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有限元仿真在金属切削中的应用

有限元仿真在金属切削中的应用

[来源:未知]    [作者admin]    [日期:2015-09-30 16:35]    [热度:]

  金属切削是一个复杂的物理过程,涉及到诸多学科领域,如弹塑性力学、摩擦学、热力学、材料学以及动力学等,进入二十世纪,大量研宄学者对金属切削进行多角度多方位的深入研究。近年来,得益于计算机和数值计算科学的快速发展,研宄人员借助计算机,基于有限元数值模拟方法对金属切削过程进行大量的研宄,取得了一系列成果。金属锯切属于金属切削的范畴,同样可以运用有限元法进行研宄。

  金属材料在切削过程中发生大位移、大形变,产生了较大的塑性变形。从金属材料塑性成形的角度来说,有限元法可分为两类:一类是固体型塑性有限元法,包括小变形和大变形弹塑性有限元法。弹塑性有限元法考虑了弹塑性变形和塑性变形,塑性区釆用方程和屈服准则,弹性区采用定律。采用弹塑性有限元法分析金属塑性成形过程,能按照变形路径得到塑性区的变化规律,变形体的应力、应变分布规律以及几何形状的变化规律,还能处理卸载问题,计算残余应力和残佘应变,能进行回弹计算及缺陷预测分析。

  另一类是流动型塑性有限元法,包括刚塑性有限元法和刚粘塑性有限元法。这类有限元法不计弹性变形,采用方程为本构方程,满足体积不变条件,釆用率方程进行描述,变形后物体的形状通过在离散空间上对速度的积分而获得,从而避开了有限元变形中的几何非线性问题。但是由于忽略了弹性变形,这类有限元法不能处理卸载问题和计算残余应力、残余应变以及回弹问题。目前各国学者对金属切削过程有限元仿真进行了大量的深入研究。事实证明采用有限元软件模拟切削过程能获得很多从现实试验中难以得到的重要数据,可以节省大量人力、物力,且简化了研宄过程。有限元仿真结果非常形象直观,可以进一步深入研宄金属的高速切削机理,还可深入地了解金属微量切削过程中影响加工性能的各种因素的变化规律。

  有限元模拟技术在金属切削中的应用主要是用计算机模拟出其切削过程,并分析切削加工过程中的各种物理现象?梢郧宄昃〉胤治銮行夹纬晒讨械挠α、应变、温度、应变速率等物理量的变化规律。从世纪年代开始,有限元仿真方法被应用于切削工艺的研宄中。年美国大学的幻丨最先研究金属切削加工过程中切屑的形成原理。

  美国北卡罗莱那大学的运用有限元法研究了切削加工中的相关核心问题,对金属切削工艺进行了初步分析。硕士学位论文第一章绪论年等将工件假定为刚塑性材料模型,运用刚塑性有限元法,分析了低应变速率、低切削速度下的稳态正交切削过程?墒怯捎诿挥锌悸堑降员湫,没有能够计算出材料的残余应力。

  与将工件材料假设为弹塑性模型,在切削模拟中用材料的等效塑性应变来作为切屑的分离准则,在工件与切屑之间运用绝热的模型。发现材料的等效塑性应变值的选择会对工件表面的应力分布产生影响。年和在忽略材料弹性变形的前提下,用有限元法研宄金属的正交切削过程,预测了刀具、工件的温度分布规律,并模拟出了金属切屑的形状。

  第一次把低碳钢的流变应力假设为应变、应变速率与温度的函数,在刀具与工件的接触面釆用库企摩擦模型,运用摩擦系数、摩擦应力和正应力之间的关系模拟了切削工艺过程,并模拟了连续切削中产生的积屑瘤。

  近年来,世界各国特别是发达国家,对金属切削有限元模拟研宄得更加深入。日本的和等在忽略了应变速率和温度的影响下,采用弹塑性有限元法,模拟了低速连续切削时加工表面的残余应力与应变。意大利大学机械工程系的丨与美国俄亥俄州立大学的净成形制造工程研究中心的教授相互合作,在切削有限元模拟领域进行了大量的研宄。

  美国大学的与和澳大利亚悉尼大学的合作研宄正交切削的有限元模拟,并对材料的切屑分离准则进行深入研究,分别对不同的材料分离准则进行考察研宄。台湾科大的等对合金的超精密正交切削过程进行研究,考虑切削过程中热力耦合效应,建立热弹塑性有限元切削模型,对切削速度和切削深度对材料残余应力的影响规律进行分析。

  国内在金属切削领域的研究起步较晚,早期相关研宄主要是通过试验和解析计算方法来实现。近几年来,国内切削研宄领域开始采用通用有限元软件进行切削模拟研宄。华南理工大学邓文君等用实现了高强度耐磨招青铜材料的正交切割有限元分析,并介绍了通过有限元网格重新划分来自动实现切屑一基体分离的处理技术。清华大学的曾攀等运用软件建立切削模型,仿真得到了切屑成形过程、切削力变化、温度场分布及加工残余应力等分析结果。

  浙江大学的黄丹等采用非线性弹塑性模型,对金属正交切削过程进行有限元模拟分析,得到刀具前角与剪切角的关系,并得到不同刀具前角对切屑形状、应力分布、应变分布、残余变形及残余应力的影响规律。浙江大学的柯映林等对金属切削过程中的切屑分离标准、自适应网格技术以及边界接触条件等有限元仿真关键技术进行研宄,并将这些技术成功地应用在航空招合金的切削加工模拟上。

  总体来说,国内外关于金属切削方面的研究已取得了很大进展,从以前的单因素试验、静态观测、宏观研宄进入到现今的多因素试验、动态观测、微观研宄,研宄深度一步步增加。另外,在研宄方法上己从单一的实验研究过渡到计算机进行数值模拟上,这将对金属切削的研究产生巨大的推动作用。

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