【文章內(nèi)容簡介】 以及產(chǎn)生機理。 圖2－2切削力的分解在實際切削過程中，刀具與工件之間的力，方向其實并不是總能如假設(shè)那樣恒定不變，但是在理論研究和分析實驗結(jié)果時，為了便于分析計算，我們通常將切削合力進行分解，分解方向可分為三個：切削主運動方向、進給方向、切深方向，如圖2－2所示，分別為圖中的主切削力，進給力，背向力。即： （2－1）由現(xiàn)有的切削研究結(jié)論規(guī)律，我們已知了由切削合力分解來的三個分力中，主切削力是最大的，進給力次之，背向力是最小的。在實際應用中，主切削力是設(shè)計和使用刀具的主要依據(jù)，此外，主切削力還被用來校核床以及夾具里主要零部件的強度、剛度和機床的電機功率等等。背向力在實際切削過程中并不消耗功率，但是它會對被加工零件的變形以及加工質(zhì)量產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。進給力主要作用于機床的進給系統(tǒng)，它一般被用來校核機床進給系統(tǒng)里各個主要零部件的剛度和強度。切削過程中，除了要分析刀具上的力，還要分析作用在切屑上的力，下面以圖2－3為模型，分析切削過程中切屑上的力。 圖2－3切屑的受力分析切削過程的本質(zhì)是刀具與被切削材料發(fā)生相對位移，在這個過程中，切屑層會受到刀具給予的法向力和刀具前刀面與切屑層下底面的摩擦力，同時，切屑層在塑性變形時，會產(chǎn)生剪切力，如圖2－3中(a)圖所示，在這幾個力的作用下，使得切屑層與工件分離并發(fā)生彎曲，從而完成切屑與工件的分離。在圖2－3的（b)中，體現(xiàn)了剪切角與刀具前角的關(guān)系，同時，摩擦角也會對剪切角起到?jīng)Q定作用。根據(jù)材料力學平面應力狀態(tài)理論: （2－2） 即： （2－3）由上式可知，切削過程中，若前角增大，則剪切角也隨之增大，變形減小，這表明，在切削刃強度能得到保證的前提下，增大刀具前角可減少切削變形，對改善切削過程是有利的。與此同時，我們還能看出，摩擦角增大時，剪切角會變小，這說明，切削過程中，刀具與切屑之間的摩擦是會對切削性能產(chǎn)生影響的，因此，在對金屬切削的研究中，如何改善這一現(xiàn)象帶來的影響，一直是不可忽視的重點。在論文前面，討論了金屬切削時的應力場，然而，切削過程中的另一個同樣非常的物理現(xiàn)象也是必須考慮的，那就是切削熱和切削溫度，切削過程中的切削溫度會直接對刀具及工件產(chǎn)生很大的影響，其中包括刀具的磨損和使用壽命，以及工件的加工精度和工件已加工表面的質(zhì)量等。隨著金屬切削成為機械加工的主流方法之一，對切削溫度的研究更是顯得尤為重要。金屬切削過程中的溫度場是指被加工工件材料內(nèi)部的溫度分布情況和刀具表面的溫度分布情況以及切屑的溫度分分布情況。根據(jù)金屬切削過程中三個變形區(qū)的定義，可將其分成三個部分，即：剪切區(qū)溫度分布；切屑底層與前刀面的接觸區(qū)溫度分布；已加工表面與刀具后刀面的接觸區(qū)溫度分布。熱的產(chǎn)生是由做功引起的，在金屬切削中也是如此，前面提到了切削力來源于刀具，那么在研究切削溫度時，其來源依舊是來源于刀具對工件做功，根據(jù)實際切削情況，及已有的研究結(jié)論，切削過程中切削熱的產(chǎn)生和傳出由三部分組成，如圖2－4所示。 圖2－4切削熱的產(chǎn)生與傳出這三部分由切屑層塑性變形，切屑底面與前刀面摩擦，后刀面與已加工表面摩擦組成，后兩者屬于同一類型，都是摩擦做功，因此在研究的時候?qū)⑵錃w為一類一起考慮，所以我們將整個做功過程分為兩部分：(1) 切削過程中，刀具使金屬材料（工件）發(fā)生彈性變形和塑性變形時所做的功，我們稱之為變形功。(2) 切削過程中，克服切屑與前刀面之間以及工件已加工表面與后刀面之間的摩擦所做的功，我們稱之為摩擦功。在實際切削中，切削材料是多樣化的，因此在研究切削熱時，也會有一些差異。被切削材料為塑性材料時，就如上面的圖例一樣，其切削熱主要來源于摩擦功和切削過程中材料的塑性變形。當被切削材料為脆性材料時，因為材料產(chǎn)生的塑性變形很小，幾乎可以忽略，所以其切削熱主要就只來源與摩擦功。切削過程中，單位時間里產(chǎn)生的切削熱可用如下公式表示： （2－4）式中,為切削時產(chǎn)生的熱量（），為主切削力（），為切削速度（）。在切削熱產(chǎn)生后，這些熱量會通過工件、切削和刀具以及周圍的介質(zhì)向溫度比較低的地方傳遞。在切削過程中，具體的溫度場分布情況，本文會在后面的章節(jié)建立有限元分析模型來具體分析，從而得到在切削過程中，溫度的分布情況。第三章 金屬切削過程的有限元建模與分析在ANSYS中，給用戶提供了很方便的操作界面，在文章前面已給出了ANSYS的有限元分析流程，第一步便是建立幾何模型，在本文中將金屬切削過程簡化為二維模型進行分析，其幾何模型如圖3－1所示。 圖3－1 切削分析的平面模型圖3－1為切削分析的平面模型，該模型由加工的工件、切屑和刀具三部分組成。其幾何尺寸如下：，，，刀具前角，刀具后角。在ANSYS軟件中建立好幾何模型后，如下圖所示： 圖3－2 ANSYS中的平面幾何模型在本實例中，我選用的刀具材料為YT15硬質(zhì)合金，工件的材料為45號鋼，需要用到的材料屬性如下表： 表3－1材料參數(shù)表參數(shù)材料刀具－YT15硬質(zhì)合金工件 －45鋼密度（）彈性模量（）550210泊松比室溫(）30比熱（）502466熱導率（）7256摩擦系數(shù)熱膨脹系數(shù)表面對流系數(shù)（）100300實例中的工件材料模型為45鋼，在切削過程中，材料發(fā)生塑性變形后的應力應變關(guān)系應符合線性等向強化模型，其中屈服應力為400，切線模量為15 。根據(jù)金屬切削的實際情況，工件與切屑的斷裂應為型開裂，即張開型裂紋：裂紋受垂直于裂紋面的拉應力的作用，使裂紋面產(chǎn)生張開位移。如圖3－3 中的所示。 圖3－3 裂紋類型 因此，切屑與工件之間的粘結(jié)區(qū)模型只需要提供三個參數(shù):最大法向接觸應力360，,人工阻尼為5E4。在這個有限元模型的建立中，粘結(jié)區(qū)的創(chuàng)建是一個重點，由于在現(xiàn)有的ANSYS中，暫不支持該種材料模型的GUI操作，我采用了輸入命令流的形式，采用的粘結(jié)區(qū)定義命令為：TB,CZM,3,2,CBDD。通過這種方法，可以將需要的三個參數(shù)成功定義，命令流為：TB,CZM,3,2,CBDD TBDATA,1,360E6,0,0,5E4,建立有限元模型時，首先要選擇單元類型，單元的選擇在有限元分析中是很重要的一個步驟，在ANSYS中，單元類型是根據(jù)研究對象不同的力學性能來定義的，本論文建立的是二維正交金屬切削模型，故選用PLANE182平面單元，并將其設(shè)置為平面應變。與之相對應的，在定義切屑與工件之間的粘結(jié)時，選用適用于平面單元分析的接觸單元CONTA171單元和目標單元TARGE169單元。按照表3－1中的材料參數(shù)建立材料模型，在單獨分析金屬切削過程的應力場時，只需用到表中刀具和工件材料的彈性模量、泊松比以及工件材料的屈服應力和切線模量。定義好材料屬性參數(shù)后，便可以進行網(wǎng)格劃分了。網(wǎng)格劃分是有限元模型建立中至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)，網(wǎng)格的數(shù)量與質(zhì)量會對有限元分析的精度產(chǎn)生很大的影響，更甚者，網(wǎng)格劃分得不合理還有可能導致分析的失敗。理論上來說，網(wǎng)格劃分的越精細，得到的分析結(jié)果也會越精細，但是，這對存儲空間及計算機的性能都會有更高的要求，其計算量也是劇增，所以，最合理的劃分方式，應該是在保證必要的分析精度基礎(chǔ)上，網(wǎng)格疏一些，使得整體網(wǎng)格數(shù)量少一些，便于計算分析。在本文中，我結(jié)合建立的幾何模型，在保證分析精度的前提下，把網(wǎng)格數(shù)量降到了最少，便于后續(xù)的分析。 完成網(wǎng)格劃分后的圖形如圖3－4所示。 圖3－4 金屬切削有限元模型網(wǎng)格劃分圖在分析金屬切削的應力場時，需要創(chuàng)建3對接觸，分別是：（1） 工件與切削之間的接觸，這一對接觸在前面設(shè)置了兩者的接觸后，便會自動生成為一個接觸對。（2） 切屑層底面與刀具前面之間的接觸。（3） 工件已加工表面與刀具后刀面之間的接觸?；诒緦嵗秊槎S金屬切削模型，所以在定義接觸對時，設(shè)置目標面均為（Lines) ,設(shè)置目標單元類型為柔性體（Flexibe),接觸單元類型為面面（SurfacetoSurface)接觸。在此單獨考慮應力場，故摩擦因數(shù)定義為0。完成接觸對的定義后，可通過接觸定義面板查看所建立的接觸對并能對其進行修改，如圖3－5所示。 圖3－5 接觸設(shè)置面板圖1. 設(shè)置分析類型ANSYS中，根據(jù)分析目的及材料性能的差異，提供了多種分析類型，如靜力分析、模態(tài)分析，諧響應分析 、瞬態(tài)動力分析，譜分析等 ，在模擬金屬切削過程時，應選用的分析類型