【文章內容簡介】 間或實體內部的熱交換分析既可以單獨求解，也可以藕合在成形模擬中進行分析。(6)單步模具應力分析方便快捷，適用于多個變形體、組合模具、帶有預應力環(huán)時的成形過程分析。(7)具有FLOWNET和點跡示蹤、變形、云圖、矢量圖、力行程曲線等后處理功能。(8)具有2D切片功能，可以顯示工件或模具剖面結果。(9)自定義過程可用于計算流動應力、沖壓系統(tǒng)響應、斷裂判據和一些特別的列理要求，如：金屬微結構，冷卻速率、機械性能等。DEFORM3D圖形界面，既強大又靈活，為用戶準備輸入數據和觀察結果數據提移了有效工具。DEFORM3D還提供了3D幾何操縱修正工具，這對于3D過程模擬極為重要。DEFORM3D延續(xù)了DEFORM系統(tǒng)幾十年來一貫秉承的力保計算準確可靠的系統(tǒng)。在最近的國際范圍復雜零件成形模擬招標演算中，DEFORM3D的計算精度和結身可靠性，被國際成形模擬領域公認為第一。 DEFORM3D中應用加工向導模塊進行車削仿真的基本步驟DEFORM為了方便應用，提供了成型分析、加工分析(包括切削和鉆削)等向導，用戶只需按向導進行相關設置，生成數據庫之后即可對模型求解。也可進入前處理進行更詳細的設置，如網格密度框。利用加工向導進行的設置主要步驟有：(1)進入DEORM3D主界面。圖 31前處理界面(2)進入切削加工前處理界面，如圖31所示。在模擬類型中選擇車削加工。(3)生成模型(刀具和工件)根據實際情況選擇加工條件、刀具參數、工件參數等，從而生成模型的步驟可以利用加工向導逐步進行，如圖32所示。在本仿真中切削條件的可根據經驗進行設置(圖33)。最終生成圖34所示的仿真模型。(4)進行運算。 前處理界面(5)進入后處理界面對刀具和工件進行分析。圖 32 仿真模型生成向導 圖 34 仿真模型圖圖33 切削條件的設定 DEFORM3D中切削加工過程有限元模型建立的主要注意點 網格劃分的設置金屬在塑性加工過程中，形狀簡單、規(guī)則的材料經過一系列中間過程，轉變到形狀復雜的產品，其變形量特別大。除了材料內部變形較大外，變形材料與刀具邊界處于動態(tài)接觸和脫離的變化過程中，材料邊界形狀變化也非常大。上面兩種現象的出現，使得在對初始工件用形狀比較規(guī)則的有限元網格進行離散，經過一段時間的增量加載計算后，部分網格產生畸變現象，網格出現不同程度的扭曲。這與有限元分析要求的單元形狀盡量接近于母單元的形狀相違背，因而將產生較大的計算誤差，特別是三角形單元和四面體單元。網格嚴重扭曲，在進行等參變換時將使雅克比(Jocbaiml)行列式的值出現零或負值，使計算難以進行下去。另外，利用塑性有限元分析金屬塑性加工問題時，由于網格的畸變，邊界網格有時會與刀具表面出現交叉現象。干涉程度嚴重時，也將影響計算精度。因此，對于涉及大變形的復雜金屬加工過程，很難用一成不變的網格把變形過程模擬到底。為了解決上述問題，提高有限元模擬復雜大變形問題的能力，網格變形到一定程度以后，必須停止計算，重新劃分適合于計算的網格，然后再繼續(xù)進行計算。對于切削這種大的塑性變形問題，應該采用自適應網格重劃分技術，隨著刀具的進給，正在被切削加工的部分應一該實現網格細化，而沒有加工的部位和加工過的部分，網格應該租劃，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。單元類型的選取對計算的精度和效率有很大的影響，對于切削這種幾何大變形及材料非線性問題，我們選取最為簡單的四個節(jié)點的四面體單元，這種單元適合自動重劃分網格技術。對于在DEFORM3D中，實體都是劃分為四面體單元。如果由其它網格劃分工具劃分好的模型輸入到DEFORM3D中，將不能重劃分網格。 切屑的分離標準設定與一般的塑性成型不同，切削加工是一個使被加工材料不斷產生分離的過程。一個合理的分離準則只有真實地反應切削加工材料的力學和物理性質，才能得到合理的結果，例如切屑的幾何形狀、切削力、溫度和殘余應力分布等。另外，一個好的分離準則的臨界值在切削材料確定后，不應該隨著切削條件的變化而變化。目前，在有限元模擬中已經提出了各種切削的分離準則，這些準則可以分為兩種類型：幾何準則和物理準則。幾何準則主要通過變形體的幾個尺寸的變化來判斷分離與否；物理準則主要是基于制定的一些物理量的值是否達到了臨界值而建立的。 材料模型的建立對切削進行模擬前，必須獲得金屬材料在真實切削過程中隨應變、應變率和溫度變化的流動應力數據，這些數據必須真實反映高應變率（有的甚至高達106/s），高溫(1000℃以上)和大應變(應變4以上)下的材料本構行為。目前對于材料在切削狀況下的本構關系的研究并不多，一方面是因為做材料試驗比較復雜和昂貴，另一方面是因為一般的試驗只能提供有限應變率(10000/s)和應變()的材料數據，因此很多研究都基于己有的材料本構模型來展開的。采用已有的材料本構模型只能在一定程度上反映切削模擬的真實性，本文中使用的就是DEFORM3D材料庫中自帶的Ti6Al4V。 速度邊界條件的確定切削加工時，刀具是固定的，工件旋轉，但在我們的有限元模擬中，我們只是截取工件很短的一部分來模擬。在模擬中，我們假定工件是固定不動的，刀具以一定的切削速度作旋轉運動。在模擬中，沒有設置把力作為固定工作的條件，一是切削力等都沒有確定，不好確定力的大小，二是增加固定力會引起不必要的后果，增加了工件的變形。工件底面的X，Z方向的速度都設置為零，工件的前端面Y方向的速度設置為零，這樣工件在三個方向上都被固定了。刀具的切削速度設置為沿Y軸方向，具體數值以實際情況而設定。 時間步長的確定金屬切削過程是工件和刀具相互作用的過程。在這個過程中，刀具不斷地擠壓和剪切工件，使工件在高溫、高速下產生塑性變形；反過來，工件和切屑又不斷摩擦和擠壓刀具。因此，在金屬切削加工過程中，工件以及切屑和刀具接觸是動態(tài)變化的。在工件發(fā)生塑性變形過程的任一瞬時，工件外表面可以分為自由表面和接觸表面兩個部分，自由表面上的質點由于塑性變形會與刀具表面接觸，而接觸表面質點也可能會與刀具表面分離。兩者的變化形成了工件與刀具的動態(tài)接觸表面。剛塑性有限元采用增量法求解大變形問題，是以增量加載(變形)過程來逼近連續(xù)塑性變形過程的實際規(guī)律。具體地說，先把整個連續(xù)變形過程分為若干增量區(qū)間，在每個增量區(qū)間內近似為準靜態(tài)變形處理，即以上一增量步求解結果(如工件外形、接觸邊界、應變狀態(tài)、溫度場等)作為本增量區(qū)間的分析考慮初始狀態(tài)，并認為各瞬態(tài)場量(如速度場、應變率場等)在該區(qū)間內恒定不變，一旦獲得收斂的速度場，則可根據該增量區(qū)間長度(增量步長)調整各狀態(tài)量，如此反復直至變形過程結束。增量步長的大小就直接影響到有限元求解的精度和效率。在本文中采用的是最小時間步長和等時間步長的混合使用。本仿真中等時間步長中按照每一步刀具前進的距離進行設定。21 第4章 仿真分析 概述材料的切削性能是多方面的，相應地其評價指標也有很多種。在眾多指標中，切削力、切削溫度是反映材料切削性能的主要指標，在科研生產中也是最為常用的，特別是在鈦合金的切削中，這幾個指標尤為重要。同時這幾個指標中最為重要的是切削力。在切削過程中，切削力直接決定著切削熱的產生，并影響刀具磨損、破損和使用壽命，工件加工精度以及已加工表面的質量等。在生產中，切削力是計算切削功率，制定切削用量，監(jiān)控切削狀態(tài)，設計和使用機床、刀具、夾具的必要依據。因此，研究切削力的規(guī)律和計算方法，分析切削溫度和刀具應力的大小有重要的理論和現實意義。 不同切削條件下的切削力仿真圖41顯示了切削過程的計算機模擬過程，也顯示了切屑的形成過程，即刀具自左向右水平勻速運動，切屑與工件在刀具的作用下分離，產生的切屑發(fā)生彎曲變形直切屑從工件上切除。模擬過程與實際的切削過程一樣，也分為初始和穩(wěn)態(tài)的過程。當刀具初始切入時，材料的塑性變形隨著刀具的向前推進而不斷增大，刀．屑接觸長度進一步增加，摩擦力逐步增大，并開始產生摩擦熱，剪切帶也逐漸成形，切削力不斷增大。當切屑開始成形以后，刀、屑之間的接觸長度基本不在變化，切屑不斷平穩(wěn)地產生和流動，切削力也就趨于穩(wěn)定，不再線性增加，切削過程進入穩(wěn)態(tài)階段。整個切削過程中切削力的變化如圖42所示。由于仿真過程畢竟受到計算機硬件條件和軟件計算能力的限制，單元數目不可能無限的多，因此在切削刃周圍的切屑和母體發(fā)生分離時，原本相互作用的單元失去了聯系，切削力就會發(fā)生一定程度的波動，在刀具的前刀面上，切屑與刀具的接觸面積比較大，接觸的單元數目比較多，切屑的分離對切削力(主切削力)的影響不大，而后刀面與工件接觸面積比較小，接觸單元的數目比較少，節(jié)點分離的影響就十分明顯。采用第2章中建立的正交實驗因素的切削條件和刀具尺寸參數，分別進行多次仿真，最終得到如表41所示的切削力結果。圖41 切削過程模擬示意圖圖42和圖43為任意一種切削條件下，形成穩(wěn)定切削后切削力的變化曲線。圖42 切削力隨時間變化曲線圖43 切削力隨模擬步數變化曲線表41為切削力的仿真結果切削速度進給量切削深度FxFyFz14024535046022854594139.640124.157760850619501971501060198114011311245115931713602152374145021651461545214316402174387 不同切削條件下的切削溫度仿真切削熱和切削溫度。直接影響刀具的磨損和使用壽命，并影響工件的加工精度和表面質量。切削熱主要有兩個來源，在刀具的切削作用下，切削層金屬發(fā)生彈性變形和塑性變形，這是切削熱的一個來源。同時切屑與前刀面，工件與后刀面之間消耗的摩擦功，也將轉化為熱能，這是切削熱的另外一個來源。切削熱在產生的同時，又由切屑、工件、刀具以及周圍的介質傳導出去。如果切削熱投有及時地從切屑和工件傳導出去，切削區(qū)溫度就較高，使刀具磨損加快。所以，研究切削熱和切削溫度的產生和變化規(guī)律，是研究金屬切削過程的重要方面。圖44顯示了在形成穩(wěn)定切削時，工件溫度變化的分布情況和最高溫度的顯示。圖44 切削溫度的分布由于在切削機理的理論研究中，工件的最高溫度的變化是影響切削難易程度的和刀具磨損的重要參考因素，所以本文按照表41的仿真次序得出不同切削條件下工件溫度的仿真結果(表42)。表42 切削溫度的仿真結果序號12345678切削溫度608651685761634635764758序號910111213141516切削溫度716734697685768761674636對表42的數據進行分析可知：切削速度對切削溫度有較顯著的影響，隨著切削速度的提高，切削溫度明顯升高。其原因是：當切削速度提高時，單位時間的金屬切除率成正比增多，刀具與工件及切屑間的摩擦加劇，消耗于切削層金屬變形和摩擦的功增加，因而產生大量的切削熱。由于第一變形區(qū)和第二變形區(qū)的熱量向工件和切屑內部傳導需要一定的時間，因此，切削速度增大使切削熱大量地積聚在切屑底層而來不及傳導出去，從而使切削溫度升高。但是，隨著切削速度的提高，單位切削功率和單位切削力有所減小，因此，切削熱和切削溫度不會與切削速度成正比例增加。進給量增大，切削溫度也增大。這是因為進給量增大使單位時間內的金屬切除量增多，消耗的切削功和由此轉化成的熱量也將增加，使切削溫度上升。但隨著進給量的增大，單位切削力和單位切削功率將減小、切除單位體積金屬所產生的熱量也隨之減小。此外，當增大進給量后，切削厚度增大，由切屑帶走的熱量增多，同時切屑與前刀面的接觸長度變長，散熱面積增大。綜合以上幾方面的影響，切削溫度隨進給量的增加而升高，但幅度不如切削速度那樣明顯。切削溫度隨著切削深度的增加而增大，但是溫度增加的不是十分明顯。這是由于當切削深度增加時，產生的熱量成比例的增加，使切削溫度上升；但隨著切削深度的增加，散熱面積也成比例的增加，所以切削深度對切削溫度的影響不大。金屬切削過程建模仿真的目的就是為了研究金屬切削的機理，在實際工作中，為設計機床、刀具、夾具，或者為選擇合理的切削用量提供參考和依據。切削力在切削過程表現出來的物理現象中是最穩(wěn)定，可重復性強，而又簡單易測的物理量。而且切削力是反映切削過程的一個重要指標，它直接決定著切削熱的產生，并影響刀具磨損、破損、使用壽命、工件的加工精度和已加工表面質量。因此，切削力的預報是否與試驗結果吻合，直接決定著仿真模型的可靠性和可信度。將仿真結果和試驗結果進行對比。可以發(fā)現，除了兩者具有共同的發(fā)展趨勢外，切削力的仿真值和試驗值還具有合理的一致性。切削力的平均誤差均在4%左右，最小誤差不到1%；%。除去硬件的原因和人為的操作誤差，這個結果是完全可以接受的。27第5章 車床主軸箱及夾具設計 車床主軸箱的設計 針對鈦合金的切削特點，設計出適合的專用車床。在這里設計主軸箱主要從主傳動系統(tǒng)的運動設計方面進行。主傳動系統(tǒng)的運動設計有:確定極限轉速、確定公比、確定轉速級數、確定結構網和結構式、繪制轉速圖、確定齒輪齒數和擬定傳動系統(tǒng)圖。根據鈦合金的特點，設計主軸的最低轉速nmin=30r/min,最高轉速nmax=1320r/min，變速范圍Rn=nmax/nmin=44。此機床為生產率要求較高的專用機床，減少相對轉速損失是主要的，所以