切削力學(xué)作業(yè)—鈦合金切削的有限元分析.docx

切削力學(xué)大作業(yè)大連理工大學(xué)Dalian University of Technology切削形成過(guò)程的有限元仿真分析前言金屬成型過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬一直是機(jī)械制造領(lǐng)域比較關(guān)注的研究方向。一個(gè)成功的模擬過(guò)程在理論研究上對(duì)于分析金屬切削的內(nèi)部機(jī)理如切削力、材料應(yīng)力、材料應(yīng)變、熱場(chǎng)分析以及切削的形狀等都有很好的幫助，在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合中對(duì)研究材料的切削性能、刀具的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及壽命預(yù)測(cè)也有很好的啟示作用。本算例以航空航天中常用材料Ti6Al4V為例，利用abusqus軟件建立穩(wěn)態(tài)切削過(guò)程的二維有限元模擬，在3種切削速度（50m/min-500m/min）和3種刀具前角（-10-10）共9種工況，對(duì)Ti6Al4V的切削過(guò)程進(jìn)行了有限元模擬的建立以及仿真模擬分析，討論了切削速度以及刀具前角的變化對(duì)切屑形態(tài)以及切削力的影響規(guī)律，分析結(jié)果對(duì)切削鈦合金時(shí)切削參數(shù)的優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)意義。同時(shí)，該方法有效避免了歐拉計(jì)算法學(xué)要先確定切削性狀的困難，以及靠材料失效來(lái)完成切削的切削不成形問(wèn)題，并且在仿真上有較大優(yōu)勢(shì)。1. 有限元模擬建立過(guò)程為了簡(jiǎn)化模型，只對(duì)直角正交切削過(guò)程建立二維有限元模擬分析，其結(jié)果可被推廣用于一般切削過(guò)程。另外，由于abusqus沒(méi)有固定單位制，本文采用表一中的系統(tǒng)統(tǒng)一的基本單位，其余單位有其推導(dǎo)。表1本文采用的單位制長(zhǎng)度力質(zhì)量時(shí)間溫度mmNt(103kg)s1.1工件和刀具的模型建立 考慮到刀具材料和工件材料相比，刀具材料的強(qiáng)度和剛度都遠(yuǎn)大于工件，故將刀具做剛性處理，建模時(shí)選擇2D解析剛體，刀具前角設(shè)為10，具體形狀如圖1所示。工件尺寸為1mm2mm,建模時(shí)選擇2D變形體，具體形狀如圖2所。圖1 圖21.2網(wǎng)格劃分以及網(wǎng)格工件的創(chuàng)建 進(jìn)入mesh模塊，為了獲得良好的網(wǎng) 格形狀，將工件分為上下兩個(gè)區(qū)，如圖3所示. 圖3接下來(lái)對(duì)工件各邊撒種，選擇各邊，分別設(shè)置中子數(shù)為100、50、100、50，并設(shè)置靠近刀具處的兩條邊密度偏離系數(shù)為5，其效果如圖4。 圖4在mesh control中，選擇網(wǎng)絡(luò)形狀為穩(wěn)定的四邊形網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)劃分技術(shù)為便于計(jì)算的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)劃分技術(shù)，如圖5所示。設(shè)置單元類型為顯示、溫度位移耦合、二次計(jì)算精度，并將沙漏控制選擇為relax stiffness,如圖6所示。 圖5 圖6設(shè)置完成后，劃分網(wǎng)格，并將劃好的網(wǎng)格創(chuàng)建成網(wǎng)絡(luò)工件，如圖7所示。 圖71.3 為工件賦予材料查的Ti6Al4V材料的基本參數(shù)如下表。對(duì)于切削過(guò)程來(lái)說(shuō)，變形程度很大，所以本構(gòu)模型的選擇適用于大變形的johson-cook模型，其參數(shù)如下表創(chuàng)建元素集合以及賦予界面材質(zhì)，其結(jié)果如圖所示。 圖81.4模型裝配將刀具和工件兩個(gè)零件按圖10所示進(jìn)行裝配，刀具要非常接近工件，但不能穿透工件，其切削厚度為0.2mm. 圖91.5定義分析步由于切削過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)，變形大，故選擇dynamic,explict類型的分析方法，并設(shè)置時(shí)間為0.0003s,具體見(jiàn)圖10。 圖101.6定義接觸為使切削過(guò)程順利進(jìn)行，需設(shè)置兩個(gè)接觸，第一個(gè)為刀具和工件的接觸，由于刀具在切削過(guò)程中要切入工件內(nèi)部，故要和工件內(nèi)部材料發(fā)生接觸，所以將接觸的主面選擇刀具的外輪廓，接觸的從面以節(jié)點(diǎn)選擇可能可能發(fā)生接觸的工件內(nèi)部節(jié)點(diǎn)，如圖所示 圖11第二，為使切削能夠順利生長(zhǎng)而不是堆積，還需將工件上層外輪廓面定義自接觸，如下圖所示。 圖12定義接觸屬性： 圖13定義接觸對(duì). 圖141.7施加邊界條件 圖15這里，為了瞬時(shí)切削加速度過(guò)大，為邊界條件設(shè)置速度平滑曲線，定義的幅度曲線如下圖。 圖161.8提交分析進(jìn)入job模塊，創(chuàng)建一個(gè)job，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并提交。其余8種模型的建立與上述方法相同，其切削速度變化分別為1250m/s、2500m/s、5000m/s,其刀具前角變化為0、5、10。因此，一共得到129組模型和9組分析結(jié)果。2. 仿真結(jié)果與分析有限元模型建立好并提交分析后，在后處理中可查看仿真結(jié)果。本文針對(duì)9組切削過(guò)程的應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)以及切削力進(jìn)行了著重分析。2.1應(yīng)力場(chǎng)分析前述三種切削速度和三種刀具前角共9組切削過(guò)程仿真結(jié)果的應(yīng)力場(chǎng)分布情況如圖所示。圖17（切削速度為1250mm/s情況下刀具前角分別為0、5、10的應(yīng)力場(chǎng)）圖18（切削速度為2500mm/s情況下刀具前角分別為0、5、10的應(yīng)力場(chǎng)）圖19（切削速度為5000mm/s情況下刀具前角分別為0、5、10的應(yīng)力場(chǎng)） 從9組切削過(guò)程的應(yīng)力場(chǎng)分布云圖中可以看出，切削速度的大小并不影響應(yīng)力的分布情況，應(yīng)力較大的區(qū)域發(fā)生在第一變形區(qū)，而在切削厚度為0.2mm時(shí)，第一變形區(qū)會(huì)產(chǎn)生絕熱剪切帶，導(dǎo)致切削性狀為鋸齒形，隨著刀具前角的增大，切削的鋸齒化程度會(huì)減小。2.2應(yīng)變場(chǎng)分析 前述三種切削速度和三種刀具前角共9組切削過(guò)程仿真結(jié)果的應(yīng)變場(chǎng)分布情況如圖所示。圖20（切削速度為1250mm/s情況下刀具前角分別為0、5、10的應(yīng)變場(chǎng)|）圖21（切削速度為2500mm/s情況下刀具前角分別為0、5、10的應(yīng)變場(chǎng)）圖22（切削速度為5000mm/s情況下刀具前角分別為0、5、10的應(yīng)變場(chǎng)）從對(duì)數(shù)應(yīng)變的應(yīng)變場(chǎng)分布情況來(lái)看。鋸齒切削的兩段鋸齒分界線處應(yīng)變較大，最大應(yīng)變發(fā)生在第二變形區(qū)，是由于切削底部與前刀面面的劇烈摩擦所致，此處還發(fā)現(xiàn)應(yīng)變隨著刀具前角的增大有略微見(jiàn)效的趨勢(shì)。2.3切削力分析前述三種切削速度和三種刀具前角共9組切削過(guò)程仿真結(jié)果的切削力曲線如圖所示。圖23（切削速度為1250mm/s情況下刀具前角分別為0、5、10的切削力曲線）圖24（切削速度為2500mm/s情況下刀具前角分別為0、5、10的切削力曲線）圖25（切削速度為5000mm/s情況下刀具前角分別為0、5、10的切削力曲線）從9組動(dòng)態(tài)切削力曲線中可以看出，隨著鋸齒狀切削的形成，切削力也隨之上下波動(dòng)。刀具前角越小，切屑鋸齒化程度也越嚴(yán)重，動(dòng)態(tài)切削力的波動(dòng)程度也就越劇烈。3. 結(jié)論用abusqus有限元分析軟件的explict求解器，以應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛的Ti6Al4V材料為研究對(duì)象，對(duì)其切削過(guò)程的應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)以及切削力進(jìn)行了仿真分析，得出了以下結(jié)論：（1） 在鈦合金切削過(guò)程中，最大應(yīng)力發(fā)生在第一變形區(qū)，最大應(yīng)變發(fā)生在第二變形區(qū)。（2） 鈦合金切削性狀為鋸齒狀，且隨著刀具前角的減小，切削的鋸齒化程度增加，切削力的波動(dòng)也隨之增大。（3） 鈦合金切削過(guò)程中的平均切削力隨著刀具前角的增大而顯著降低，而切削速度的變化對(duì)切削力的影響并不明顯。根據(jù)上述結(jié)論，在Ti6Al4V材料的實(shí)際加工過(guò)程中，可以適當(dāng)?shù)靥岣咔邢魉俣龋x擇較大的刀具前角，從而實(shí)現(xiàn)提高加工效率的同時(shí)，降低切削力和切削力的波動(dòng)，進(jìn)而提高鈦合金的加工精度和表面質(zhì)量。參考文獻(xiàn)1 張克國(guó) 劉戰(zhàn)強(qiáng) Author. J-C本構(gòu)參數(shù)對(duì)絕熱剪切影響的敏感性分析J. 航空學(xué)報(bào). 2011(11): 2140-2146.2 楊勇，柯映林，董輝躍. 鈦合金切削絕熱剪切帶形成過(guò)程的有限元分析J. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版). 2008(03): 534-538.3 萬(wàn)熠 劉超 Author 艾興 Author. 高速切削過(guò)程中絕熱剪切臨界條件的研究J. 工具技術(shù). 2009(11): 8-10.4 李樹奎 譚成文 Author 王富恥 Author. 絕熱剪切變形局部化研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)J. 兵器材料科學(xué)與工程. 2003(05): 62-67.5 李紅