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二维硬态切削过程的有限元仿真

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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

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硬态切削表面残余应力分析研究

硬态切削表面残余应力分析研究

硬态切削表面残余应力分析研究

李万钟;屈健康;李娜娜;徐颖强;郭彩虹

【摘 要】以轴承钢GCr15为研究对象，根据热-弹塑性有限元理论，建立了热力耦合的二维正交硬态切削模型。根据硬态切削的特点，在硬态切削有限元模型中设置了未预先设置分离线的点面接触并选择了Johnson-Cook材料本构模型，通过有限元分析计算，得到了不同切削参数和刀具几何参数条件下已加工表面残余应力的模拟结果。对结果进行比较分析得出，最大压残余应力出现在工件表面，沿着深度的增加工件内部的残余应力由残余压应力转化为残余拉应力，并逐渐趋向于零。这对于控制和提高硬态切削工件表面质量具有重要的理论指导意义。%Taking

bearing steel GCr15 as the object, the thermal-mechanical 2D orthogonal

hard cut-ting simulation model is established based on the thermal elastic-plastic mechanics. The finite element model of hard cutting is established

with the point-surface contact of fail-ing to set separation line and the

Johnson-Cook material constitutive model according to the characteristics

of the hard cutting. The effects of the cutting parameters and cut-ting

tool’s geometric on the residual stress of the machined surface are

obtained by the ABAQUS software. The results indicate that maximum

切削加工中的有限元模拟

切削加工中的有限元模拟

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。确定立方体之间的接触条件之后，可以设置工件的运行速度。然后开始计算，并对位于不同位置的观察点进行评价。图2显示的是切削过程中X轴方向上的评价结果。

abaqus二维切削结论 -回复

abaqus二维切削结论 -回复

abaqus二维切削结论 -回复

Abaqus二维切削结论

一、引言

二维切削是机械加工中常见的一种加工方法，通过刀具对工件进行旋转切削，形成所需的形状和尺寸。为了研究切削过程的力学行为和切削效果，数值模拟成为了一种有效的方法。本文以ABAQUS为工具，通过建立切削仿真模型，探讨了二维切削的几个关键问题，包括切削力分布、变形情况以及表面粗糙度等方面的结论。

二、建模与参数设定

在进行数值模拟前，首先需要建立切削仿真模型。本文选择了位于切削区域中央的工件，刀具的旋转轴垂直于工件表面。刀具被视为圆柱体，工件则被视为一个具有特定尺寸的矩形块。

在模型参数设定方面，我们将切削速度设定为固定值，同时假设切削过程中没有冷却和润滑，切削过程中产生的热量不会被有效地带走。这样可以更加清晰地观察切削过程的力学行为。

三、切削力分布

切削力是切削过程中最为重要的参数之一，对于工件表面的损伤情况有直接的影响。通过数值模拟，我们可以得到切削力在刀具与工件接触面上的分布情况。

根据模拟结果，我们观察到切削力在刀具接触点处达到最大值，并且向着刀具的边缘逐渐减小。这是因为在刀具接触点处，切削速度最大，而在刀具边缘则为零，导致切削力分布呈现出这样的形态。 四、变形情况

在切削过程中，工件会发生一定的变形，特别是对于某些材料而言，切削过程中会引起材料的弹塑性变形。通过数值模拟，我们可以观察到工件在切削过程中的变形情况。

根据模拟结果，我们发现切削过程中工件表面出现了一定的弯曲。这是由于切削力的作用下，工件受到了一定的弯曲载荷，导致工件发生了一定的形变。同时，我们还可以观察到切削过程中工件表面的位移情况，这些位移主要是由于工件在切削过程中受到的切削力的作用。

五、表面粗糙度

表面粗糙度是切削加工最直观的参数之一，就是工件表面的不平整程度。通过数值模拟，我们可以对切削过程中的表面粗糙度进行预测。

根据模拟结果，我们可以得到工件表面的高度分布情况。我们可以看到，在切削过程中，工件表面产生了一定的波状起伏。这是由于刀具在切削过程中的剪切作用引起的，切削过程中的微小刀痕造成了工件表面的不规则性，从而导致表面粗糙度的增加。

切削速度与切削深度对切削力影响的有限元模拟

切削速度与切削深度对切削力影响的有限元模拟

切削速度与切削深度对切削力影响的有限元模拟

本文将介绍切削速度和切削深度对切削力影响的有限元模拟。

有限元模拟可用于预测和分析机械加工过程中的切削力。

在模拟中,我们将考虑工具的几何形状,材料特性,切削参数(切削速度和切削深度)以及工件的几何形状和材料特性。

在模拟中,我们将使用ANSYS Workbench软件。

首先,我们需要建立一个几何模型,包括工具和工件的几何形状。

然后,我们将定义材料特性,包括工具和工件的弹性模量和泊松比。

接下来,我们将定义切削参数,包括切削速度和切削深度。

切削速度是指工具在切削中移动的速度,通常以米/分钟或英尺/分钟表示。

切削深度是指工具在一个切削周期内从工件上移除的材料的厚度。

然后,我们将运行有限元分析,以预测在给定的切削速度和切削深度下的切削力。

切削力是指工具在切削过程中所受到的力,通常以牛顿或磅力表示。

最后,我们将分析模拟结果,以了解切削速度和切削深度对切削力的影响。

通过分析模拟结果,我们可以优化切削参数,以减少切削力并提高加工效率。

总之,有限元模拟是一种有效的方法,可以预测和分析机械加工过程中的切削力。

通过优化切削参数,我们可以减少切削力并提高加工效率。