【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 間或?qū)嶓w內(nèi)部的熱交換分析既可以單獨(dú)求解，也可以藕合在成形模擬中進(jìn)行分析。(6)單步模具應(yīng)力分析方便快捷，適用于多個(gè)變形體、組合模具、帶有預(yù)應(yīng)力環(huán)時(shí)的成形過(guò)程分析。(7)具有FLOWNET和點(diǎn)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(jié)果。(9)自定義過(guò)程可用于計(jì)算流動(dòng)應(yīng)力、沖壓系統(tǒng)響應(yīng)、斷裂判據(jù)和一些特別的列理要求，如：金屬微結(jié)構(gòu)，冷卻速率、機(jī)械性能等。DEFORM3D圖形界面，既強(qiáng)大又靈活，為用戶準(zhǔn)備輸入數(shù)據(jù)和觀察結(jié)果數(shù)據(jù)提移了有效工具。DEFORM3D還提供了3D幾何操縱修正工具，這對(duì)于3D過(guò)程模擬極為重要。DEFORM3D延續(xù)了DEFORM系統(tǒng)幾十年來(lái)一貫秉承的力保計(jì)算準(zhǔn)確可靠的系統(tǒng)。在最近的國(guó)際范圍復(fù)雜零件成形模擬招標(biāo)演算中，DEFORM3D的計(jì)算精度和結(jié)身可靠性，被國(guó)際成形模擬領(lǐng)域公認(rèn)為第一。 DEFORM3D中應(yīng)用加工向?qū)K進(jìn)行車削仿真的基本步驟DEFORM為了方便應(yīng)用，提供了成型分析、加工分析(包括切削和鉆削)等向?qū)В脩糁恍璋聪驅(qū)нM(jìn)行相關(guān)設(shè)置，生成數(shù)據(jù)庫(kù)之后即可對(duì)模型求解。也可進(jìn)入前處理進(jìn)行更詳細(xì)的設(shè)置，如網(wǎng)格密度框。利用加工向?qū)нM(jìn)行的設(shè)置主要步驟有：(1)進(jìn)入DEORM3D主界面。圖 31前處理界面(2)進(jìn)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(jù)實(shí)際情況選擇加工條件、刀具參數(shù)、工件參數(shù)等，從而生成模型的步驟可以利用加工向?qū)е鸩竭M(jìn)行，如圖32所示。在本仿真中切削條件的可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)置(圖33)。最終生成圖34所示的仿真模型。(4)進(jìn)行運(yùn)算。 前處理界面(5)進(jìn)入后處理界面對(duì)刀具和工件進(jìn)行分析。圖 32 仿真模型生成向?qū)? 圖 34 仿真模型圖圖33 切削條件的設(shè)定 DEFORM3D中切削加工過(guò)程有限元模型建立的主要注意點(diǎn) 網(wǎng)格劃分的設(shè)置金屬在塑性加工過(guò)程中，形狀簡(jiǎn)單、規(guī)則的材料經(jīng)過(guò)一系列中間過(guò)程，轉(zhuǎn)變到形狀復(fù)雜的產(chǎn)品，其變形量特別大。除了材料內(nèi)部變形較大外，變形材料與刀具邊界處于動(dòng)態(tài)接觸和脫離的變化過(guò)程中，材料邊界形狀變化也非常大。上面兩種現(xiàn)象的出現(xiàn)，使得在對(duì)初始工件用形狀比較規(guī)則的有限元網(wǎng)格進(jìn)行離散，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的增量加載計(jì)算后，部分網(wǎng)格產(chǎn)生畸變現(xiàn)象，網(wǎng)格出現(xiàn)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(chǎn)生較大的計(jì)算誤差，特別是三角形單元和四面體單元。網(wǎng)格嚴(yán)重扭曲，在進(jìn)行等參變換時(shí)將使雅克比(Jocbaiml)行列式的值出現(xiàn)零或負(fù)值，使計(jì)算難以進(jìn)行下去。另外，利用塑性有限元分析金屬塑性加工問(wèn)題時(shí)，由于網(wǎng)格的畸變，邊界網(wǎng)格有時(shí)會(huì)與刀具表面出現(xiàn)交叉現(xiàn)象。干涉程度嚴(yán)重時(shí)，也將影響計(jì)算精度。因此，對(duì)于涉及大變形的復(fù)雜金屬加工過(guò)程，很難用一成不變的網(wǎng)格把變形過(guò)程模擬到底。為了解決上述問(wèn)題，提高有限元模擬復(fù)雜大變形問(wèn)題的能力，網(wǎng)格變形到一定程度以后，必須停止計(jì)算，重新劃分適合于計(jì)算的網(wǎng)格，然后再繼續(xù)進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于切削這種大的塑性變形問(wèn)題，應(yīng)該采用自適應(yīng)網(wǎng)格重劃分技術(shù)，隨著刀具的進(jìn)給，正在被切削加工的部分應(yīng)一該實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格細(xì)化，而沒(méi)有加工的部位和加工過(guò)的部分，網(wǎng)格應(yīng)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(shí)間以及內(nèi)存的消耗。單元類型的選取對(duì)計(jì)算的精度和效率有很大的影響，對(duì)于切削這種幾何大變形及材料非線性問(wèn)題，我們選取最為簡(jiǎn)單的四個(gè)節(jié)點(diǎn)的四面體單元，這種單元適合自動(dòng)重劃分網(wǎng)格技術(shù)。對(duì)于在DEFORM3D中，實(shí)體都是劃分為四面體單元。如果由其它網(wǎng)格劃分工具劃分好的模型輸入到DEFORM3D中，將不能重劃分網(wǎng)格。 切屑的分離標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定與一般的塑性成型不同，切削加工是一個(gè)使被加工材料不斷產(chǎn)生分離的過(guò)程。一個(gè)合理的分離準(zhǔn)則只有真實(shí)地反應(yīng)切削加工材料的力學(xué)和物理性質(zhì)，才能得到合理的結(jié)果，例如切屑的幾何形狀、切削力、溫度和殘余應(yīng)力分布等。另外，一個(gè)好的分離準(zhǔn)則的臨界值在切削材料確定后，不應(yīng)該隨著切削條件的變化而變化。目前，在有限元模擬中已經(jīng)提出了各種切削的分離準(zhǔn)則，這些準(zhǔn)則可以分為兩種類型：幾何準(zhǔn)則和物理準(zhǔn)則。幾何準(zhǔn)則主要通過(guò)變形體的幾個(gè)尺寸的變化來(lái)判斷分離與否；物理準(zhǔn)則主要是基于制定的一些物理量的值是否達(dá)到了臨界值而建立的。 材料模型的建立對(duì)切削進(jìn)行模擬前，必須獲得金屬材料在真實(shí)切削過(guò)程中隨應(yīng)變、應(yīng)變率和溫度變化的流動(dòng)應(yīng)力數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)必須真實(shí)反映高應(yīng)變率（有的甚至高達(dá)106/s），高溫(1000℃以上)和大應(yīng)變(應(yīng)變4以上)下的材料本構(gòu)行為。目前對(duì)于材料在切削狀況下的本構(gòu)關(guān)系的研究并不多，一方面是因?yàn)樽霾牧显囼?yàn)比較復(fù)雜和昂貴，另一方面是因?yàn)橐话愕脑囼?yàn)只能提供有限應(yīng)變率(10000/s)和應(yīng)變()的材料數(shù)據(jù)，因此很多研究都基于己有的材料本構(gòu)模型來(lái)展開(kāi)的。采用已有的材料本構(gòu)模型只能在一定程度上反映切削模擬的真實(shí)性，本文中使用的就是DEFORM3D材料庫(kù)中自帶的Ti6Al4V。 速度邊界條件的確定切削加工時(shí)，刀具是固定的，工件旋轉(zhuǎn)，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(lái)模擬。在模擬中，我們假定工件是固定不動(dòng)的，刀具以一定的切削速度作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在模擬中，沒(méi)有設(shè)置把力作為固定工作的條件，一是切削力等都沒(méi)有確定，不好確定力的大小，二是增加固定力會(huì)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(shè)置為零，工件的前端面Y方向的速度設(shè)置為零，這樣工件在三個(gè)方向上都被固定了。刀具的切削速度設(shè)置為沿Y軸方向，具體數(shù)值以實(shí)際情況而設(shè)定。 時(shí)間步長(zhǎng)的確定金屬切削過(guò)程是工件和刀具相互作用的過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，刀具不斷地?cái)D壓和剪切工件，使工件在高溫、高速下產(chǎn)生塑性變形；反過(guò)來(lái)，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(guò)程中，工件以及切屑和刀具接觸是動(dòng)態(tài)變化的。在工件發(fā)生塑性變形過(guò)程的任一瞬時(shí)，工件外表面可以分為自由表面和接觸表面兩個(gè)部分，自由表面上的質(zhì)點(diǎn)由于塑性變形會(huì)與刀具表面接觸，而接觸表面質(zhì)點(diǎn)也可能會(huì)與刀具表面分離。兩者的變化形成了工件與刀具的動(dòng)態(tài)接觸表面。剛塑性有限元采用增量法求解大變形問(wèn)題，是以增量加載(變形)過(guò)程來(lái)逼近連續(xù)塑性變形過(guò)程的實(shí)際規(guī)律。具體地說(shuō)，先把整個(gè)連續(xù)變形過(guò)程分為若干增量區(qū)間，在每個(gè)增量區(qū)間內(nèi)近似為準(zhǔn)靜態(tài)變形處理，即以上一增量步求解結(jié)果(如工件外形、接觸邊界、應(yīng)變狀態(tài)、溫度場(chǎng)等)作為本增量區(qū)間的分析考慮初始狀態(tài)，并認(rèn)為各瞬態(tài)場(chǎng)量(如速度場(chǎng)、應(yīng)變率場(chǎng)等)在該區(qū)間內(nèi)恒定不變，一旦獲得收斂的速度場(chǎng)，則可根據(jù)該增量區(qū)間長(zhǎng)度(增量步長(zhǎng))調(diào)整各狀態(tài)量，如此反復(fù)直至變形過(guò)程結(jié)束。增量步長(zhǎng)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(shí)間步長(zhǎng)和等時(shí)間步長(zhǎng)的混合使用。本仿真中等時(shí)間步長(zhǎng)中按照每一步刀具前進(jìn)的距離進(jìn)行設(shè)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(yīng)地其評(píng)價(jià)指標(biāo)也有很多種。在眾多指標(biāo)中，切削力、切削溫度是反映材料切削性能的主要指標(biāo)，在科研生產(chǎn)中也是最為常用的，特別是在鈦合金的切削中，這幾個(gè)指標(biāo)尤為重要。同時(shí)這幾個(gè)指標(biāo)中最為重要的是切削力。在切削過(guò)程中，切削力直接決定著切削熱的產(chǎn)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(zhì)量等。在生產(chǎn)中，切削力是計(jì)算切削功率，制定切削用量，監(jiān)控切削狀態(tài)，設(shè)計(jì)和使用機(jī)床、刀具、夾具的必要依據(jù)。因此，研究切削力的規(guī)律和計(jì)算方法，分析切削溫度和刀具應(yīng)力的大小有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。 不同切削條件下的切削力仿真圖41顯示了切削過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬過(guò)程，也顯示了切屑的形成過(guò)程，即刀具自左向右水平勻速運(yùn)動(dòng)，切屑與工件在刀具的作用下分離，產(chǎn)生的切屑發(fā)生彎曲變形直切屑從工件上切除。模擬過(guò)程與實(shí)際的切削過(guò)程一樣，也分為初始和穩(wěn)態(tài)的過(guò)程。當(dāng)?shù)毒叱跏记腥霑r(shí)，材料的塑性變形隨著刀具的向前推進(jìn)而不斷增大，刀．屑接觸長(zhǎng)度進(jìn)一步增加，摩擦力逐步增大，并開(kāi)始產(chǎn)生摩擦熱，剪切帶也逐漸成形，切削力不斷增大。當(dāng)切屑開(kāi)始成形以后，刀、屑之間的接觸長(zhǎng)度基本不在變化，切屑不斷平穩(wěn)地產(chǎn)生和流動(dòng)，切削力也就趨于穩(wěn)定，不再線性增加，切削過(guò)程進(jìn)入穩(wěn)態(tài)階段。整個(gè)切削過(guò)程中切削力的變化如圖42所示。由于仿真過(guò)程畢竟受到計(jì)算機(jī)硬件條件和軟件計(jì)算能力的限制，單元數(shù)目不可能無(wú)限的多，因此在切削刃周圍的切屑和母體發(fā)生分離時(shí)，原本相互作用的單元失去了聯(lián)系，切削力就會(huì)發(fā)生一定程度的波動(dòng)，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(shù)目比較多，切屑的分離對(duì)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(shù)目比較少，節(jié)點(diǎn)分離的影響就十分明顯。采用第2章中建立的正交實(shí)驗(yàn)因素的切削條件和刀具尺寸參數(shù)，分別進(jìn)行多次仿真，最終得到如表41所示的切削力結(jié)果。圖41 切削過(guò)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(shí)間變化曲線圖43 切削力隨模擬步數(shù)變化曲線表41為切削力的仿真結(jié)果切削速度進(jìn)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(zhì)量。切削熱主要有兩個(gè)來(lái)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(gè)來(lái)源。同時(shí)切屑與前刀面，工件與后刀面之間消耗的摩擦功，也將轉(zhuǎn)化為熱能，這是切削熱的另外一個(gè)來(lái)源。切削熱在產(chǎn)生的同時(shí)，又由切屑、工件、刀具以及周圍的介質(zhì)傳導(dǎo)出去。如果切削熱投有及時(shí)地從切屑和工件傳導(dǎo)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(chǎn)生和變化規(guī)律，是研究金屬切削過(guò)程的重要方面。圖44顯示了在形成穩(wěn)定切削時(shí)，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(jī)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(jié)果(表42)。表42 切削溫度的仿真結(jié)果序號(hào)12345678切削溫度608651685761634635764758序號(hào)910111213141516切削溫度716734697685768761674636對(duì)表42的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知：切削速度對(duì)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(dāng)切削速度提高時(shí)，單位時(shí)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(chǎn)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(nèi)部傳導(dǎo)需要一定的時(shí)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(lái)不及傳導(dǎo)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(huì)與切削速度成正比例增加。進(jìn)給量增大，切削溫度也增大。這是因?yàn)檫M(jìn)給量增大使單位時(shí)間內(nèi)的金屬切除量增多，消耗的切削功和由此轉(zhuǎn)化成的熱量也將增加，使切削溫度上升。但隨著進(jìn)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(chǎn)生的熱量也隨之減小。此外，當(dāng)增大進(jìn)給量后，切削厚度增大，由切屑帶走的熱量增多，同時(shí)切屑與前刀面的接觸長(zhǎng)度變長(zhǎng)，散熱面積增大。綜合以上幾方面的影響，切削溫度隨進(jìn)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(dāng)切削深度增加時(shí)，產(chǎn)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(duì)切削溫度的影響不大。金屬切削過(guò)程建模仿真的目的就是為了研究金屬切削的機(jī)理，在實(shí)際工作中，為設(shè)計(jì)機(jī)床、刀具、夾具，或者為選擇合理的切削用量提供參考和依據(jù)。切削力在切削過(guò)程表現(xiàn)出來(lái)的物理現(xiàn)象中是最穩(wěn)定，可重復(fù)性強(qiáng)，而又簡(jiǎn)單易測(cè)的物理量。而且切削力是反映切削過(guò)程的一個(gè)重要指標(biāo)，它直接決定著切削熱的產(chǎn)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(zhì)量。因此，切削力的預(yù)報(bào)是否與試驗(yàn)結(jié)果吻合，直接決定著仿真模型的可靠性和可信度。將仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比?？梢园l(fā)現(xiàn)，除了兩者具有共同的發(fā)展趨勢(shì)外，切削力的仿真值和試驗(yàn)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(gè)結(jié)果是完全可以接受的。27第5章 車床主軸箱及夾具設(shè)計(jì) 車床主軸箱的設(shè)計(jì) 針對(duì)鈦合金的切削特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出適合的專用車床。在這里設(shè)計(jì)主軸箱主要從主傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)方面進(jìn)行。主傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)有:確定極限轉(zhuǎn)速、確定公比、確定轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)、確定結(jié)構(gòu)網(wǎng)和結(jié)構(gòu)式、繪制轉(zhuǎn)速圖、確定齒輪齒數(shù)和擬定傳動(dòng)系統(tǒng)圖。根據(jù)鈦合金的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)主軸的最低轉(zhuǎn)速nmin=30r/min,最高轉(zhuǎn)速nmax=1320r/min，變速范圍Rn=nmax/nmin=44。此機(jī)床為生產(chǎn)率要求較高的專用機(jī)床，減少相對(duì)轉(zhuǎn)速損失是主要的，所以