缘区域的特性。

图2的实例是直角切入式磨削的建模过程。

第一步，使用有限元软件（本例中采用了“Deform 2D”）按照给出的几何参数将刀具自动划分网格。

工件划分网格后再施加额外的边界条件。

根据工件的弹性-塑性形变计算结果选择合适的材料模型。

分层切削加工有限元仿真分析ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＬａｙｅｒｂｙＬａｙｅｒＣｕｔｔｉｎｇ北京航空航天大学机械工程及自动化学院董兆伟张以都刘胜永万晓航［摘要］采用有限元分析方法，利用有限元增量理论，建立了二维金属切削仿真模型，分析中采用网格自适应准则，模拟了金属分层切削加工过程。

得到了每次切削加工的切削力、工件变形和加工后已加工表面的残余应力的大小以及分布状况，并进行了分析。

关键词：有限元网格重划分切削力残余应力［ＡＢＳＴＲＡＣＴ］Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｉｎ－ｃｒｅｍｅｎｔ，ｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｍｅｔｈｏｄｉｓｕｓｅｄｔｏｅｓｔａｂｌｉｓｈ２Ｄｍｅｔａｌｃｕｔｔｉｎｇｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌ．Ｉｎａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅｍｅｓｈａｄａｐｔｉｖｅｃｒｉｔｅｒｉａｉｓａｄｏｐｔｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｍｅｔａｌｃｕｔｔｉｎｇｌａｙｅｒ￣ｂｙ￣ｌａｙｅｒ．Ｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｆｏｒｃｅｓ，ｗｏｒｋｐｉｅｃｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｅｓａｎｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｏｎｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｓｕｒｆａｃｅｓｆｏｒｅｖｅｒｙｃｕｔｔｉｎｇａｒｅｏｂｔａｉｎｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＦｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔＲｅｍｅｓｈｉｎｇＣｕｔｔｉｎｇｆｏｒｃｅＲｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓ在机械制造业中，精度要求较高和表面质量限定较严的零件通常都要经过切削加工。

４０年代末兴起的无切屑生产过程以及电加工、电化学加工工艺方法经过几十年的发展，只能在某些零件制造中部分代替切削加工。

与此同时，由于刀具材料的改进，机床功率和切削速度的提高，机床刚度的增加，机床控制技术的进步，切削技术也取得了长足的进步。

在目前的金属加工方法中，切削仍然占据主导地位。

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。

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。

1. 金属切削有限元仿真分析的意义：先进刀具、柔性夹具、新型冷却润滑和高效程编等技术相结合，是实现高效高品质数控加工的主要途径。

优化高效的切削参数数据库对于合理选择数控加工切削参数，对于实现数控机床和加工过程综合应用效率最优化，对于实现高效低成本加工具有重要的意义。

目前，数控加工企业已经普遍采用CAM软件进行刀具路径的规划和仿真分析，进行机床仿真及干涉碰撞检查。

但数控加工过程的仿真仅停留在刀轨路径仿真优化的几何层面，无法获取加工过程的物理特性。

传统的切削试验方法可以研究切削过程的切削力、切削温度和刀具磨损率等物理量，但是存在着成本高和效率低的缺点。

随着计算机和有限元技术的发展，对加工过程的关键环节进行科学的计算和预测成为可能。

近年来，有限元技术已被广泛应用于切屑形成与流动预测、刀具结构优化设计、工艺参数优化以及结构件的变形预测、控制与校正等相关领域的研究，有关研究结果已成功用于指导生产。

美国Third Wave公司的AdvantEdge FEM和AdvantEdge Production Module系统是商用金属切削有限元仿真软件中的杰出代表。

利用它们可以得到切削力、切削温度、刀具磨损和机床负载等数据，对加工过程进行分析与优化。

利用它们可以在多种方案种进行比较，选择最合适的刀具及其优化的工艺参数，从而提高加工质量，延长刀具寿命，提高生产效率和降低劳动损耗。

2. AdvantEdge系列软件的特点和优势采用AdvantEdge FEM和AdvantEdge Production Module金属切削仿真分析系统对切削过程实现物理仿真、对NC程序进行综合分析及优化，在科学分析的基础上逐步建立优化工艺参数数据库。

AdvantEdge FEM和AdvantEdge Production Module系统在金属切削加工中应用的突出优点主要表现在如下几个方面：（1）揭示许多实验无法获得的物理力学现象，获得实验难以测试的加工过程参数（如切削区的温度分布、应变率、应力和应变等），对不同切削条件下的切屑流动、切削力、刀具温度和应力进行预测，为高效加工提供理论支持；（2）大大减少实验研究的工作量，降低研究投入，缩短研发周期；（3）可以对整个工件的主要加工过程进行仿真分析，对加工变形进行预测，实现工艺参数等优化；（4）对机床、工件、刀具及NC程序进行综合分析，优化工艺参数，使机床负载平衡，降低振动，从而提高加工质量和效率。

切削加工有限元仿真教学设计与研究随着信息技术和机械加工技术的迅猛发展，切削加工工艺已经成为机械加工行业的重要组成部分，在产品加工质量的提高以及节能减排的要求下，切削加工的计算机仿真技术扮演着越来越重要的角色。

有限元仿真是切削加工仿真技术中非常关键的一种,基于有限元原理，通过设计有限元模型，建立适当的加工工艺参数，计算得出各种模型的加工结果，完成切削加工仿真的计算过程。

有限元仿真的教学设计要从教学内容、教学形式及教学方法等全面考虑。

首先，教师要教授学生基础的有限元理论，包括几何形态的建模，材料的选择，单元的设定，局部分析及总体分析等方面，教学形式则要通过课堂讲授，报告讲解，模拟训练，实验操作等多种方式来完成，教学方法则要结合理论教学和实验实践，把理论与实践紧密结合起来，有效地提高学生的学习效果。

有限元仿真的研究也非常重要，它与诸如机床控制、切削工艺设计以及计算机辅助设计等多个方面息息相关。

将有限元仿真与机床控制结合起来，研究出一种适应常规切削加工的全过程智能控制系统，可以有效改善切削过程的加工质量；切削工艺设计方面，研究出一种基于有限元仿真分析的试验积累法，可以极大地提高切削加工的过程控制水平；计算机辅助设计则可以通过有限元加工仿真来实现，使得产品的质量得到改善，生产周期得到缩短。

在现代工业自动化中，有限元仿真在机械加工行业中具有十分重要的作用，因此教师在教学中应该采用多种教学方法和教学形式，使学生充分了解到有限元仿真的重要性；研究方面也要联系实际，研究出一系列先进的方法，以提高切削加工的加工质量和效率。

本文从教学和研究的角度，讨论了有限元仿真的重要性及其在切削加工中的应用，给出了一些实用的建议，以帮助技术人员和学生在切削加工领域更好地应用有限元仿真仿真技术，促进了机械加工行业的发展和切削加工仿真技术的普及应用。

钻削过程切屑受力建模及有限元仿真研究一、概述钻削过程是金属加工中常见的加工工艺之一，其切削过程中切屑的形成和受力情况对加工质量和工件表面粗糙度有着重要影响。

本文将针对钻削过程中切屑受力建模及有限元仿真研究展开深入探讨，从宏观和微观两个角度分析切屑的形成机理和受力情况，旨在为钻削工艺提供更深入的理论基础和实用指导。

二、切屑形成机理分析1. 切屑形成的基本过程在钻削过程中，切屑的形成是由刀具对工件进行切削，其中金属材料在刀具作用下形成的薄层即为切屑。

切屑形成的基本过程可以简要概括为切屑的起始、发展和脱离三个阶段。

切屑的形成机理主要包括切削热、切削变形、切削厚度和切屑形状等因素的综合作用。

2. 切屑形成的影响因素切屑形成受到诸多因素的影响，包括工件材料性能、刀具的材料和几何形状、切削参数、冷却液的使用等。

不同的工件材料、刀具材料和切削参数组合会导致切屑的形态、厚度和温度等特性的差异，从而影响切屑的排屑能力、切屑的排屑性能和对切屑的进一步加工。

三、切屑受力情况分析1. 切屑的受力特点切屑在形成过程中会承受来自刀具的切削力、切削热和切屑自身的重力等多种力的作用。

其中，切削力是切屑受力的主要载荷，其大小和方向直接影响切屑的形状和质量。

切屑受力还与刀具的几何形状、切削参数和切削状态等因素相关。

2. 切屑的受力模型有限元分析是研究切屑受力的有效方法之一，通过建立钻削加工的切屑受力模型，可以分析切屑在加工过程中的受力情况。

通过有限元仿真可以得到切屑的应变、应力分布以及切屑的变形情况，从而为钻削工艺的优化提供理论支持。

四、有限元仿真研究1. 切屑受力的有限元模型建立在进行有限元仿真时，首先需要建立钻削过程中切屑受力的有限元模型。

该模型需要考虑刀具、工件、切屑和切削液等多个物理对象及其之间的相互作用，同时要考虑切屑受力的非线性、瞬态和热传导等特性。

通过对切屑受力的有限元模型建立，可以准确地模拟切屑在切削过程中的受力情况。