【基于ANSYS/,LS-DYNA的金属切削技术研究】 金属切削技术

　　摘 要：运用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件对WC硬质合金刀具切削45�#钢的过程进行有限元仿真。分析了建立有限元模型时的关键技术，研究了切削的应力变化过程，并对切削速度、切削厚度和刀具前角对切削力的影响进行了分析，可为金属切削技术的研究提供参考。
　　�
　　关键词：金属切削;应力;切削力�
　　中图分类号：TP319 文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2012）003-0090-02��
　　�
　　作者简介：周现柳(1986-),男,湖北阳新人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为机械信息化;
　　华中平(1964-),男,湖北武汉人,湖北工业大学教授，研究方向为机械信息化;
　　李婷(1986-),女,湖北荆州人,湖北工业大学硕士研究生，研究方向为智能控制技术。
　　
　　0 引言�
　　金属切削加工是指利用金属切削刀具从毛坯或半成品上切去多余的材料，从而获得符合预定技术要求的零件或半成品的一种加工技术。计算机技术的发展推动了金属切削加工模拟技术的进步,有限元法应用于加工过程的模拟,具有动态性、高度非线性等特点。仿真结果能够达到所需的精度，可靠性高，还能得出许多在试验中很难测量的数据。本文利用ANSYS/LS-DYAN软件建立金属的正交切削有限元模型，对WC硬质合金刀具切削45�#钢的过程进行分析。�
　　1 有限元模型�
　　1.1 建立几何模型�
　　在ANSYS/LS-DYNA中有Lagrange、Euler和ALE 3种算法，本文采用Lagrange法。采用这种方法时，物体结构形状的变化和单元网格的变化是完全一致的，材料不会在单元与单元之间发生流动。�
　　在ANSYS的前处理器中建立二维模型，刀具的几何参数为：前角 =12°，后角 =15°，工件取长15mm，高7mm的矩形。定义有限单元类型为PLANE162。�
　　1.2 建立材料模型�
　　在金属切削过程中，材料的行为是非线性的，工件模型采用Johnson-Cook模型，刀具可看成线性弹性模型。刀具材料为WC硬质合金，密度为15700kg/m�3，弹性模量为652GP�a，泊松比为0.22；工件材料为45钢，材料参数如表1。�
　　Johnson-Cook模型如下：
　　1.3 网格划分�
　　网格划分是有限元模拟的基础，它关系到有限元计算的速度和精度，以至计算的成败。将工件进行切分，分为上下两部分，上半部分高3mm，为切削区。切削区网格进行细分，得到工件的网格数为6000，刀具网格数为400。工件底部约束X和Y方向的自由度，左侧约束X方向的自由度；刀具顶端约束Y方向的自由度。如图1所示。�
　　
　　图1 网格划分�
　　1.4 接触和加载�
　　 对所有实体创建PART，定义接触条件，采用单面接触方式（ASS2D）。单面接触不需要定义接触面与目标面，在预先不知道接触情况时，单面接触非常有效。由于刀具以恒定的速度水平向左运动，在刀具的顶端施加X方向的位移载荷。考虑温度对切削的影响，设置室温为23℃。�
　　2 求解和结果分析�
　　设置计算时间，控制时间步，并对文件的输出形式进行控制。输出K文件，并对K文件进行修改，用LS-DYNA求解器求解。�
　　2.1 等效应力云图�
　　切削速度为1m/s，厚度为1mm，刀具前角12°，如图2所示。可以看出切削过程分为3个阶段：①塑性变形阶段：刀尖和工件接触并挤压工件，使切削层发生塑性变形；②剪切滑移阶段：切削层受到刀具的挤压进一步加剧，当工件材料单元达到失效准则时，该单元从网格中删除，切削层和工件发生分离，材料沿切削刃向上滑移;③切屑形成阶段：滑移出的材料不断流出，并在刀具的挤压下产生塑性变形形成切屑。�
　　
　　图2 应力云图�
　　图3为切削区域的最大等效应力随时间变化曲线图，从图中可知当刀尖接触工件时等效应力急剧增大，直至达到工件材料的屈服应力，使材料破坏，切屑和工件分离，切削稳定进行，最大等效应力在一定的范围内波动。�
　　2.2 切削速度对切削力的影响�
　　如图4所示，对不同切削速度下的仿真过程进行比较，切削厚度为1mm，刀具前角为12°。从图中可以看出随着切削速度的增大，最大切削力增大；当切削速度达到1.5m/s时，切削力呈下降趋势，切削进入高速切削范围。在低速阶段，随着切削速度的增大，切屑接触面积增加，同时摩擦力增加，因此切削力增大；在高速范围内，由于应变硬化还来不及发生导致切削力减小。�
　　
　　1.3 网格划分�
　　网格划分是有限元模拟的基础，它关系到有限元计算的速度和精度，以至计算的成败。将工件进行切分，分为上下两部分，上半部分高3mm，为切削区。切削区网格进行细分，得到工件的网格数为6000，刀具网格数为400。工件底部约束X和Y方向的自由度，左侧约束X方向的自由度；刀具顶端约束Y方向的自由度。如图1所示。�
　　
　　图1 网格划分�
　　1.4 接触和加载�
　　 对所有实体创建PART，定义接触条件，采用单面接触方式（ASS2D）。单面接触不需要定义接触面与目标面，在预先不知道接触情况时，单面接触非常有效。由于刀具以恒定的速度水平向左运动，在刀具的顶端施加X方向的位移载荷。考虑温度对切削的影响，设置室温为23℃。�
　　2 求解和结果分析�
　　设置计算时间，控制时间步，并对文件的输出形式进行控制。输出K文件，并对K文件进行修改，用LS-DYNA求解器求解。�
　　2.1 等效应力云图�
　　切削速度为1m/s，厚度为1mm，刀具前角12°，如图2所示。可以看出切削过程分为3个阶段：①塑性变形阶段：刀尖和工件接触并挤压工件，使切削层发生塑性变形；②剪切滑移阶段：切削层受到刀具的挤压进一步加剧，当工件材料单元达到失效准则时，该单元从网格中删除，切削层和工件发生分离，材料沿切削刃向上滑移;③切屑形成阶段：滑移出的材料不断流出，并在刀具的挤压下产生塑性变形形成切屑。�
　　
　　图2 应力云图�
　　图3为切削区域的最大等效应力随时间变化曲线图，从图中可知当刀尖接触工件时等效应力急剧增大，直至达到工件材料的屈服应力，使材料破坏，切屑和工件分离，切削稳定进行，最大等效应力在一定的范围内波动。�
　　2.2 切削速度对切削力的影响�
　　如图4所示，对不同切削速度下的仿真过程进行比较，切削厚度为1mm，刀具前角为12°。从图中可以看出随着切削速度的增大，最大切削力增大；当切削速度达到1.5m/s时，切削力呈下降趋势，切削进入高速切削范围。在低速阶段，随着切削速度的增大，切屑接触面积增加，同时摩擦力增加，因此切削力增大；在高速范围内，由于应变硬化还来不及发生导致切削力减小。�
　　 �
　　图3 最大等效应力随时间 图4 最大切削力与切削�
　　 变化关系曲线 速度的关系曲线�
　　
　　2.3 切削厚度对切削力的影响�
　　如图5所示，对不同切削厚度下的切削力进行比较。切削速度为1m/s，刀具前角为12°。很明显可以看出，随着切削厚度的增加，最大切削力增大。这是由于切削厚度的增大，刀屑接触面积增加。�
　　2.4 刀具前角对切削力的影响�
　　从图中6可以看出，随着刀具前角的增大，最大切削力减小。这是由于刀具前角的增大提高了刀刃的锋利程度，减轻了单位切削刃上的负载，剪切前角也随之增大，金属塑性变形减小，因此切削力降低。 �
　　
　　3 结束语�
　　本文对WC硬质合金刀具切削45�#钢的过程进行了研究，建立了二维的切削力有限元模型，并对其中的关键技术进行了探讨。可以直观地看出切削各个阶段的应力和塑性变形，刀具的挤压导致了切屑与工件的分离，切削发生了大应变并有断屑现象。切削速度、切削厚度和刀具前角对切削力有显著影响，其关系曲线可以为确定理想的切削参数提供参考。
　　
　　参考文献：�
　　\[1\] 王丽平,王秀.金属切削加工过程的有限元模拟\[J\].工具技术，2009(43).�
　　\[2\] 宿崇,侯俊铭.基于LS-DYNA的金属切削加工有限元分析\[J\].东北大学学报,2008(9).�
　　\[3\] 丁振明,彭通安.金属切削原理与刀具\[M\].北京:国防工业出版社,1985.�
　　\[4\] 李国和,王敏杰.基于ANSYA/LS-DYAN的金属切削过程有限元模拟\[J\].农业机械学报,2007(12).�
　　（责任编辑：杜能钢）

推荐访问:切削 技术研究 金属 ANSYS