【正文】 術的快速發(fā)展和普及，有限元方法迅速從結構工程強度分析計算擴展到幾乎所有的科學技術領域，成為一種豐富多彩、應用廣泛并且實用高效的數值分析方法。 有限元方法與其他求解邊值問題近似方法的根本區(qū)別在于它的近似性僅限于相對小的子域中。 20世紀 60年代初首次提出結構力學計算有限元概念的克拉夫（ Clough）教授形象地將其描繪為： “ 有限元法 =Rayleigh Ritz 法＋分片函數 ”，即有限元法是 Rayleigh Ritz 法的一種局部化情況。不同于求解（往往是困難的）滿足整個定義域邊界條件的允許函數的 Rayleigh Ritz 法，有限元法將函數定義在簡單幾何形狀（如二維問題中的三角形或任意四邊形）的單元域上（分片函數 ），且不考慮整個定義域的復雜邊界條件，這是有限元法優(yōu)于其他近似方法的原因之一 [2]。 論文的研究背景與意義 金屬切削工藝是制造業(yè)中的關鍵技術，隨著電子、光學、微細產品的不斷發(fā)展，在生產率和加工精度方面對切削工藝提出了更高的要求。 虛擬制造將是解決這一系列問題的重要 手段，在虛擬制造中，基于彈性力學、塑性力學、斷裂力學、摩擦學、熱力學和材料學的切削過程數值模擬將是一種強有力的工具， 目前，這項技術已經在學術研究上取得了一些進展， 但與其它加工技術，如金屬塑性加工 )相比， 切削模擬還沒有大量應用到生產實際，這還需要對實際生產中影響切削加工的各種因素作進一步研究。 在實際切削過程中，例如車削、磨削和鉆削等，切削是在三維變形域內進行的；例如，工件和刀刃具有三維的幾何形狀，工件材料和刀具的相對移動也不總是正交的，另外，一些工件材料也是各向異性的， 由于這些因素，切削是在三維狀態(tài) 下成形的，然后獲得具有三維幾何形狀的產品。另外有些工藝，例如斜刃切削的模擬是不能用二維模型來實現(xiàn)的，必須建立三維模型。所以，為了揭示實際切削機理，對切削加工進行三維模擬是很有必要的，目前的太多數研究斗都停留在二維模擬上， 隨著計算機硬件性能的提高， 切削工藝的三維模擬將是今后發(fā)展的主要方向。 實際上，典型的車削和鉆削工件或刀具都是在做回轉運動，但是到目前為止，文獻中所報道的切削工藝模擬，大多是將工件約束住，讓刀具做進給運動，這樣 有限元模擬技術切削加工畢業(yè)論文 4 實際生產中工件的回轉運動對切削質量的影響并沒有體現(xiàn)出來，在金屬塑性加工中，例如板 料的旋壓成形， 內螺紋管的拉拔成形、軋制成形等都可以模擬工件或模具的回轉運動，在高速的車削過程中，工件的轉動是不可忽略的。關于這一點，在今后的切削模擬中還應加強。 切削加工是使工件不斷分離出切屑的過程，目前關于切屑斷裂和分離的準則還不太成熟，每種分離準則都有不足的地方，形成后的切屑斷裂準則也需要進一步研究， 目前的模擬結果與實際情況還有一定的差距。 相對于切屑的形成，對于成形工件加工質量的研究較少，今后將會成為重點的研究方向。其巾包括： 與工件幾何尺寸和精度密切相關的殘余應力和殘余應變的模擬、與工件表面光潔 度有關的毛刺形成的模擬、考慮工件加工中夾具的模擬等。工件切削加工中的毛刺形成和消除的模擬技術還不成熟， 因為它涉及的因素較多， 對成形工件的表面質量起著至關重要的作用。 月前關于這方面的研究剛剛起步， 還沒有詳細的結果。 切削加工中刀具的磨損和受力、加工中振顫引起的刀跳、工具形狀不合適引起的崩刀等現(xiàn)象的模擬也會成為今后切削加工技術模擬的一個方向。高速切削加工中，冷卻液是不可缺少的，目前在切削模擬中，還沒有模擬切削過程中的冷卻對成形質量的影響。 本論文研究的主要內容 本論文的研究內容為 以 AISI1006， COLD[70F(20C)]不銹鋼為研究對象，采用數值模擬技術 ， 建立正交切削有限元模型，研究建模過程中切屑形成、刀具和工件表面溫度分布、切削力；利用建立的有限元模型分析切削速度、刀具角度、冷卻潤滑等參數對難加工材料切削過程的影響。 有限元模擬技術切削加工畢業(yè)論文 5 第二章 切削加工中有限元模擬的關鍵技術研究 切削 過程可以看作是產生塑性變形并且發(fā)生切屑 (chIp)與工件 (workpiece)分離．所采用的數值方法主要有兩種， 即彈塑性有限元法和剛塑性有限元法．在此基礎上，如果考慮材料加工中的 溫度、速度變化帶來的影響，還有熱彈 (黏 )塑性有限元和熱剛 (黏 )塑性有限元方法。當工件的尺寸、所用單元個數等條件相同時， 彈塑性有限元和剛塑性有限元的應力、應變分析結果幾乎相同。兩種 有限元方法的區(qū)別主要在于， 彈塑性有限元方法主要應用在求解殘余應力的分布和回彈問題求解，而剛塑性有限元的求解忽略了彈性變形，不能求解殘余應力或回彈問題，但它比彈塑 }生有限元的求解速度要快 3～ 5 倍。 金屬切削工藝是一個比較復雜的過程，它涉及到許多方面，例如機床、工件、刀具、夾具、冷卻液、動態(tài)效應等等，而且這些因素都是相關的 在上述各 種影響切削質量的因素中，切屑的形成是很重要的因素， 因為在切削過程中，切屑的形成對刀具的壽命、加工表面的質量影響很大。 圖 1 是通過采用剛塑性有限元 (更新的拉格朗日方法 )模擬的切屑變形。這種模擬過程是一 種典型的高梯度問題，在局部區(qū)域內材料產生高溫、大變形， 需要有自適應的網格重劃技術．在圖中可以看出，切屑的塑性變形是很大的， 隨著變形的加劇，材料初始網格會產生嚴重的畸變，這種網格的畸變會對求解產生影響。 一是網格的畸變會降低求解的精度，還會導致出現(xiàn)負的 Jacobi 矩陣， 無法求解。網格產生畸變的另一后果就是模 具會嵌入到材料內部 (圖 2)，與實際情況不符， 使求解無法進行。 對于這種大的塑性變形問題，應該采用自適應網格重劃分技術 (Remeshing)。隨著刀具的進給，正在被加工的部分應該實現(xiàn)網格細劃，而沒有加工的部分和加工過的部分， 網格應該粗劃， 這樣既 解決了局部變形的精確求解， 又節(jié)省了求解時間以及內存的消耗。 有限元模擬技術切削加工畢業(yè)論文 6 圖 1切削過程中切屑塑性變形的有限元模擬 圖 2 切屑形成過程中刀具與材料網格的嵌入 判斷是否應該進行網格重劃的標準實際上就是一個幾何準則。可以一個絕對的穿透距離來作為標準，也可用刀具穿透深度與被 穿透單元長度的比值作為標準， 目前應用比較普遍的是以刀具穿透材料區(qū)的面積 (體積 )與被穿透材料單元的整個體積的比值作為標準。在模擬前可以設定臨界值，當準則中的幾何量超過這個臨界值時，程序自動停下來進行網格重劃分。通過切屑形成過程的模擬，可以得到切削加工中的切削力的變化曲線 (圖 3)。這對設備和夾具的設計或選用是很有幫助的。 ． 有限元模擬技術切削加工畢業(yè)論文 7 圖 3 切削力隨刀具行程的變化曲線 有高溫、高速成形的特點。金屬在高速切削下， 劇烈的摩擦和斷裂使得局部區(qū)域的溫度在兒秒鐘甚至是零點幾秒就上升到很高 的溫度，材料的各種性能參數必然受到溫度的影響， 另外，高溫狀態(tài)下引起的熱應力也對成形質量和刀具的磨損產生影響。因為切削加工涉及到了與高溫、高應變速率耦合的大變形和斷裂問題， 有限元分析也應該建立在與溫度耦合的塑性變形理論基礎上。在金屬切削模擬過程中，溫度的因素是不可以忽略的，要通過設定摩擦條件、摩擦方式和摩擦系數來計算摩擦生熱。 在金屬切削工藝中，工件的塑性變形和切屑一刀具界面的摩擦是兩個主要的熱源。在金屬切削工藝中， 工件內部的溫度分布主要是由下面的因素決定的： (1)工件和刀具的初始溫度；（ 2）成形工件和刀具 的狀態(tài)和環(huán)境； (3)工件塑性變形和切屑一刀具界面的摩擦產生的熱源。 為了耦合熱載荷和機械載荷的相互影響，可以利用 Prandtl— Reuss 流動法則和 Von Mises 屈服準則 [3]同時將材料考慮為具有各向同性的應變硬化性質，來導出熱彈塑性熱力耦合本構方程，包括應變、應變速率、和溫度。接下來，應用大變形一大應變理論中的小增量位移，利用更新的 Lagrange 公式和增量變分原理。在此基礎上，導出熱彈塑性大變形耦臺方程 (式 ())。 還可以處理工件和刀具之間以及工件與周圍空氣之間的熱傳導。 有限元模擬技術切削加工畢業(yè)論文 8 （ ） 由 于用于機械加工的材料在高溫狀態(tài)下經常是對速度敏感的，所以需要考慮兩種因素，一個是材料的速度敏感性影響，另一個是金屬流動和熱傳遞分析的耦合影響。 以二維模擬為例，切削工藝中的熱傳導方程為（ ） （ ） 式中的 J為熱功當量 邊界條件如下 (1)摩擦生熱， 工件和刀具之問的摩擦生熱通過以下方程來表示： （ ） 生成的熱量作為熱載荷的方式，