切削力学作业—钛合金切削的有限元分析.docx

切削力学大作业大连理工大学Dalian University of Technology切削形成过程的有限元仿真分析前言金属成型过程的计算机模拟一直是机械制造领域比较关注的研究方向一个成功的模拟过程在理论研究上对于分析金属切削的内部机理如切削力、材料应力、材料应变、热场分析以及切削的形状等都有很好的帮助，在实际应用场合中对研究材料的切削性能、刀具的优化设计以及寿命预测也有很好的启示作用本算例以航空航天中常用材料 Ti6Al4V 为例，利用 abusqus 软件建立稳态切削过程的二维有限元模拟，在 3 种切削速度（50m/min-500m/min）和 3 种刀具前角（-10°-10°）共 9 种工况，对 Ti6Al4V 的切削过程进行了有限元模拟的建立以及仿真模拟分析，讨论了切削速度以及刀具前角的变化对切屑形态以及切削力的影响规律，分析结果对切削钛合金时切削参数的优化具有一定的指导意义同时，该方法有效避免了欧拉计算法学要先确定切削性状的困难，以及靠材料失效来完成切削的切削不成形问题，并且在仿真上有较大优势1. 有限元模拟建立过程为了简化模型，只对直角正交切削过程建立二维有限元模拟分析，其结果可被推广用于一般切削过程。

另外，由于 abusqus 没有固定单位制，本文采用表一中的系统统一的基本单位，其余单位有其推导表 1 本文采用的单位制长度 力 质量 时间 温度mm N t(103𝑘𝑔) s ℃1.1 工件和刀具的模型建立考虑到刀具材料和工件材料相比，刀具材料的强度和刚度都远大于工件，故将刀具做刚性处理，建模时选择 2D 解析刚体，刀具前角设为 10°，具体形状如图 1 所示工件尺寸为 1mm×2mm,建模时选择 2D 变形体，具体形状如图2 所图 1 图 21.2 网格划分以及网格工件的创建进入 mesh 模块，为了获得良好的网 格形状，将工件分为上下两个区，如图 3 所示.图 3接下来对工件各边撒种，选择各边，分别设置中子数为 100、50、100、50，并设置靠近刀具处的两条边密度偏离系数为 5，其效果如图 4 图 4在 mesh control 中，选择网络形状为稳定的四边形网络，网络划分技术为便于计算的结构化网络划分技术，如图 5 所示设置单元类型为显示、温度位移耦合、二次计算精度，并将沙漏控制选择为 relax stiffness,如图 6 所示。

图 5 图 6设置完成后，划分网格，并将划好的网格创建成网络工件，如图 7 所示图 71.3 为工件赋予材料查的 Ti6Al4V 材料的基本参数如下表对于切削过程来说，变形程度很大，所以本构模型的选择适用于大变形的johson-cook 模型，其参数如下表创建元素集合以及赋予界面材质，其结果如图所示图 81.4 模型装配将刀具和工件两个零件按图 10 所示进行装配，刀具要非常接近工件，但不能穿透工件，其切削厚度为 0.2mm.图 91.5 定义分析步由于切削过程时间长，变形大，故选择 dynamic,explict 类型的分析方法，并设置时间为 0.0003s,具体见图 10图 101.6 定义接触为使切削过程顺利进行，需设置两个接触，第一个为刀具和工件的接触，由于刀具在切削过程中要切入工件内部，故要和工件内部材料发生接触，所以将接触的主面选择刀具的外轮廓，接触的从面以节点选择可能可能发生接触的工件内部节点，如图所示图 11第二，为使切削能够顺利生长而不是堆积，还需将工件上层外轮廓面定义自接触，如下图所示 图 12定义接触属性：图 13定义接触对.图 141.7 施加边界条件图 15这里，为了瞬时切削加速度过大，为边界条件设置速度平滑曲线，定义的幅度曲线如下图。

图 161.8 提交分析进入 job 模块，创建一个 job，进行数据分析并提交其余 8 种模型的建立与上述方法相同，其切削速度变化分别为1250m/s、2500m/s、5000m/s,其刀具前角变化为 0°、5°、10°因此，一共得到 129 组模型和 9 组分析结果2. 仿真结果与分析有限元模型建立好并提交分析后，在后处理中可查看仿真结果本文针对9 组切削过程的应力场、应变场以及切削力进行了着重分析2.1 应力场分析前述三种切削速度和三种刀具前角共 9 组切削过程仿真结果的应力场分布情况如图所示图 17（切削速度为 1250mm/s 情况下刀具前角分别为 0°、5°、10°的应力场）图 18（切削速度为 2500mm/s 情况下刀具前角分别为 0°、5°、10°的应力场）图 19（切削速度为 5000mm/s 情况下刀具前角分别为 0°、5°、10°的应力场）从 9 组切削过程的应力场分布云图中可以看出，切削速度的大小并不影响应力的分布情况，应力较大的区域发生在第一变形区，而在切削厚度为 0.2mm 时，第一变形区会产生绝热剪切带，导致切削性状为锯齿形，随着刀具前角的增大，切削的锯齿化程度会减小。

2.2 应变场分析前述三种切削速度和三种刀具前角共 9 组切削过程仿真结果的应变场分布情况如图所示图 20（切削速度为 1250mm/s 情况下刀具前角分别为 0°、5°、10°的应变场|）图 21（切削速度为 2500mm/s 情况下刀具前角分别为 0°、5°、10°的应变场）图 22（切削速度为 5000mm/s 情况下刀具前角分别为 0°、5°、10°的应变场）从对数应变的应变场分布情况来看锯齿切削的两段锯齿分界线处应变较大，最大应变发生在第二变形区，是由于切削底部与前刀面面的剧烈摩擦所致，此处还发现应变随着刀具前角的增大有略微见效的趋势2.3 切削力分析前述三种切削速度和三种刀具前角共 9 组切削过程仿真结果的切削力曲线如图所示图 23（切削速度为 1250mm/s 情况下刀具前角分别为 0°、5°、10°的切削力曲线）图 24（切削速度为 2500mm/s 情况下刀具前角分别为 0°、5°、10°的切削力曲线）图 25（切削速度为 5000mm/s 情况下刀具前角分别为 0°、5°、10°的切削力曲线）从 9 组动态切削力曲线中可以看出，随着锯齿状切削的形成，切削力也随之上下波动。

刀具前角越小，切屑锯齿化程度也越严重，动态切削力的波动程度也就越剧烈3. 结论用 abusqus 有限元分析软件的 explict 求解器，以应用领域日益广泛的Ti6Al4V 材料为研究对象，对其切削过程的应力场、应变场以及切削力进行了仿真分析，得出了以下结论：（1） 在钛合金切削过程中，最大应力发生在第一变形区，最大应变发生在第二变形区2） 钛合金切削性状为锯齿状，且随着刀具前角的减小，切削的锯齿化程度增加，切削力的波动也随之增大3） 钛合金切削过程中的平均切削力随着刀具前角的增大而显著降低，而切削速度的变化对切削力的影响并不明显根据上述结论，在 Ti6Al4V 材料的实际加工过程中，可以适当地提高切削速度，选择较大的刀具前角，从而实现提高加工效率的同时，降低切削力和切削力的波动，进而提高钛合金的加工精度和表面质量参考文献[1] 张克国 刘战强 Author. J-C本构参数对绝热剪切影响的敏感性分析[J]. 航空学报. 2011(11): 2140-2146.[2] 杨勇，柯映林，董辉跃. 钛合金切削绝热剪切带形成过程的有限元分析[J]. 浙江大学学报( 工学版). 2008(03): 534-538.[3] 万熠 刘超 Author 艾兴 Author. 高速切削过程中绝热剪切临界条件的研究[J]. 工具技术. 2009(11): 8-10.[4] 李树奎 谭成文 Author 王富耻 Author. 绝热剪切变形局部化研究进展及发展趋势[J]. 兵器材料科学与工程. 2003(05): 62-67.[5] 李红华. 高速切削高温合金有限元模拟及试验研究[D]. 大连理工大学, 2012.[6] 孔虎星，郭拉凤，尹晓霞. 基于ABAQUS 的钛合金切削有限元分析[J]. 机电技术. 2011(04): 22-23.[7] 吴红兵，贾志欣，刘刚，等. 航空钛合金高速切削有限元建模[J]. 浙江大学学报(工学版). 2010(05): 982-987.。