第6期 2017年6月
组合机床与自动化加工技术
Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technique
文章编号：10012265(2017)06011404
DOI:10. 13462/j. cenki. mmtamt.2017. 06. 029
No.6 Jun.2017
基于刚粘塑性变分原理的金属切削过程数值模拟
许建民
（厦门理工学院机械与汽车工程学院，福建厦门361024）
摘要：为了研究切削过程中的切削力和切削温度的分布和刀具磨损，优化高速切削参数，基于刚粘塑性有限元方法，采用有限元计算软件建立适于金属切削过程的三维有限元模型。模拟了45号钢的切削加工过程。主要研究了切屑的形成过程、切削力、温度场的分布以及切削应力的分布。详细分析了切削速度、进给量以及切削深度对切削力、刀尖温度以及刀具磨损的影响。该研究为金属切
削加工选择合理的加工参数提供了理论依据。关键词：有限元法；切削过程；数值模拟
中图分类号：TH122：TG659
文献标识码：A
Numerical Simulation of the Metal Cutting Process Based on Rigid Viscoplastic Variational Principle
XU Jian-min
(School of Mechanical and Automotive Engineering, Xiamen University of Technology, Xiamen Fujian 361024,China)
Abstract : In order to study the cutting force and cutting temperature distribution in the cutting process and tool wear, a three-dimensional finite element model that is suitable for metal cutting process is created by using the finite element calculation software DEFORM-3D. The rigid-viscoplastic finite element method is applied and the cutting process of bearing steel GCr15 is simulated. The chip formation process, the cutting force, the temperature distribution and the cutting stress distribution are mainly studied. The influence of the cutting speed, feed rate and depth of cut on the cutting force, the tool temperature and tool wear is ana-lyzed in detail. The simulation results show that 3-D simulation can disclose the cutting status, and it puts up a more effective method for research of metal cutting theory. A theoretical basis for cutting is provided for reasonable choice of machining parameters.
Key words: finite element method; cutting process; numerical simulation
0引言
金属切削加工是制造技术领域的一项基础工艺切前过程的数学化描述与动态仿真是目前国内外的研究热点之一。单纯依靠切削试验，很难对切削过程中的温度、切前力以及力具磨损等进行适时测量，而利用有限元技术可以对切削温度、切削力以及刀具磨损等参数进行较为准确的预测，可以作为优化切前工艺参数的有效手段。杨勇等"对高速切前的有限元模拟技术进行了详细研究，建立了准确的正交切削有限元模型，并对该模型的合理性进行了验证。陈文琳等[2]建立了三维金属切削有限元模型，并对纳米陶瓷刀具进行了三维数值模拟，并通过试验对该模型进行了验证。 AliMoarrefzadeh"]采用有限元方法利用ANSYS软件对碳钢的温度场进行了详细研究。JohnS.Strenkows-
ki等[4]建立了有限元模型对刀具切削力的变化和切屑形成过程等进行了数值模拟。Carlos Santiuste等[5]针对航空材料建立了正交切削有限元模型，对切削性能进行了分析。本文利用有限元软件Defom针对45号钢进行正交切削三维有限元模拟，重点研究切削用量对切削力、切屑温度以及刀具磨损的影响规律，为优化切削工艺参数提供理论依据。
有限元切削仿真数学模型的构建 1.1
刚粘塑性有限元变分原理
基于刚粘塑性有限元方法是一种基于变分原理的有限元方法。其基本原理为等效积分形式的虚功原理和Markov变分原理"]。虚功原理方程如下：
J, 8e,oydV + JoupdV + J up,dS = 0
收稿日期：20160923
*基金项目：福建省中青年教师教育科研项目（JA15367）；厦门理工学院高层次人才项目（YKJ16029R）
(1)
作者简介：许建民(1981一），男，湖南部阳人，厦门理工学院讲师，博士，研究方向为数字化制造、汽车CAE及关键零部件设计与制造，（E-mail）
xujianmin1020@ 163. com。
万方数据