【正文】 最大切削溫度的增大，切削溫度到達穩(wěn)態(tài)的所需時間越長，104s，103s，但是增長曲線表現(xiàn)得更平滑。這是因為這一區(qū)域主要是變形發(fā)熱，受工件材料和切削速度等條件影響較大。第一變形區(qū)內(nèi)的切削溫度和分布范圍大致相同，沒有隨W而出現(xiàn)明顯改變，切削溫度大致維持在120至137176。C，176。切削溫度隨著倒棱投影長度W的增加而增加，176。C，所以切削最低溫度為室溫，最高溫度則各個倒棱投影長度都有所不同。 由于網(wǎng)格圖不夠清晰，我將切削溫度區(qū)域用線條的形式表示出來，得到了圖41的線圖。和45176。我選擇以倒角角度A=20176。模擬完成后，進入后處理模塊查看結(jié)果，相對應(yīng)的結(jié)果以圖形形式輸出：其中切削溫度和有效應(yīng)變采用線圖和曲線圖結(jié)合的形式；有效應(yīng)力和有效應(yīng)變率采用曲線圖的形式。本章中，主要分析在倒角角度固定的情況下，改變倒棱投影長度W，對于切削參數(shù)的影響。 在每次實驗中，我將記錄下切削過程中的工件有效應(yīng)變、工件有效應(yīng)變率、工件切削溫度和切削力四個有特點的數(shù)據(jù)來分析，不記錄其它的切削因素，如：刀具磨損、摩擦力等。的無倒角刀具切削數(shù)據(jù)，最終將一共有10組數(shù)據(jù)作為分析研究的依據(jù)。由于W和A范圍較廣，這樣的選擇還是有許多遺漏，不能代表所有的倒角刀具的特點，但是由于時間和能力上的限制，對所有情況進行模擬實驗是不可能的，通過選擇最大和最小值以及中間值，也保證了一定得變化梯度和連貫性，使所得數(shù)據(jù)能夠盡量反映大部分的倒角刀具切削過程情況。、30176。為了能夠有效率地模擬分析倒角刀具的切削情況，我從中選擇了有代表性的W和A的值：W取0mm；對于倒角A,我選擇了0176。—45176。所以，為了分析出倒角刀具對于切削過程的影響，必須要改變W和A的數(shù)值，通過它們的變化我們可以直觀地發(fā)現(xiàn)倒角刀具幾何參數(shù)與其它切削變量的關(guān)系，以及倒角刀具與無倒角刀具的不同。刀具看成理想剛性，沒有變形磨損，僅考慮刀具上發(fā)生地?zé)醾鬟f。在圖33中，顯示了已經(jīng)切削了一段的有限元模型狀態(tài)，可以看到網(wǎng)格被重新劃分，疏密程度與最初的時候不同。刀具劃分1000個平面應(yīng)變單元；工件形狀截面為3mm2mm矩形，初始時劃分為3000個平面應(yīng)變單元。網(wǎng)格數(shù)目過多或者過少都不利于有限元的模擬計算，可根據(jù)零件變形情況，適當?shù)念A(yù)設(shè)定網(wǎng)格數(shù)目，并對變形劇烈的區(qū)域預(yù)先實行細劃分，可大大減少計算時間[20]。表31 AISI1020鋼成分成分CMnPS含量(%)——對復(fù)雜的工藝過程進行模擬，模擬的時間會達幾個星期甚至幾個月，是很不經(jīng)濟的。 圖31 刀具結(jié)構(gòu)圖（2） 切削速度：Vc =1000mm/sec,切削深度h =，進給量f =，切削室溫T =20176。三個數(shù)值，、并且還會另外模擬一次鋒利刀具的切削情況，作為W=0mm和A=0176。、30176。；刀刃形狀由W和A兩個參數(shù)決定，其中A為倒棱與前刀面的夾角，W為倒棱在進給方向上的投影長度。后角C =10176。第三章 倒角刀具切削過程有限元建模 為了能夠最大程度地得到符合實際情況的模擬數(shù)據(jù)，在參考了切削研究的相關(guān)文獻后，我選定了幾組常用切削參數(shù)，模擬實驗采用的切削條件如下： （1）模擬實驗時假設(shè)刀具為理想剛性，材料選用WC。（2）熱處理、退火、淬火、回火、滲碳等工藝過程、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。主要功能[19]:DEFORM用來分析變形、傳熱、熱處理、相變和擴散之間復(fù)雜的相互作用，在各種現(xiàn)象之間相互耦合。DEFORM分為DEFORM2D和DEFORM3D兩個兄弟軟件，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。(8)若預(yù)定變形未完成，則重復(fù)(3)~(7)步，直到變形結(jié)束。(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。(3)計算各單元剛度矩陣和殘余力向量，并進行斜約束處理。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動和邊界條件等各方面的信息。目的是揭示結(jié)點外荷載與結(jié)點位移的關(guān)系，需要建立起一個線性方程組，從而用來求解結(jié)點位移。分析有限元單元根據(jù)模擬條件和情況，建立式子來表達各個單元的結(jié)點位移和結(jié)點力之間的關(guān)系。其次，進行適當?shù)膯卧獎澐?，包括單元?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。具體的分析過程如下: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)體的形狀來進行選擇。并對每個單元根據(jù)分塊近似的思想，假設(shè)一個簡單的函數(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)點力與位移之間的力學(xué)特性關(guān)系，得到一組以結(jié)點位移為未知量的代數(shù)方程，從而求解結(jié)點的位移分量。 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，把一個完整的物體分割成有限個單元所組成的組合體，這些有限個的單元相互關(guān)聯(lián)又彼此獨立，它們之間通過結(jié)點來達到連接和制約。刀具本身也會受熱膨脹，致使切削時的實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會特別突出。一般來說，切削溫度是指前刀面和切屑接觸區(qū)域的平均溫度。圖26 切削熱的產(chǎn)生與傳導(dǎo)在切削過程中，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。因此，切削時共有三個發(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]。在前面我們已經(jīng)知道，被切削的金屬在刀具的作用下會發(fā)生塑性變形，這是切削熱的一個重要來源。切削時所消耗的能量，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]。圖25 切削力來源切削熱是切削過程中必須考慮的一個重要的物理因素，因為切削溫度能夠改變前刀面上的摩擦系數(shù)，改變工件材料的性能，影響已加工表面質(zhì)量的提高。在本文中，切削力也是一個重要的實驗分析數(shù)據(jù)，將用來分析不同倒角參數(shù)在切削中的切削性能。圖24 切削刀具的參考平面金屬切削時，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。 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的表面；副后刀面（Aa’）：與已加工表面相對的表面；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?shù)膮⒖计矫鎭碜鳛樽鴺嘶A(chǔ)。（2）進給運動 是主運動能夠繼續(xù)切除工件上多余的金屬，以便形成工件表面所需的運動，稱為進給運動，它消耗的功率比主運動要小。圖22 金屬切削過程示意圖切削過程是工件和刀具相互作用的過程，刀具在切削中去除一部分的金屬，往往是通過兩種運動：（1）主運動 是工件和刀具產(chǎn)生相對運動以進行切削的最基本運動。根據(jù)上述的變形過程，塑性金屬的切削過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。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]。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進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。（4） 探討倒角刀刃在切削過程中的切削情況，利用所得的實驗數(shù)據(jù)來分析其幾何參數(shù)變化對于切削過程的影響，研究造成這種影響的原因及影響的因素。（2） 初步了解有限元理論，建立正確的倒角刀刃切削模型，并能對切削過程進行有限元模擬，獲得相應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)以供分析。主要的研究目標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倒角刀刃切削過程進行有限元模擬，獲得切削過程中的切削力、切削溫度等參數(shù)，并分析所得參數(shù)對于現(xiàn)實機械加工工藝的意義。對于倒角刀刃的有限元法模擬，國內(nèi)外的研究還比較少，對于它的切削過程了解也不多，所以本論文將通過DEFORM—2D軟件采用有限元法對倒角刀刃切削過程進行模擬，了解其切削過程，分析其倒角刀刃幾何參數(shù)對切削力、切削溫度等因素的影響，為刀具的實際選擇提供一定得理論依據(jù)。而出現(xiàn)磨損的刀刃不但會嚴重影響加工的尺寸精度，也會影響已加工表面的質(zhì)量。利用有限元模擬方法能夠方便地再現(xiàn)各種工藝參數(shù)對切削過程的影響，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用的手段。對刀具幾何結(jié)構(gòu)(前角，后角和斷屑槽等)進行優(yōu)化設(shè)計，進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。由于傳統(tǒng)的研究方法難以定量分析切削機理，一旦面對高速、超精密切削加工等工藝，實驗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)品的市場競爭力。對于本科生來說，自己編寫一個基于考慮某幾個因素的有限元程序幾乎不可能在有效時間內(nèi)完成，更別提再用其進行相應(yīng)的分析研究了，所以有效地應(yīng)用現(xiàn)有的軟件進行切削數(shù)值仿真就顯得尤為重要，現(xiàn)在的許多商用軟件都提供了這個平臺，本論文將主要使用DEFORM2D來實現(xiàn)切削過程的有限元模擬。以上學(xué)者們的研究各有特點，都是考慮了加工過程的某個或某幾個因素，并且在自己研究成果的基礎(chǔ)上編寫了相應(yīng)的有限元程序。2009年李澤文、羅洪波、端正強和肖華軍[15]對三角形刀片的切削過程進行了有限元分析，獲得了不同切削用量對切削力、切削溫度、刀片應(yīng)力的影響，以選擇合理的切削用量來延長刀具壽命。2006年華南理工大學(xué)的何振威、全燕鳴和樂有樹[14]用DEFORM2D軟件建立了典型的正交切削模型，研究了高速切削中切削熱在切屑、工件和刀具部分的量化分配規(guī)律。采用增量步移動刀具的方法，結(jié)合有限元分析軟件MARC的網(wǎng)格重劃分功能，模擬了刀具從初始切入到切削溫度達到穩(wěn)態(tài)的切削加工過程，獲得了不同切削深度和切削速度下的切屑形態(tài)、溫度、應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變速率的分布。2004年合肥工業(yè)大學(xué)的謝峰和劉正士[11]有限元法及彈塑性變形理論對二維金屬切削的變形過程進行有限元分析，指出了金屬由彈性變形到塑性變形時單元剛度矩陣變化的規(guī)律。2003年方剛和曾攀[9]針對典型的正交切削工藝建立了平面應(yīng)變模型，應(yīng)用DERORM2D軟件對所建模型進行有限元分析，并將部分結(jié)果與文獻中的介紹實驗結(jié)果做了比較，發(fā)現(xiàn)兩個結(jié)果吻合，證明了應(yīng)用商業(yè)軟件對切削過程進行有限元模擬分析的可靠性。1960年Clough[7]在他的論文“平面分析的有限元法（The Finite Element Method in Plane Stress Analysis）”中最先引入了有限元（Finite Element）這一術(shù)語，一提出就引起了廣泛的關(guān)注。國內(nèi)外的研究者在有限元分析法上都做了細致的研究，取得了很多卓越的成果，可也還是留下了一些發(fā)展的空間，讓我們后人去探索。有限元法有著強大的應(yīng)用能力，可以包含幾乎所有金屬切削過程的各個方面，可以同時解決在刀—屑接觸面摩擦的應(yīng)力平衡方程、應(yīng)力—應(yīng)變增量關(guān)系式、熱傳導(dǎo)方程、材料本構(gòu)方程和應(yīng)力特性方程。研究該領(lǐng)域的學(xué)者，都傾向于應(yīng)用有限元進行切削過程分析建模，有限元法的優(yōu)點是讓計算機能夠自動模擬整個切削的復(fù)雜過程。本文將采用有限元法研究切削過程中刀具倒角幾何參數(shù)的變化對整個切削過程的影響。通過應(yīng)用有限元軟件進行仿真模擬分析得出的數(shù)據(jù)與通過實驗得到的數(shù)據(jù)基本吻合，說明仿真模擬具有很高的可靠性，可以作為研究設(shè)計的依據(jù)。隨著計算機仿真技術(shù)在機械制造行業(yè)中應(yīng)用范圍的不斷擴展，一些學(xué)者將其引入到切削加工領(lǐng)域，從而形成了仿真技術(shù)，使得利用有限元仿真方法來研究切削加工過程以及各種參數(shù)之間的關(guān)系成為可能。但研究切削過程也是一個非常復(fù)雜的課題，它不但涉及到多個學(xué)科的理論知識；切削的質(zhì)量又受到刀具幾何參數(shù)、工件材料、溫度分布、應(yīng)力和刀具磨損等影響；在切削加工中，切削表面的殘余應(yīng)力和殘余應(yīng)變又能嚴重影響了工件的精度和疲勞壽命。而一個產(chǎn)品的加工精度高低、質(zhì)量好壞取決于整個加工系統(tǒng)的性能，不是單一依靠某個環(huán)節(jié)的，包括了機床、夾具、刀具等。 in the cutting process, chamfer edge is more port than sharp edge to cutting rigid workpiece.Keyword:chamfer edge, finite element simulation, cutting process 目 錄摘 要 IAbstract II第一章 緒論 1 1 意義 3 4第二章 理論基礎(chǔ) 5 5 9 DEFORM2D軟件簡介 11第三章 倒角刀具切削過程有限元建模 12 12 13 14第四章 倒棱投影長度變化的模擬實驗數(shù)據(jù)和分析 16 16 16 19 19 22 28第五章 倒角角度變化的模擬實驗數(shù)據(jù)和分析 29 29 31 32 35 40第六章 無倒角刀具與倒角刀具的對比分析 41 41 43結(jié) 論 45參考文獻 46附 錄 48致 謝 50第一章 緒論切削加工是機械加工制造應(yīng)用