金屬切削過程中刀具熱變形對加工精度的影響

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1、機(jī)械設(shè)計與制造第11期218MachineryDesign&Manufacture2008年11月文章編號：1001—3997(2008)11—0218—03金屬切削過程中刀具熱變形對加工精度的影響胡旭林(長春工業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)學(xué)院，長春130012)ThenumericalsimulationanalysisoftoolsstressintheprocessofmetalcuttingHUXu—lin(ChangchunUniversityofTechnology，Changchun130012，China)【摘要】基于數(shù)值模擬技術(shù)，借助

2、于大型通用有限元軟件ANSYS，成功地模擬出了金屬切削過程中的切削力、切削熱產(chǎn)生變形等問題。再通過有限元后處理結(jié)果來驗證與理論分析的合理性和正確}生。關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬；ANSYS；切削熱；熱變形【Abstract】Adoptingthetechniqueofnumericalvaluesimulation，accordingtousingthesANSYSwegotthecuttingforce，cuttingformingandthequestionofdistortioninthecourseofmetalcutting．Thenva

3、lidatetherationali~andcorrectnessofthetheoryanalysisbythepostprocessorresultsofansys／s．Keywords：Numericalsimulation；ANSYS；Cuttingheat；Heatdistortion中圖分類號：TH16，O241．82文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A1引言料不必輸人應(yīng)力—應(yīng)變曲線。而工件材料渤由瑚于在鋤切蜘削伽過程中既舳有0彈性變形，又有塑性變形，所以必須建立一個正確的應(yīng)力～應(yīng)變計算機(jī)技術(shù)是當(dāng)代發(fā)展最迅速的一門學(xué)科，由于它和現(xiàn)代數(shù)關(guān)系才能完成以

4、上過程。選取工件材料為45#鋼，其彈性模量E學(xué)，力學(xué)及新的計算方法的結(jié)合，出現(xiàn)了一門廣泛吸收現(xiàn)代數(shù)學(xué)，=209GPa，泊松比／x=0．269，極限應(yīng)力o'b=520MPa，屈服應(yīng)力=力學(xué)等學(xué)科的理論基礎(chǔ)，并借助于計算機(jī)技術(shù)而發(fā)展起來的-i'q377MPa，極限變形26％，屈服應(yīng)變：1600~E。根據(jù)以上分析的新型的學(xué)科—數(shù)值模擬技術(shù)。通過這項技術(shù)，可對許多工程中的材料模型，其應(yīng)力—應(yīng)變曲線，如圖1所示。實(shí)際問題進(jìn)行數(shù)值仿真，從而加快了設(shè)計的速度，提高了設(shè)計的可靠性。這項技術(shù)工程上也稱之為虛擬技術(shù)。近年來，該技術(shù)在工程中的許多領(lǐng)域得到了廣泛

5、應(yīng)用和推廣，是現(xiàn)代工程學(xué)形成和發(fā)展的重要推動力。山0數(shù)值模擬技術(shù)是虛擬設(shè)計的核心技術(shù)，工程中常用的數(shù)值模妖擬技術(shù)有：有限單元法、邊界元法、離散單元法和有限差分法，但就其實(shí)用性和應(yīng)用的廣泛性而言，有限單元法是最常用的。近年來，有限元分析技術(shù)在計算機(jī)技術(shù)發(fā)展的推動下不斷發(fā)展，有力應(yīng)變促進(jìn)了虛擬設(shè)計技術(shù)的推廣和應(yīng)用。本研究就是應(yīng)用大型通用有圖1直角自由切削有限元模型限元軟件ANSYS成功地模擬出了金屬切削過程中的熱應(yīng)力、熱對于二維自由直角切削，我們建立了平面圖形的有限元模變形、切屑形成及分離等問題。型，如圖2所示。2建模與計算2．1建立有限元模

6、型在金屬切削過程中，材料模型既有彈性變形，又有塑性變形。被剪切工件材料由彈性變形到塑性變形，最后脫離已加工表面形成切屑，整個過程是一個非常復(fù)雜的非線性問題。因此，就材料的非線性而言，我們要考慮其屈服準(zhǔn)則、流動準(zhǔn)則(本構(gòu)方程)、強(qiáng)化準(zhǔn)則。本論文采用米賽斯屈服準(zhǔn)則、列維一米賽斯本構(gòu)方程、多線性等向強(qiáng)化準(zhǔn)則。圖2工件材料的應(yīng)力—應(yīng)變曲線為了使數(shù)值模擬研究更具有代表性，本論文選取硬質(zhì)合金刀具幾何參數(shù)為：前角l0。，后角8。。對于切人狀態(tài)模型定義YT15作為刀具材料，其彈性模量E=530GPa，泊松比0_3。由于單元類型為VISCO106和PLAN

7、E182，通過網(wǎng)格劃分工件劃分為刀具在切削過程中只進(jìn)行彈性分析，不涉及塑性問題，故刀具材1750個單元，刀具分成100個單元；對于穩(wěn)定狀態(tài)模型定義單元★來稿日期：2008一叭一l4第11期胡旭林：金屬切削過程中刀具熱變形對加工精度的影響219類型為Plane42和Plane55，總共劃分了207個單元，用有限元技切削中總的發(fā)熱強(qiáng)度為：術(shù)模擬切屑形成，在建模時應(yīng)首先建立切屑與加工表面的初始聯(lián)Q總=：(277×120)，60=553(J／s)；系，并指定分離準(zhǔn)則。進(jìn)入刀具的熱量Q刀是總熱量的5％，2_2給模型加載及計算Q月=Q總×5％=553

8、x0．05=27．62(J／s)．為了模擬自由直角切削時工件和刀具的切削運(yùn)動，在工件左如圖5所示，為車刀傳熱學(xué)模型，當(dāng)熱量以箭頭方向傳人刀側(cè)施加了方向的約束，在工件底部施加了和Y兩個方向約體后