1、1毕业论文开题报告机械设计制造及其自动化硬质合金刃口钝化刀具的切削性能分析一、选题的背景与意义在切削加工中，提高切削效率、刀具寿命和降低生产制造成本，一直是金属切削研制的主要课题。近年来，工业产品设计中采用了很多强度高、热硬性好和重量轻的新型材料如高温合金、钛合金及复合材料等。这些新型材料的共同加工特点是切削效率低，刀具寿命短。为了研发出更好、更有效具有高硬度性、高强度、高耐热性特性的刀具，近20年来国内外对刀具结构、材料和提高刀具各项性能指标上，做了大量工作，并取得了很多科研成果。但有些成果在工厂的实际应用效果不甚理想。为此有必要在原有基础上研发、创新更具有先进性的刀具，同时研发、推广能使加
2、工效率提高、刀具寿命延长的金属切削配套技术，这需要对刀具的切削性能进行深入研究。通过对硬质合金钝化刀具和国内外商用有限元软件的考察，本课题的目的是建立钝化刀具切削力的有限元分析模型，研究硬质合金刃口钝化刀具切削力、切削热的变化规律。其中，如何更精确地建立钝化刀具切削力和切削热的有限元分析的模型，是本课题需要解决的重点问题之一。二、研究的基本内容与拟解决的主要问题21研究的基本内容（1）切削过程的有限元建模；（2）分析硬质合金刃口钝化刀具切削力的变化规律，切削热的变化规律（3）完成切削力、切削热的对比和分析，文献综述、外文翻译、设计说明书等工作。22拟解决的主要问题（1）有限元分析建立模型的方法
3、；（2）DEFORM2D软件在有限元分析中的优势和不足；2（3）在建模时充分考虑如何尽量减小因软件本身的不足造成的分析和计算误差。三、研究的方法与技术路线31研究方法在本课题中使用DEFORM作为有限元分析软件进行切削力、切削热的建模、分析、计算。通过收集和查阅各种文献和资料，学习有限元分析的原理、方法和应用，了解DEFORM软件在有限元分析方面的长处和不足，确定在建模过程中需要注意的各种问题，由此设计出较完善的有限元建模和计算方案。32技术路线文献检索和阅读掌握有限元建模方法设计有限元建模和计算方案使用DEFORM有限元软件计算、分析撰写、修改毕业论文答辩。四、研究的总体安排与进度文献综述（
4、3周）；开题报告（2周）；文献翻译，确定有限元建模和计算方案（3周）；进行有限元计算与分析，撰写毕业论文（3周）；修改毕业论文，定稿，答辩（2周）。主要参考文献1顾祖慰,张奇刀具钝化技术应用前景的展望J工具技术,2009,43878802卢锦德,张云龙刃口钝化规律的研究J现代机械,1996,31011,153陈德洪,胡荣生,殷国茂等硬质合金刀片刃部强化工艺的研究与应用J硬质合金,1999,11,VOL1642382314杨振祥硬质合金可转位刀片钝化方法及刃口圆弧半径的测量J工具技术,1990,1024265NFANG,GFANGTHEORETICALANDEXPERIMENTALINVESTI
5、GATIONSOFFINISHMACHININGWITHAROUNDEDEDGETOOLJJOURNALOFMATERIALSPROCESSINGTECHNOLOGY,2007,19133133436YUNGCHANGYEN,ANURAGJAIN,TAYLANALTANANITEELEMENTANALYSISOFORTHOGONALMACHININGUSINGDIFFERENTTOOLEDGEGEOMETRIESJJOURNALOFMATERIALSPROCESSINGTECHNOLOGY2004,14672814毕业论文文献综述机械设计制造及其自动化硬质合金刃口钝化刀具的切削性能分析1硬质合
6、金刃口钝化刀具的切削性能分析的背景在切削加工中，提高切削效率、刀具寿命和降低生产制造成本，一直是金属切削研制的主要课题1。近年来，工业产品设计中采用了很多强度高、热硬性好和重量轻的新型材料如高温合金、钛合金及复合材料等。这些新型材料的共同加工特点是切削效率低，刀具寿命短2。为了研发出更好、更有效具有高硬度性、高强度、高耐热性特性的刀具，近20年来国内外对刀具结构、材料和提高刀具各项性能指标上，做了大量工作，并取得了很多科研成果3。但有些成果在工厂的实际应用效果不甚理想4。为此有必要在原有基础上研发、创新更具有先进性的刀具，同时研发、推广能使加工效率提高、刀具寿命延长的金属切削配套技术，这需要对
7、刀具的切削性能进行深入研究5。通过对硬质合金钝化刀具和国内外商用有限元软件的考察，本课题的目的是建立钝化刀具切削力的有限元分析模型，研究硬质合金刃口钝化刀具切削力、切削热的变化规律6。其中，如何更精确地建立钝化刀具切削力和切削热的有限元分析的模型，是本课题需要解决的重点问题之一。2对切削刀具进行有限元分析的研究现状21有限元分析软件的种类（1）LSDYNA系列LSDYNA是一个通用显式非线性动力分析有限元程序，可以求解各种三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等接触非线性、冲击载荷非线性和材料非线性问题。（2）DYTRAN软件该程序在是在LSDYNA3D的框架下，在程序中增加荷兰PISCES
8、INTERNATIONAL公司开发的PICSES的高级流体动力学和流体结构相互作用功5能，还在PISCES的欧拉模式算法基础上，开发了物质流动算法和流固耦合算法。在同类软件中，其高度非线性、流固耦合方面有独特之处。（3）ABAQUS软件ABAQUS是一套先进的通用有限元系统，也是功能最强的有限元软件之一，可以分析复杂的固体力学和结构力学系统。ABAQUS有两个主要分析模块ABAQUS/STANDARD提供了通用的分析能力，如应力和变形、热交换、质量传递等ABAQUS/EXPLICIT应用对时间进行显示积分求解，为处理复杂接触问题提供了有力的工具，适合于分析短暂、瞬时的动态事件7。22国内外硬质
9、合金性能的研究情况（1）国内的研究现状刘小辉等通过实验验证了镓掺杂铁酸铋对结构和性能产生的影响，实验的主要侧重在观测铁酸铋材料的电阻率、铁电性能和铁磁性能，发现镓的引入可以大大降低固溶体导电率，使得材料能充分极化；随着镓含量的增多，剩余磁化强度逐渐增大，磁矫顽力降低，剩余极化强度先增大后降低8。郭铁鹏等的研究显示,GD掺杂各组分样品的介电常数R都比未掺杂时显著提高9。王珺钏等介绍了铁酸铋掺杂钕元素后其铁电性能改变最为明显。杨一鸣等人在他们的研究报告中指出，所有陶瓷样品具有稳定的单一钙钛矿结构,随着镧掺杂量的增加,陶瓷晶粒逐渐减小,居里温度逐渐降低,陶瓷样品的矫顽场逐渐降低,介电损耗逐渐变小11
10、。（2）国外的研究现状NEATONJB在他的研究中提出,铁酸铋所具有的可极化性具有很好的潜在利用价值12。REYESA的结论是在一定条件下，铁酸铋只有在横向上具有对称性，其构成的多晶体陶瓷不能显示出线性磁电耦合13。CHENGJINRONG通过实验证明掺入镓的铁酸铋提高了电阻率,减少了节电损耗,并增加了介电常数14。3硬质合金钝化刀具的发展趋势通过文献阅读和对国内外研究现状的分析和综合，我认为硬质合金钝化刀具切削性能的发展趋势如下1、随着科技的发展，人们对硬质合金钝化刀具的切削性能有了越来越高的要求，向刀具材料中添加不同的元素成为提高刀具切削性能的主要手段。2、测定添加不同元素后刀具的切削性能
11、需要进行一系列实验和分析，精确6地采集数据是课题中需多加注意的方面。3、通过计算机应用软件进行分析，使刀具的切削性能检测简洁化，系统化是未来发展的方向之一。参考文献1肖亚航,雷改丽,傅敏士,材料成型计算机模拟的研究与展望,材料导报,2005,61913162陈德洪,胡荣生,殷国茂等,硬质合金刀片刃部强化工艺的研究与应用,硬质合金,1999,11,VOL16,NO42282313卢锦德,张云龙,刃口钝化规律的研究,现代机械,1996,31011,154吴志刚,硬质合金可转位刀片刃口振动钝化的研究,机械设计与制造,1996,446495洪慎章,曾振鹏,国内外铝合金液态模锻的发展与展望,机械制造,1
12、999,312136任庚,事半功倍的新工艺刀具钝化,金属加工冷加工,2009,8557陈海燕,常用有限元分析软件对比与研究,知识经济,2009,81141168刘小辉,徐卓,屈绍波等,镓掺杂对07BIFEO303BATIO3固溶体的结构和性能的影响,科学通报,2007,5217201020149郭铁朋,秦萍,GD掺杂BIFEO3铁磁电陶瓷的介电性能,常熟理工学院学报自然科学版,2007,218263010王珺钏,错误未指定书签。王伟,毛翔宇,陈小兵,ND掺杂BIFEO3多铁陶瓷的磁电性能,扬州大学学报自然科学版,2008,02232711杨一鸣,屈绍波,裴志斌,刘小辉,徐卓,镧掺杂对07BIF
13、EO303BATIO3微观结构和性能的影响,空军工程大学学报自然科学版,2007,85818312NEATONJB,EDERERC,WAGHMAREUV,ETAL,FIRSTPRINCIPLESSTUDYOFSPONTANEOUSPOLARIZATIONINMULTIFERROICBIFEO3,PHYSREVB,2005,7101411313REYESA,DELAVEGAC,FUENTESME,ETAL,BIFEO3SYNCHROTRONRADIATIONSTRUCTUREREFINEMENTANDMAGNETOELECTRICGEOMETRY,JEURCERAMSOC2007,2713153
14、709371114CHENGJINRONG,LINAN,CROSS,LERIC,STRUCTURALANDDIELECTRICPROPERTIESOFGAMODIFIEDBIFEO3PBTIO3CRYSTALLINESOLUTIONS,JAPPLPHYS,2003,948515351577本科毕业论文（20届）硬质合金刃口钝化刀具的切削性能分析8摘要摘要随着科学技术的发展，有限元分析方法在金属切削加工模拟中的应用越来越广泛，在研究切削工艺参数及切屑成形机理方面的作用日益凸显，已成为金属切削过程仿真的有效工具。硬态切削和精密加工技术的发展使人们开始逐渐关注切削刃几何形状和刃口强化对切削过程和刀具
15、性能的研究。本文应用有限元分析了刀具的直角切削过程，表明切削刃的几何形状直接影响切削变形、刀具表面应力和温度分布，从而影响刀具寿命。本文利用商业软件DEFORM2D建立起了二维弹塑性金属切削有限元模型，分析不同的刀具圆角半径在切削过程对切削力及切削温度的影响，得出刀具切削过程中在不同的刀具圆角半径时，主切削力、刀具与工件的温度分布情况，研究结果有助于深入了解加工过程，对合理选择刀具几何形状和加工工艺参数有一定的指导意义。关键词钝化；圆角半径；有限元；切削力；切削温度。9ABSTRACTWITHTHEDEVELOPMENTOFSCIENCEANDTECHNOLOGY，FINITEELEMENTA
16、NALYSISINMETALCUTTINGSIMULATIONISWIDELYAPPLIEDINTHESTUDYOFCUTTINGPROCESSPARAMETERSANDTHEMECHANISMOFCHIPFORMATIONFEMHASBECOMEANEFFECTIVEMETALCUTTINGSIMULATIONTOOLWITHTHEDEVELOPMENTOFHARDCUTTINGANDPRECISIONMACHININGTECHNOLOGY，PEOPLEPAYMOREATTENTIONONCUTTINGEDGEGEOMETRYANDTOOLPERFORMANCEINTHISPAPER，TOO
17、LCUTTINGPROCESSISANALYZEDWITHFINITEELEMENTANALYSIS，CUTTINGEDGEGEOMETRYTHATDIRECTLYAFFECTTHECUTTINGDEFORMATION，STRESSANDTEMPERATUREDISTRIBUTIONINTHETOOLSURFACE，THUSAFFECTINGTHETOOLLIFEINTHISPAPER，COMMERCIALSOFTWAREDEFORM2DISUSEDTOESTABLISHATWODEMENSIONALELASTICPLASTICFINITEELEMENTMODELOFMETALCUTTING，
18、SOASTOANALYSHOWTHEDIFFERENTRADIUSOFKNIVESINFLUENCETHECUTTINGFORCEANDCUTTINGTEMPERATUREINTHECUTTINGPROCESSATLAST，THEMAINCUTTINGFORCEANDTHETEMPERATUREDISTRIBUTIONOFTOOLSANDWORKPIECEISOBTAINEDATDIFFERENTFILLETKNIVESDURINGTHECUTTINGPROCESSTHEFINALRESULTISBENIFITTOUNDERSTANDDEEPENLYTHECOURSEOFPROCESSANDI
19、SSIGNIFICANTINTHECHOICEOFPROCESSINGPARAMETERSANDPROCESSINGTECHNOLOGYKEYWORDSPREPARATIONEDGE；EDGERADIUS；FINITEELEMENTANALYSIS；CUTTINGFORCE；CUTTINGTEMPERATURE10目录摘要8目录101绪论1211简介1212切削过程数值模拟技术的发展状况1213研究内容介绍132切削过程有限元模拟的相关原理和方法1321DEFROM2D软件简介1422硬质合金简介1523切削理论15231切削变形区15232工件材料模型16233前刀面上的摩擦17234切削热
20、17235刀具磨损183切削加工的有限元模拟过程1931参数设置2032预处理菜单设置2033工件模型设置2134刀具模型设置2335工件与刀具的定位2536工件与刀具的接触设置2537切削模拟结果与分析25371应变特征25372切削温度27373切削力294总结与展望3341结论331142展望33参考文献35致谢错误未定义书签。121绪论11简介刀具刃口钝化技术是提高刀具寿命减少刀具消耗的有效措施，在经济和技术方面都非常可行、有效，能进一步推动我国切削加工水平的提高。切削力和切削温度是影响加工表面质量的两个重要参数。切削力能产生切削热，引起刀具磨损和工艺系统的变形，直接影响加工精度和表面
21、质量1。切削温度能直接影响刀具的磨损程度和寿命。因此，研究切削力和切削温度的变化规律对提高金属加工表面质量、改进金属加工工艺具有重要意义。近几十年来国内外对刀具结构、材料和提高刀具各项性能指标上做了大量工作，在数值模拟未出现以前，切削操作人员和刀具制造商利用的是传统的试错法来获取一些经验值，由于实验设备、时间、材料和人力的限制，当时的切削技术的进步比较缓慢。随着计算机技术的飞速发展，数值模拟方法在生产指导方面的应用得到开发和发展。有限元方法在切削工艺过程中的应用表明，切削工艺和切屑形成的有限元模拟对了解切削机理和提高切削质量很有帮助1。这种数值模拟方法适合于分析弹塑性大的变形问题，包括分析与温
22、度相关的材料性能参数和很大的应变速率问题。它还可以预测切削力变化规律以及切削后的温度分布，优化切削参数，从而实现对切削过程的控制。12切削过程数值模拟技术的发展状况有限元分析法最早在上世纪70年代被应用于切削工艺的模拟，与当时的传统方法相比，它大大提高了分析的效率和精度。1973年ILLINOIS大学的BEKLAMECKI最先系统地研究了金属切削加工中切屑的形成原理2，1980年NORTHCAROLINA州立大学的MRLAJCZOK应用有限元方法初步分析了切削工艺3。1982年，USUI和SHIRAKASHI为了建立稳态的正交切削模型，第一次提出刀面角、切屑几何形状和流线等，预测了应力应变和温
23、度这些参数4。STREBJIWSJUM和CARROLL将工件材料假定为弹塑性，在工件和切屑之间采用绝热模型，模拟了从切削开始到切屑稳定成形的过程5。KOMVOPOULOS和ERPENBECK用库仑摩擦定律通过正交切削解析方法得到了刀具与切屑之间的法向力和摩擦力。用弹塑性有限元模型研究了钢质材料正交切削中刀具侧面磨损、积屑瘤及工件中的残余应力等4。FURUKAWA和13MORONUKI用实验方法研究了铝合金超精密切削中工件表面的光洁度对加工质量的影响并得出这样的结论当切削深度在106M左右时，最小切削力的范围在101N左右。NAOYOIKAWA用精密切削机床在实验中测量了红铜材料切屑形成和切削深
24、度之间的相互影响，实验中采用的切削深度在109M左右6。TOSHIMICHIMORIWAKI等用刚塑性有限元模型模拟了上面的实验，模拟了切削深度在毫米到纳米范围内的红铜材料正交切削过程中的温度分布。1近些年来，国际上对金属切削工艺的有限元模拟更加深入。日本的SASAHARA和OBIKAWA等人利用弹塑性有限元方法，在忽略了温度和应变速率的效果的情况下，模拟了低速连续切削时被加工表面的残余应力和应变7。美国OHIO州立大学净成形制造NETSHAPEMANUFACTURING工程研究中心的TALTAN教授，在金属塑性成形数值模拟方面做出了许多令人瞩目的成就，在国际上金属塑性加工界享有很高学术声誉。
25、他曾与意大利BRESCIA大学机械工程系的ECERETTI合作，对切削工艺进行了大量的有限元模拟研究8。13研究内容介绍本研究通过对不同刀具圆角半径的硬质合金刀具切削进行数值模拟，分析结果，得出切削过程中切削力、切削温度的分布随圆角半径的变化情况。所用的工件材料为45号钢，刀具材料为YT15，建立二维有限元模型。2切削过程有限元模拟的相关原理和方法1421DEFROM2D软件简介DEFORM模拟软件是SFTCSCIENTIFICFORMINGTECHNOLOGIESCORPORATION公司的商业化产品。DEFORM是一套基于有限元的工艺模拟系统，用于分析金属成形及相关工业的各种成形工艺和热处
26、理工艺。通过在计算机上模拟整个加工过程，帮助工程师和设计人员设计工具和产品工艺流程，减少昂贵的现场试验成本；提高工模具设计效率，降低生产和材料成本，缩短新产品的研究开发周期2。DEFORM是一个高度模块化，集成化的有限元模拟系统，它主要包括前处理器，模拟器，后处理器三大模块。前处理器处理模具和坯料的材料信息及几何信息的输入，成形条件的输入，建立边界条件，它还包括有限元网格自动生成器；模拟器是集弹性，弹塑性，刚（粘）塑性，热传导于一体的有限元求解器；后处理器是将模拟结果可视化，支持OPGL图形模式，生成复杂的动画和重放功能，允许用户实时图示材料流动和场变量的变化，并输出用户所需的模拟数据。DEF
27、ORM所具有的功能如下3（1）成形分析1）冷、温、热锻的成形和热传导偶合分析，提供材料流动，模具充填，成形载荷，模具应力，纤维流向，缺陷形成和韧性破裂等信息；2）丰富的材料数据库，包括各种钢、铝合金、钛合金等，用户还可自行输入材料数据；3）刚性，弹性和热粘塑性材料模型，特别适用于大变形成形分析，弹塑性材料模型适用于分析残余应力和回弹问题，烧结体材料模型适用于分析粉末冶金成形；完整的成形设备模型可以分析液压成形，锤上成形，螺旋压力成形和机械压力成形；温度、应力、应变、损伤及其他场变量等值线的绘制使后处理简单明了。（2）热处理1）模拟正火、退火、淬火、回火、渗碳等工艺过程；2）预测硬度、晶粒组织成
28、分、扭曲和含碳量；3）可以输入顶端淬火数据来预测最终产品的硬度分布；4）可以分析各种材料晶相，每种晶相都有自己的弹性、塑性、热和硬度属性。混合材料的特性取决于热处理模拟中每步各种金属的百分比。本模拟采用DEFORM2D软件，DEFORM2D可以在普通工作站和PC机上，对轴对称和平面零件的应力变形模拟。DEFORM2D允许用户通过选择平面应力单元或轴对称单元生成一个2D模型，可模拟的材料为弹性材料、塑性材料、刚性材料、弹塑性材料或者多孔材料。通过选择等温或非等温过程可以模拟温度的影响。软件提供的数据库提供了多种材料属性如普通钢、铝合金、钛合金或15超级合金。22硬质合金简介硬质合金是粉末冶金制品
29、，是将高硬度、高熔点的金属碳化物又称难熔金属碳化物粉末，用NB、CO及NI等金属作粘结剂压制、烧结而成的粉末冶金制品。221硬质合金的特点硬质合金中的碳化物WC，TIC，TAC等的硬度高、熔点高。碳化物所占的比例越大，硬度越高；碳化物的粒度越小，则碳化物颗粒的总团积越大，而粘结层的厚度减小。即相当于粘结层金属相对减少，使其硬度提高，抗弯强度降低。因此，硬质合金的硬度、耐磨性和耐热性都高于高速钢。由于硬质合金具有高的热硬性可达1000左右，允许切削速度为高速钢的数倍，故目前已成为主要刀具材料之一。但硬质合金抗弯强度较低，脆性大，承受冲击能力较差，制造工艺性较差，刃口不如高速钠锋利。目前国内外已研
30、制出许多新型硬质合金，提高了综合性能。222硬质合金的组成目前常用于切削加工的硬质合金都是以WC碳化钨为基体，主要有如下三类1钨钴类硬质合金WCCO，代号为YG。YG类硬质合合的硬质相材料是WC，粘结剂为CO。2钨钛钴类硬质合金WCTICCO，代号为YT。YT类硬质合金的硬质相材料是WC和TIC，粘结剂为CO。3钨钛钽铌钴类硬质合金WCTICTACNBCCO，代号为YW。YW类硬质合金也叫通用硬质合金，是种用途广泛的硬质合金，已部分代替YT和YG类硬质合金。各类牌号中，含钴量越多，韧性越好，适用于粗加工；含碳化物量越多，热硬性越高韧性越差，适用于精加工4。23切削理论231切削变形区如图21示
31、，切削中的金属根据其塑性变形特性可分为以下三个变形区16图21切削变形区分布图第变形区这一区间内金属的变形特点是只发生沿滑移线的剪切变形以及随之产生的加工硬化。进入该区之前的金属只发生弹性变形而没有塑性变形，因此这一区间又叫做剪切区。在一般切削速度范围内，第一变形区的宽度仅约00202MM5，所以也可以用一个剪切面来予以表示。第变形区切屑在前刀面上进一步受到前刀面挤压和摩擦，靠近前刀面处的金属纤维化。第变形区已加工表面受到刀尖圆角和后刀面的挤压和摩擦，造成金属纤维化和加工硬化。这三个变形区汇集在切削刃附近，应力比较集中而且复杂，金属的被切削层就在此处分离，一部分变成切屑，一部分形成已加工表面。
32、切削刃对于切屑的去除和已加工表面的形成有很大关系。232工件材料模型第一变形区中的弹性变形可以忽略不计，工件材料模型简化为不可压缩的弹粘塑性材料。这一方法已经由SHIH等5使用并验证。考虑到材料的非线性问题，工件材料的流动应力应该由VONMISE屈服准则来描述，即“材料处于塑性状态时，等效应力始终是一不变的定值。”用公式表示6为S21即2S2132322212）（）（）（22其中为等效应力，S为材料屈服应力，I为第I主应力（I1，2，3）假设剪切区中的塑性变形能完全转化为热能，则塑性变形的热能产生率SQ可以通过NORTONHOFF法则表示为剪切流动应力K，应变率，变形效率以及应变率敏感指数M的
33、函数，如下式613MSKQ2317金属二维正交切削模拟问题可以看作是平面应变状态，主切削力就是和刀具运动方向相同的力。为了获得切削力，可以认为切削力是前刀面与切屑以及后刀面与已加工表面之间的应力的合力在刀具运动方向的分量7。切削金属的变形程度可以用切屑厚度CHH与切削层厚度DH之比HA表示，或者用切削层长度CL与切屑长度CHL之比HL表示，如24、25式8DCHHAHH24CHCHLLL25由于工件上切削层变成切屑后宽度变化很小，根据体积不变原理，显然8HHLHA26233前刀面上的摩擦切削碳钢类金属时，法应力（名义单位面积上的法向力）在前刀面上的分布如图22所示6。由于法应力的分布不均匀，近
34、切削刃处甚大，而远切削刃处甚小，因而在刀削接触长度OB上存在两种类型的接触。在OA段（前区）上形成紧密型接触，在AB段（后区）上形成峰点型接触。基于库仑摩擦准则，刀屑接触表面摩擦可以由27式和28式表示9PS，当P时（滑动区）27S，当P时（粘着区）28为材料剪切流动应力234切削热二维切削模拟时，热传导方程为12222YTUXTUCQYTXTYX29式中TTX，Y为温度分布；为热传导系数；C为比热；Q为单位体积内的热生成率，可以通过等效应力和等效应变速率来计算10图22刀屑接触表面摩擦模型18JQ/210式中为等效应力，等效应变速率，J为热功当量。235刀具磨损1刀具磨损的原因为了减小和控制
35、刀具的磨损，为了研制新的刀具材料，必须研究刀具磨损的原因和本质。切削过程中的刀具磨损具有下列特点刀具与切屑、工件间的接触表面经常是新鲜表面。接触压力非常大，有时超过被切削材料的屈服强度。接触表面的温度很高，对于硬质合金刀具可达8001000，对于高速钢刀具300600。上述条件下工作，刀具磨损经常是机械的、热的、化学的三种作用的结果，可以产生磨料磨损、冷焊磨损和氧化磨损等。2刀具磨损的过程后刀面磨损量VB随切削时间T的增大而增大。图23为典型的刀具磨损曲线，其磨损过程分为三个阶段61初期磨损阶段这一阶段磨损曲线的斜率较大。由于刃磨损后的新刀具，其后刀面与加工表面间的实际接触面积很小，压强很大，
36、故磨损很快。此外，新刃磨后的刀面上的微观不平度也加速了磨损。初期磨损量的大小与刀具刃磨损质量也有很大关系，通常在VB00501MM之间。经过研磨的刀具，其初期磨损量小，而且要耐用的多。2正常磨损阶段经过初期磨损，后刀面上被磨出一条狭窄的棱面，压强减小，故磨损量的增加也缓慢下来，并且比较稳定。这就是正常磨损阶段，也是刀具工作的有效阶段。图23典型的刀具磨损曲线19此阶段中磨损曲线基本上是一条上行的直线，其斜率代表刀具正常工作时的磨损强度。磨损强度是比较刀具切削性能的重要指标之一。3剧烈磨损阶段刀具经过正常磨损阶段后，切削刃显著变钝，切削力增大，切削温度升高。这时刀具磨损情况发生了质的变化而进入剧
37、烈磨损阶段。这一阶段的磨损曲线斜率很大，即磨损强度很大。此时刀具如继续工作，则不但不能保证加工质量，而且刀具材料消耗过多，经济上不合算。所以刀具应当避免发生剧烈磨损。3切削加工的有限元模拟过程20实际的车削加工是3维的，但在2维下就可以得到模拟所需获得的主切削力和温度场，且采用DEFORM2D软件能大量节约计算时间，提高了工作效率，所以本课题选用DEFORM2D软件进行切削模拟。为了更有效地对切削过程进行有限元分析，对其做以下假设111切削过程进入稳定阶段后只生成连续切屑；2刀具为刚体，不发生变形但可以进行温度分析；3工件材料为弹塑性。31参数设置本课题的切削参数和模拟参数分别如表31、32所
38、示表31切削速度MM/S1500切削深度MM0141进刀量MM/R01刀具前角5刀具后角5表32摩擦系数04对流换热系数（N/SECMMC）002热传导系数（W/MK）45环境温度（C）20单次模拟刀具切削距离MM1032预处理菜单设置21打开模拟控制，进入主控制菜单，选择几何模型为平面应变PLAINSTRAIN热传递HEATTRANSFER选择Y；变形DEFORMATION选择Y，单位选择国际单位SI，如图31；进入STEP菜单选择NUMBEROFSIMULATIONSTEPS输入3000，选择STEPINCREMENTTOSAVE输入5，选择PRIMARYDIE为TOPDIE，每步步长输入
39、0004MM，为其最小单元格尺寸（工件网格画好后量取）的1/3，如图32所示；进入STOP菜单设置主切削X方向达到10MM时停止切削，如图33所示。图32模拟步骤控制菜单设置33工件模型设置图31主菜单设置图33停止控制菜单设置22工件模型的几何参数为长10MM，厚度5MM，切削厚度为014MM，由于切削层厚度远小于工件宽度（001MM），故可认为工件为平面应变状态。导入工件模型如图34所示。工件网格使用稳定性较好的平面四边形单元以减少切削过程中网格出现较大的变形。因为切削只在工件的上部发生，工件下部不是本研究的主要对象，所以同时在工件右上角上画了3个网格细化窗口。窗口2的网格尺寸设置为000
40、005IN，其余两个窗口的设置为00001IN，要求这三个网格窗口随着刀尖的运动而运动的。模型采用SYSTEMDEFINED的绝对网格数目划分，共设置了3000个网格，其密度分布权重设置如图35，这样节约计算时间，提高模拟效率。考虑到切削过程中有较大的网格变形出现，并规定当网格畸变量达到网格宽度的1/2时，进行一次重划分，如图36设置。其中0006MM这一数值是工件上最小网格尺寸（0013MM）的一半得到。做这一设定，一方面解决了局部变形的精确求解，另一方面节省了求解时间以及内存消耗。图34工件模型图35网格划分的权重设置23图36网格重划分的规定设置工件材料为45钢，在DEFORM中有与之对
41、应的材料为AISI1045，直接选取即可。工件在切削过程中是静止不动的，左边单元固定X方向位移，下方固定Y方向位移。如图37所示。图37工件的固定设置工件在切削过程中，工件的温度必然增高，会与空气产生热量交换，其热传导面设定如图38所示。图38工件的热传导面的设置34刀具模型设置导入刀具模型，确定类型为RIGID，刀具网格为四边形网格。刀尖是主要受力区，且刀尖具有圆弧，不细化网格的话，无法表达出其几何特征，因此在刀尖处24设置了网格细化框，其具体设置如图39所示。由于在本研究中将刀具假定为刚体，刀具不发生塑性变形，因此不需对其进行网格重划分，刀具前后角均为5，刀尖圆角半径分别为004，008，
42、012，016，020MM，一共做5次模拟。AB图39刀具网格的划分刀具为硬质合金钢YT15，在DEFORM数据库中没有刀具的材料，需通过添加新材料的方式将其性能加入有限元软件中。进入材料属性菜单MATERIALPROPERTIES，单击“”符号，添加GROUPS。由于在本研究中将刀具假定为刚体，不对其进行变形分析，只进行热传导分析，因此不需输入材料的力学性能参数，刀具材料性能如表33所示。根据表33在工件的材料表内输入材料的弹性ELASTIC和传热THERMAL数据。将此材料添加至刀具模型上。设定刀具的速度为1500MM/SEC，方向为X，如图310。设置刀具的热传导面，如图311。表33刀
43、具材料性能8密度（G/MM3）抗弯强度（GPA）热容量J/KGK热导率N/SK弹性模量（GPA）泊松比硬度HRA1131031134603355150229125图310刀具的速度设置图图311设置刀具的热传导面35工件与刀具的定位因工件与刀具是在CAXA中定好位再输出的，不需在DEFORM中再次定位。36工件与刀具的接触设置进入INTEROBJECTINTERFACE界面单击INTEROBJECT，添加摩擦关系，如图312所示。点使工件与刀具建立接触。刀具与工件间选择库伦摩擦，摩擦系数为04，热传导系数为45。对工件自接触也同样用这样的方法进行设置。37切削模拟结果与分析刀具切削性能包括切削
44、过程中的切削力、切削温度、应力、应变、位移等变化特征，本文只研究了应变、温度分布和切削力。371应变特征切削过程趋于稳定时刀具和工件发生应变分布如图313图312确定内部相互关系建立相互接触26ABCDE图313不同刀具圆角半径下的应变27图314切削过程稳定时切削区应变随刀具圆角半径的变化曲线切削过程中由图313、314可以看出，当刀具圆角半径约等于切削厚度时，应变最大。当刀具圆角半径小于切削厚度时，应变随半径的增加而增大；当刀具圆角半径大于切削厚度时，应变随半径的增加而不再有明显的变化。372切削温度切削过程趋于稳定时，工件和刀具的温度分布如图315AB28CDE图315不同刀具圆角半径下
45、的温度分布图316切削过程稳定时切削区最高温度随刀具圆角半径的变化曲线29切削过程中温度的变化主要来自刀具的前刀面和后刀面与工件及切屑之间的摩擦、工件内部塑性变形等。由图315得知，最高温度集中在倒圆刃附近，这是因为塑性变形和摩擦在此处比较集中。由图还可以看出工件的已加工表面也有很高的温度。在本实验模拟的范围内，稳定切削时刀具和工件上的最高温度随着刀具圆角半径的增加而增加，没有出现到某一个值后温度下降的情况，这说明由于原始实验参数的设定可能与实际情况有偏差，寻找最高温度的最大值是本课题的一个研究方向。373切削力刀具切削过程中切削力的变化曲线如图317所示AR004MM30BR008MMCR0
46、12MM31DR016MMER020MM图317不同圆角半径下刀具切削力随时间的变化曲线由图317可以看出，在切削过程中，切削力从零线性增加到稳态，此后保持在稳态值附近小范围波动，相对误差不大于5。在切削开始阶段，切削力做32的功主要用于客服工件的弹性变形，同时刀具和铁屑的接触面积逐渐增加，所以切削力呈快速上升趋势；当切削进入稳定状态后，切削产生的热量使工件软化，切削力略微下降并保持一个较为稳定的值。通过对各圆角半径下切削力的稳态值进行比较可知，在本实验研究的范围内，随着刀具圆角半径的增加，刀具的稳态切削力是逐渐增加的。334总结与展望41结论本文运用有限元分析软件对平面应变状态下的金属切削过
47、程进行了模拟。分析了切削力，切削温度以及应力应变受刀具圆角半径改变的影响，得出以下结论1随着刀具圆角半径从004MM逐渐增加012MM，产生应变逐渐增大，且在004MM012MM区间内，圆角半径改变对应变的影响比在012MM020MM区间内的影响大；在012MM020MM区间应变逐渐减小。2随着刀具圆角半径增加，刀具工件接触温度的最大值逐渐升高，并可预见，在其后的某个半径尺度上接触温度最大值将达到最高值。3从切削开始到进入稳态过程中切削力从零迅速上升，稳态时稍微回落；各圆角半径下切削力的大小随圆角半径的增大而增大，同温度类似，我们也预见其后会出现某个半径尺度使切削力的大小达到拐点。4由于该有限
48、元模型中对于切削的条件，如工件、刀具的材料，切削速度、深度等因素都是可变的，故该模型可以通过适当改变参数作为一个通用的模型来研究其他刀具材料和切削参数对切削过程的影响。42展望梳理以上自己所做的内容，认为由于研究水平有限，疏漏或谬误在所难免，以后的研究方向应是以下几个方面1建立更为系统的模拟程序，准确详尽地建立有限元分析模型，减少因参数设置不精确带来的实验偏差。2本文是利用二维有限元软件进行的模拟，只考虑了二维的直角切削的情况，实际情况下的金属切削大多是三维切削，所以我们可以应用3D有限元模型对它进行更为详细的分析。为了便于进行数值模拟，我们提有必要对边界条件进行了简化，如视切削过程为干切削、
49、忽略热辐射和对流对切削温度的影响；事实上，对切削过程具有重大影响的因素还有刀具磨损、破损、积屑瘤、切削液等，这就要求我们进一步理解金属切削的基本理论，以求将各种影响因素量化后考虑在内，使数值模拟技术更好地应用于生产实际。3对切削理论进行系统研究并结合实验，更有针对性的进行模拟分析。344金属切削过程是个非常复杂的过程，随着刀具钝化技术和有限元技术的发展，更仿真的钝化刀具切削过程的有限元仿真将成为今后研究的重点。5本文主要研究了钝化刀具的切削过程模拟，由于多种实验参数的选取未考虑其随温度升高引发的变化，忽略了刀具和工件的热对流和热辐射，模拟出的性能参数与实际情况还有一定的差距。6对切屑形成的局部而言，切削加工具有高温、高速成形的特点，局部高温必然会影响材料的各种性能参数，从而影响工件的切削加工过程。本次模拟新材料在输入材料性能数据时，只采用了常温下的数据，并没有考虑这些数据随温度变化的影响，所以模拟与实际会有偏差，在以后的模拟过程中引入材料性能随温度变化的数据是研究的一个方向。35参考文献1方刚，曾攀切削加工过程数值模拟的研究进展J力学进展
