金属切削加工有限元模拟技术发展现状分析开题报告
毕 业 论 文 开 题 报 告1结合毕业论文情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：文 献 综 述1.1课题研究背景 机械制造工业对整个国家经济的发展有着重大的影响。全世界工业发达国家几乎都有十分先进的机械制造工业。美国的宇航与航空工业,日本的汽车工业都是例子。金属切削加工在机械制造工业中有着突出的地位。因为要把毛坯表面高低不平的缺陷层去除掉,以获得高精度的表面及完整的零件,切削与磨削加工是最常用的方法。1据统计,全世界工业发达国家(包括前苏联),在上世纪80年代中期每年用于切削加工的费用就超过2500亿美元。随着我国经济的快速发展和国防事业的稳步向前,我国的机械制造工业也迎来了快速发展的时代,同时我国每年用在切削加工方面的费用也在不断攀升。1.2 课题研究内容及意义金属切削过程是机械制造业中最重要的过程之一，它在机械制造工业中占据着重要的地位，并对国家经济和技术的发展有着深远的影响。金属切削加工的实质就是刀具和工件的相互作用用刀具切除工件上多余的金属层，从而获得形状、精度及表面质量都符合要求的工件的过程。在此过程中会伴随着各种现象，如切削变形、切削力、切削热、刀具的磨损与耐用度等，并且这些现象严重影响着产品的质量及生产成本。实际上，切削过程是一个很复杂的过程，它涉及到弹性力学、塑性力学、断裂力学还有热力学、摩擦学等诸多学科。切削质量受到刀具形状、切屑的流动、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。为了研究金属切削的机理，使切削参数的选取、刀具的设计更加合理，学者们已经做了大量的研究工作,先后建立了许多简化的力学模型，其中比较著名的有Merchant切削模型和Oxley切削模型，对切削机理的研究起到了积极的推动作用。但是切削过程中各个变形区的变化过程、应力分布、应变分布、切削温度的分布等，仅仅通过解析法求解是不能解决的。随着计算机硬件技术和软件技术的快速发展，有限元（FEM）已经成为金属切削过程仿真的有效工具，实践证明，采用有限元来数值模拟解决工程实际问题能够达到所需的精度具有很高的可靠性。而且还可以得到许多从实验中很难得到的重要数据，仿真结果形象，直观，对实践有着很高的指导价值。利用有限元仿真技术研究金属切削加工过程以及各种参数之间的关系成为可能。并且能够方便地分析各种工艺参数对切削过程的影响，为优化切削工艺和提高产品精度与性能提供理论和实用手段。有限元所提供的分析方法，对于实际生产中工艺参数的优化，切削质量的控制，刀具设计提供了依据，同时对于提高金属切削效率并改善加工表面质量，优化加工工艺具有重要意众所周知,金属切削加工的目的是从工件上切除多余的金属,从而使工件在形状、尺寸精度及表面质量上都符合技术要求。切削过程是刀具与工件相互运动、相互作用的过程,在整个过程中切削层在刀具的推挤和摩擦作用下产生了热一弹一塑性形变,最终发生断裂。2纵观切削的整个过程,便知该过程就是金属的热一弹一塑性成形的过程。而有限元法不但可以用来计算塑性加工过程的力能消耗,为选择设备和组织生产提供依据,更重要的是它能计算变形的应力和应变分布,为分析加工过程金属的流动规律提供信息。也就是说应用它能对整个加工过程进行模拟。3所以,凡是涉及到热一弹塑性静力学和动力学的问题,采用有限元的方法都可以获取合理的结果。目前,用有限元法已经成为模拟金属切削过程(金属塑性成形过程)的一个强有力的工具。41.3国内外研究现状及发展趋势金属切削加工过程是一个复杂的切削变形过程，工作条件非常恶劣，传统的研究方法主要基于试验，费时，费力。随着计算机技术的发展，有限元法现已成为金属切削过程模拟的主要工具，与其他传统方法相比，它大大提高了金属切削仿真结果的准确性。目前国际上对金属切削过程有限元模拟方面的研究较为深入，金属切削过程的研究方法已经从最初的简单的剪切平面法发展到更加复杂的有限元方法。而金属切削过程的有限元分析主要是建模，在金属切削过程的建模方法中，有限元法代表着最新的趋势。它利用大变形塑性理论，数值解技术及计算机计算能力的飞速发展，几乎能模拟金属切削过程的各个方面，从而更为细致的揭示切削过程。1.31国外切削过程有限元模拟研究自20世纪70年代起，Okushima5、Kiamichi6和Tay7等人开始应用有限元法进行加工过程模拟研究，有限元切削过程模拟技术已经取得了巨大进展，其中，Kiamichi最早在切削过程建模中引入了有限元技术，系统地分析了金属切削中切削形成的原理，Tay使用有限元方法分析在二维正交切削中第一变形区和第二变形区的温度分布情况。在1980年，Lajczok 8在对切削加工中的一些主要问题的研究中采用有限元方法来分析切削工艺。Usui等人9首次提出刀具几何形状，变形流线、刀面剪切角等来预测一些参数，如应力、应变和温度等。Carroll10,Strenkowski【11,和Tyan12等人首先在稳态金属正交切削仿真中使用了Euler有限元模型。近些年来，有限元切削过程模拟技术已经取得了巨大的进展，Sekhon13、Marusich14等人应用修正的拉格朗日法和网格重画分来模拟切削形成过程中刀尖周围材料塑性流动，避免使用人为的材料分离准则，并且简化了材料分离机制。Shet等人15运用临界应力分离准则和节点分离来模拟初始切削形成状态的切削过程。随着计算机和有限元数值技术不断发展，切削加工有限元模拟在三维模型方面也有很大的进展。Guo等人16建立了三维斜切削加工有限元模型，模拟了硬车削AISI 52100钢的加工过程，合理的预测了切削几何形状，切削温度，切削力和残余应力分布。Soo等人17采用ABAQUS有限元软件模拟了三维球头刀铣削过程，分析了在不同切削速度下,Inconel 718材料的切削力和切削温度分布情况，对其切屑进行了模拟。上述文献在切屑形成过程中是采用损伤失效的切屑分离准则，而Ceretti18和Ozel19等人在切屑形成上使用的动态网格重划分技术。132国内切削过程有限元模拟研究现状在金属切屑加工领域，相比国外来说，有限元仿真技术引入国内较晚，近十年才得到较快的发展。方刚等人20建立了二维SAE4130材料切削有限元模型，采用有限元软件DEFORM-2D模拟了正交切削中的切屑形成过程，切削力，温度和残余应力分布情况。黄志刚等人21基于切削加工的热弹塑性有限元方程和有限元关键技术，采用ABAQUS有限元软件建立了热力耦合模型，对材料40CrNiMoA进行切削仿真，分析了切削力，温度及其表面残余应力分布，并对切削力与实验数据进行比对验证。艾兴等人22基于热弹塑性变形有限元理论，模拟了航空铝合金7050-T7541的切屑形成形态，对切削力，切削热分布进行了预测。李明等人23建立了AISIS4340钢在高速切削下有限元模型，研究了切屑情况及刀具几何参数对切削力的影响。路冬等人24建立了航空铝合金7050-T7541材料的两个切削刃切削力模型，分析了三个方向的切削分力及切屑的形状，并通过实验验证切削力的合理性。从目前国内外切削模拟研究状况可知，有限元模拟研究技术还不够成熟，均未能够准确，全面的反映实际加工过程，依旧有待进一步研究。参考文献: 1 蔡在直.金属切削原理M.上海:同济大学出版社,1994:19一46. 2 杨荣福,董申.金属切削原理!M.北京:机械工业出版社,1988:45一73. 3 王祖唐,关廷栋,肖景容,雷沛,霍文灿.金属塑性成形理论M.北京:机械工业出版社,1989:333一375 4 5.Kobayashi.TheRoleoftheFiniteElementMethodinMetalFormingTechnology,AdvaneedTeehnologyofPlastieisy,1984,Vol.ll 5Okushima K,Kakino Y.The residual stress produced by metal cuttingJ.Annals of the CIRP,1971,20(1)：13-14. 6Klamecki B.E. Incipient chip for mation in metal cutting-a three dimension finite analysis D.Urbana:University of Illinois at Urbana-Chanpalgn,1973,1-10 7Tay A O,Stevenson M G,David G V.Using the finite element method to determine temperature distributions in orthogonal machining J.Proceedings of the Institution of Mechannical Engineers.1974,188:627-638.8Lajczok M.R.A study of some aspects of metal cutting by the finite element method D,NC State University,1980,1-20. 9Usui E,Maekawa K,Shirakashi T.Simulation analysis of the built-up edge formation in maching of low carbon steelJ.Bull Jan Soc Process Eng.1981,15(4):237-242.10Carroll III J.T,Strenkowski J.S.Finite element models of orthogonal cutting with application to single point diamond turning J, International Journal of Mechanical Sciences. 1988,30:899-920.11Strenkowski J.S,Moon K.J,Finite element prediction of chip geometry and tool/workpiece temperature distributions in orthogonal metal cutting J,Int J. Eng.Ind 1990,112:313-318.12Tyan T,Yang W.H.Analysis of orthogonal metal cutting processesJ,Int. J.Numer Meth.Eng.34(1992)365-389.13Sekhon,G.S; Chenot,J.L,(1992)Some simulation experiments in orthogonal cutting.Numerical Methods in Industrial Forming Processes J,Rotterdam ,The Netherlands:A.A.Balkema,901-906.14Marusich,T.D.;Ortiz, M.(1995) Modeling and simul
