【正文】 臺(tái)，本論文將主要使用DEFORM2D來(lái)實(shí)現(xiàn)切削過(guò)程的有限元模擬。、意義隨著全世界越來(lái)越多的研究學(xué)者和工程師的努力，有限元法分析已經(jīng)變得成熟和可靠，他們通過(guò)計(jì)算機(jī)所進(jìn)行的大量的模擬科學(xué)研究，獲得了大量寶貴的資料和成果。由于傳統(tǒng)的研究方法難以定量分析切削機(jī)理，一旦面對(duì)高速、超精密切削加工等工藝，實(shí)驗(yàn)的方法便很難獲得所需的相關(guān)參數(shù)，反而虛擬制造技術(shù)能夠縮短開(kāi)發(fā)周期、降低成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量，從而提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。對(duì)切削過(guò)程進(jìn)行虛擬仿真，研究金屬切削變形等物理現(xiàn)象的影響因素，可以幫助合理選擇參數(shù)工藝中的切削速度，背吃刀量及進(jìn)給量。對(duì)刀具幾何結(jié)構(gòu)(前角，后角和斷屑槽等)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而可以采取措施減小切削力，提高金屬切除效率并改善加工表面質(zhì)量，優(yōu)化加工工藝等。所以，采用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)研究切削過(guò)程中的金屬變形及其溫度分布等是目前最有發(fā)展前景的研究方法之一。利用有限元模擬方法能夠方便地再現(xiàn)各種工藝參數(shù)對(duì)切削過(guò)程的影響，為優(yōu)化切削工藝和提高產(chǎn)品精度與性能提供理論和實(shí)用的手段。在以往的研究中，研究人員出于研究的方便，常常將刀刃的形狀抽象成理想剛性的、不可磨損的，但是在實(shí)際的切削過(guò)程中，刀刃切削工件在各種因素的共同作用下將不可避免地有損壞特別是切削硬度高的材料，那種理想的情況并不存在，也帶來(lái)了數(shù)據(jù)與現(xiàn)實(shí)結(jié)果的一定偏差。而出現(xiàn)磨損的刀刃不但會(huì)嚴(yán)重影響加工的尺寸精度，也會(huì)影響已加工表面的質(zhì)量。在這種情況下，有必要采用帶倒角的刀刃進(jìn)行切削。對(duì)于倒角刀刃的有限元法模擬，國(guó)內(nèi)外的研究還比較少，對(duì)于它的切削過(guò)程了解也不多，所以本論文將通過(guò)DEFORM—2D軟件采用有限元法對(duì)倒角刀刃切削過(guò)程進(jìn)行模擬，了解其切削過(guò)程，分析其倒角刀刃幾何參數(shù)對(duì)切削力、切削溫度等因素的影響，為刀具的實(shí)際選擇提供一定得理論依據(jù)。通過(guò)閱讀文獻(xiàn)了解相關(guān)研究背景和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，我對(duì)于應(yīng)用有限元法模擬切削過(guò)程有了更清楚的認(rèn)識(shí)，本課題能夠全面地考量我在本科階段的分析動(dòng)手能力、對(duì)于新理論的應(yīng)用學(xué)習(xí)能力以及對(duì)于問(wèn)題的探索研究能力，能夠完成本課題將是對(duì)我整個(gè)本科階段的最佳總結(jié)。主要的研究目標(biāo)是使用金屬切削理論和有限元理論，應(yīng)用DEFORM—2D軟件建立切削模型對(duì)倒角刀刃切削過(guò)程進(jìn)行有限元模擬，獲得切削過(guò)程中的切削力、切削溫度等參數(shù)，并分析所得參數(shù)對(duì)于現(xiàn)實(shí)機(jī)械加工工藝的意義。具體工作如下：（1） 學(xué)習(xí)金屬切削理論，全面了解切削過(guò)程的應(yīng)變特點(diǎn)及刀刃的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。（2） 初步了解有限元理論，建立正確的倒角刀刃切削模型，并能對(duì)切削過(guò)程進(jìn)行有限元模擬，獲得相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以供分析。（3） 學(xué)習(xí)DEFORM—2D軟件的使用方法，掌握其仿真模擬的相關(guān)操作，利用DEFORM—2D進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。（4） 探討倒角刀刃在切削過(guò)程中的切削情況，利用所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)分析其幾何參數(shù)變化對(duì)于切削過(guò)程的影響，研究造成這種影響的原因及影響的因素。第二章 理論基礎(chǔ) 在切削時(shí)，由于刀具對(duì)于金屬的切入和擠壓，金屬會(huì)發(fā)生變形，通過(guò)圖21我們可以看出，金屬的變形大致分為三個(gè)區(qū)：（1）第一變形區(qū) 從OA線開(kāi)始發(fā)生塑性變形，到OM線晶粒的剪切滑移基本完成。這一區(qū)域（Ⅰ）稱為第一變形區(qū)（2）第二變形區(qū) 切屑沿前刀面排出時(shí)進(jìn)一步受到前刀面的擠壓和摩擦，使靠近前刀面處金屬纖維化，基本上和前刀面相平行。這部分叫做第二變形區(qū)（Ⅱ）（3）第三變形區(qū) 已加工表面受到切削刃鈍圓部分與后刀面擠壓和摩擦，產(chǎn)生變形與回彈，造成纖維化與加工硬化。這一部分的格子變形也是較密集的，稱為第三變形區(qū)（Ⅲ）[16]。圖21 金屬切削過(guò)程中的滑移線和流線示意圖同時(shí)金屬晶體結(jié)構(gòu)在切削中發(fā)生滑移，晶粒沿著纖維化的方向伸長(zhǎng)，與剪切面形成了一個(gè)夾角，在一般的切削速度范圍內(nèi)，第一變形區(qū)的寬度很小，可以用一個(gè)剪切面來(lái)代替。根據(jù)上述的變形過(guò)程，塑性金屬的切削過(guò)程可以粗略但很形象地模擬為圖22的情況，被切削材料如同一沓疊好的卡片（表示為剪切面）1’,2’,3’......刀具切入后，卡片被擠壓到1，2，3......的位置，發(fā)生了滑移。從圖中也可以看出，刀具切削部分的幾何參數(shù)例如：前角、后角、刀刃是否是倒角或鈍圓等會(huì)影響到金屬滑移的情況，也會(huì)使切削結(jié)果發(fā)生變化。圖22 金屬切削過(guò)程示意圖切削過(guò)程是工件和刀具相互作用的過(guò)程，刀具在切削中去除一部分的金屬，往往是通過(guò)兩種運(yùn)動(dòng)：（1）主運(yùn)動(dòng) 是工件和刀具產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)以進(jìn)行切削的最基本運(yùn)動(dòng)。這個(gè)運(yùn)動(dòng)的隨度最高，消耗功率也最大。（2）進(jìn)給運(yùn)動(dòng) 是主運(yùn)動(dòng)能夠繼續(xù)切除工件上多余的金屬，以便形成工件表面所需的運(yùn)動(dòng)，稱為進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，它消耗的功率比主運(yùn)動(dòng)要小。切削加工的方法有很多種，所以相對(duì)應(yīng)的切削刀具也有很多，但是這些刀具在參加切削的部分在幾何特征上卻都具有共性，圖23給出了外圓車刀的切削部分幾何形狀，它可以看作是各類刀具切削部分的基本形態(tài)。 圖23 外圓車刀的切削部分前刀面（Ay）：流出切下的切屑的表面；主后刀面（Aa）：與工件上切削表面相對(duì)的表面；副后刀面（Aa’）：與已加工表面相對(duì)的表面；主刀刃：前刀面和副后刀面相交的棱，形成工件的切削表面，主要完成金屬切除工作副刀刃：前刀面與副后刀面相交的棱，協(xié)同主刀刃完成金屬切除工作切削過(guò)程中還要考慮刀具的切削角度，以表示刀具的切削部分各表面的空間位置，這些角度的確定需要選擇適當(dāng)?shù)膮⒖计矫鎭?lái)作為坐標(biāo)基礎(chǔ)。圖24顯示了刀具角度坐標(biāo)平面的選擇和刀具的切削角度確定，以基面Pr和切削平面Ps作為坐標(biāo)平面，在NN平面視圖上角可以看到y(tǒng)o是刀具前角，αo是刀具后角。圖24 切削刀具的參考平面金屬切削時(shí)，刀具切入工件，使被加工材料發(fā)生變形成為切屑所需的力，稱為切削力。切削力是研究切削過(guò)程的一個(gè)重要的物理因素，它能被加工材料、切削用量、刀具幾何參數(shù)、刀具材料、切削液和刀具后刀面磨損等影響。在本文中，切削力也是一個(gè)重要的實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)，將用來(lái)分析不同倒角參數(shù)在切削中的切削性能。從圖25可以看出，切削力來(lái)源于三個(gè)方面[16]：1. 克服被加工材料對(duì)彈性變形的抗力2. 克服被加工材料對(duì)塑性變形的抗力3. 克服切屑對(duì)刀具前刀面的摩擦力和刀具后刀面對(duì)加工表面和已加工表面之間的摩擦力。圖25 切削力來(lái)源切削熱是切削過(guò)程中必須考慮的一個(gè)重要的物理因素，因?yàn)榍邢鳒囟饶軌蚋淖兦暗睹嫔系哪Σ料禂?shù)，改變工件材料的性能，影響已加工表面質(zhì)量的提高。所以，國(guó)內(nèi)外研究金屬切削方面的人員在切削溫度的理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)技術(shù)方面，都進(jìn)行了大量的研究工作。切削時(shí)所消耗的能量，除了1—2%用以形成新表面和以晶格扭曲等形式形成潛藏能外，有98—99%轉(zhuǎn)換為熱能[17]。由于很少一部分的能量轉(zhuǎn)換成潛藏能，我們可以近似地認(rèn)為切削時(shí)消耗的能量全部轉(zhuǎn)換為熱能。在前面我們已經(jīng)知道，被切削的金屬在刀具的作用下會(huì)發(fā)生塑性變形，這是切削熱的一個(gè)重要來(lái)源。除了切削作用，摩擦也是產(chǎn)生大量熱量的原因，像切屑與前刀面、工件與后刀面之間都會(huì)發(fā)生摩擦。因此，切削時(shí)共有三個(gè)發(fā)熱區(qū)域：剪切面、切屑與前刀面接觸區(qū)、后刀面和切削表面的接觸區(qū)[16]。如圖26所示，箭頭表示的是熱傳導(dǎo)的方向，在剪切面區(qū)域發(fā)生了強(qiáng)烈的塑性變形，有最大的熱量傳導(dǎo)到切屑和工件，是引起切屑和工件的溫度升高主要原因，這些熱量是由于金屬發(fā)生塑性變形產(chǎn)生的，是第一個(gè)發(fā)熱區(qū)域；后刀面與切削表面的接觸區(qū)也有較大的熱量傳導(dǎo)，工件已加工表面因?yàn)檫@部分熱量而有明顯的溫度提升，這部分熱量的產(chǎn)生時(shí)由于刀具后刀面與切削表面摩擦所產(chǎn)生的，是第二個(gè)發(fā)熱區(qū)域；切削與前刀面接觸區(qū)是第三個(gè)發(fā)熱區(qū)，相比較前兩個(gè)發(fā)熱區(qū)域，這個(gè)區(qū)域的熱傳遞要小得多，且只在刀具與切屑之間傳導(dǎo)，對(duì)工件沒(méi)有影響。圖26 切削熱的產(chǎn)生與傳導(dǎo)在切削過(guò)程中，熱從切削區(qū)域向外傳導(dǎo)主要依靠的是切屑、工件和刀具。在不用切削液時(shí)，向周圍介質(zhì)直接傳出的熱量非常小，在總熱量比例的1%以下，在分析和計(jì)算中可以忽略不計(jì)，本文的有限元模擬切削情況也不考慮周圍介質(zhì)的熱傳導(dǎo)情況。一般來(lái)說(shuō)，切削溫度是指前刀面和切屑接觸區(qū)域的平均溫度。切削溫度對(duì)工件、刀具和切削過(guò)程存在一定得影響：首先，到切削溫度是刀具磨損的主要原因，它將限制生產(chǎn)率的提高，使已加工表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力以及其它缺陷；然后，切削溫度的升高會(huì)使工件本身受熱而膨脹，直徑發(fā)生變化，降低加工精度。刀具本身也會(huì)受熱膨脹，致使切削時(shí)的實(shí)際切削深度增加成品直徑變小，這些影響在精加工和超精加工時(shí)會(huì)特別突出。所以，研究分析切削溫度，掌握并控制切削溫度變得非常有必要。 有限元法顧名思義，基本的原理就是化整為零，把要分析的連續(xù)體離散化，把一個(gè)完整的物體分割成有限個(gè)單元所組成的組合體，這些有限個(gè)的單元相互關(guān)聯(lián)又彼此獨(dú)立，它們之間通過(guò)結(jié)點(diǎn)來(lái)達(dá)到連接和制約。當(dāng)連續(xù)體受到外力作用發(fā)生變形時(shí)，在有限元的角度上看，組成它的各個(gè)單元也要發(fā)生變形，因而各個(gè)結(jié)點(diǎn)要產(chǎn)生不同程度的位移，這種位移稱為結(jié)點(diǎn)位移，這些結(jié)點(diǎn)位移就是基本的未知量。并對(duì)每個(gè)單元根據(jù)分塊近似的思想，假設(shè)一個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)近似地表示單元內(nèi)位移的分布規(guī)律，再利用力學(xué)理論中的變分原理或其他方法，建立結(jié)點(diǎn)力與位移之間的力學(xué)特性關(guān)系，得到一組以結(jié)點(diǎn)位移為未知量的代數(shù)方程，從而求解結(jié)點(diǎn)的位移分量。然后利用插值函數(shù)確定單元集合體上的場(chǎng)函數(shù)[2]。具體的分析過(guò)程如下:l、將連續(xù)體離散化首先，選擇最能完滿地描述連續(xù)體形狀的單元，不同形狀的連續(xù)體有不同的選擇方式，所以應(yīng)該根據(jù)連續(xù)體的形狀來(lái)進(jìn)行選擇。常見(jiàn)的單元有:桿單元，梁?jiǎn)卧?，三角形單元，矩形單元，四邊形單元，曲邊四邊形單元，四面體單元，六面體單元以及曲面六面體單元等等。其次，進(jìn)行適當(dāng)?shù)膯卧獎(jiǎng)澐郑▎卧獢?shù)目，單元的疏密程度，要依據(jù)模擬的情況做好調(diào)整，不能一成不變。單元?jiǎng)澐滞戤吅?，要將全部單元和結(jié)點(diǎn)按一定順序編號(hào)，每個(gè)單元所受的荷載均按靜力等效原理移植到結(jié)點(diǎn)上，并在位移受約束的結(jié)點(diǎn)上根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置約束條件。分析有限元單元根據(jù)模擬條件和情況，建立式子來(lái)表達(dá)各個(gè)單元的結(jié)點(diǎn)位移和結(jié)點(diǎn)力之間的關(guān)系。分析整體在有限元單元分析基礎(chǔ)上對(duì)各個(gè)單元組成的整體進(jìn)行分析。目的是揭示結(jié)點(diǎn)外荷載與結(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系，需要建立起一個(gè)線性方程組，從而用來(lái)求解結(jié)點(diǎn)位移。有限元法的求解步驟很多，也涉及到復(fù)雜的函數(shù)計(jì)算，由于借助了有限元分析軟件，所有的計(jì)算都在計(jì)算機(jī)中完成，所以具體的函數(shù)方程和求解將不在本文中列出。用有限元法求解的一般分析步驟如下[18]:(1)建立有限元模擬初始模型，包括工件網(wǎng)格劃分、材料模型、模具型腔幾何信息及其運(yùn)動(dòng)和邊界條件等各方面的信息。(2)構(gòu)造或生成初始速度場(chǎng)。(3)計(jì)算各單元?jiǎng)偠染仃嚭蜌堄嗔ο蛄?，并進(jìn)行斜約束處理。(4)形成整體剛度矩陣和殘余力向量，并引入速度約束條件消除奇異性:(5)解整體剛度方程得到節(jié)點(diǎn)速度增量，修正節(jié)點(diǎn)速度并檢查收斂情況，若收斂轉(zhuǎn)入第6步，反之重復(fù)(3)一(5)。(6)由幾何方程和彈塑性本構(gòu)關(guān)系求出應(yīng)變率和應(yīng)力場(chǎng)。(7)確定增量變形時(shí)間步，并對(duì)工件構(gòu)形、應(yīng)變場(chǎng)和材料性能進(jìn)行更新，同時(shí)檢查工件接觸邊界并更新之。(8)若預(yù)定變形未完成，則重復(fù)(3)~(7)步，直到變形結(jié)束。 DEFORM2D軟件簡(jiǎn)介本課題的有限元模擬研究將使用美國(guó)Battelle Columbus實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的有限元分析軟件DEFORM2D，經(jīng)過(guò)從上世紀(jì)八十年代早期到現(xiàn)今二十多年的發(fā)展完善，以及有限元技術(shù)本身的日益成熟，DEFORM軟件在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中變得越來(lái)越實(shí)用而可靠。DEFORM分為DEFORM2D和DEFORM3D兩個(gè)兄弟軟件，它們的模塊結(jié)構(gòu)基本相同，都由前處理器、模塊處理器和后處理器三大模塊組成，不同的是DEFORM3D能夠用于分析三維變形。考慮到模擬中不需要模擬三維變形，所以我選擇了DEFORM2D來(lái)進(jìn)行倒角刀具切削中一個(gè)平面切削情況的模擬分析。主要功能[19]:DEFORM用來(lái)分析變形、傳熱、熱處理、相變和擴(kuò)散之間復(fù)雜的相互作用，在各種現(xiàn)象之間相互耦合。（1） 成形分析 、溫、熱鍛的成形和熱傳導(dǎo)耦合分析，提供材料流動(dòng)、模具充填、成形載荷、模具應(yīng)力、纖維流向、缺陷形成和韌性破裂等信息； 、彈性和熱粘塑性材料模型，特別適用于分析殘余應(yīng)力和回彈問(wèn)題，燒結(jié)體材料模型適用于分析粉末冶金成形； 、錘上成形、螺旋壓力成形和機(jī)械壓力成形； 、應(yīng)力、應(yīng)變、損傷及其他場(chǎng)變量等值線的繪制使后處理簡(jiǎn)單明了。（2）熱處理、退火、淬火、回火、滲碳等工藝過(guò)程、晶粒組織、成分和含碳量，每種晶相都有自己的彈性、塑性、熱屬性和硬度屬性?；旌喜牧系奶匦匀Q于熱處理模擬中每步各種金屬的百分比。第三章 倒角刀具切削過(guò)程有限元建模 為了能夠最大程度地得到符合實(shí)際情況的模擬數(shù)據(jù)，在參考了切削研究的相關(guān)文獻(xiàn)后，我選定了幾組常用切削參數(shù)，模擬實(shí)驗(yàn)采用的切削條件如下： （1）模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)假設(shè)刀具為理想剛性，材料選用WC。倒角刀刃簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖31所示，刀具形狀由LLB和C四個(gè)參數(shù)決定，由于刀具理想剛性，L1和L2的大小不影響模擬的結(jié)果，刀具前角B =15176。，后角C =10176。，刃傾角λ =0176。；刀刃形狀由W和A兩個(gè)參數(shù)決定，其中A為倒棱與前刀面的夾角，W為倒棱在進(jìn)給方向上的投影長(zhǎng)度。在本文中，A取20176。、30176。和45176。三個(gè)數(shù)值，、并且還會(huì)另外模擬一次鋒利刀具的切削情況，作為W=0mm和A=0176。特殊條件倒角刀具的切削情況，來(lái)參考和對(duì)比分析。 圖31 刀具結(jié)構(gòu)圖（2） 切削速度：Vc =1000mm/sec,切削深度h =，進(jìn)給量f =，切削室溫T =20176。C（3） 工件材料選用塑性材料AISI1020鋼，相當(dāng)于國(guó)內(nèi)的20鋼，成分如表31。表31 AISI1020