金属切削加工过程的有限元建模与仿真

金属切削加工过程的有限元建模与仿真

姓名：吴勃申请学位级别：硕士专业：计算机科学与应用

指导教师：蔡兰20060301

江苏大学硕士学值论文摘要金属切削加工过程是一个十分复杂的非线性变形过程，传统的研究方法很难对切削机理进行定量分析。利用计算机进行有限元仿真研究具有系统性好、继承性好、可延续性好等优点，还不受时间、空间和实验条件的限制，一旦获得较好的仿真效果，则可大大缩短工艺设计的时间和成本。有限元仿真还可以获得许多用实验方法难以获得或不能获得的信息，能够再现切削过程的变形和温度的变化。利用有限元仿真技术能够方便地分析各种工艺参数对切削过程的影响，为优化切削工艺和提高产品精度与·ＦＥｔＥ提供理论和实用的手段，为更好地研究金属切削理论提供了极大的方便。本文围绕金属切削加工过程的建模与仿真，主要开展了以下几个方面的研究工作：１、在掌握会属切削的材料非线性、几何非线性等问题的基础上，研究了弹塑性大变形有限元法求解过程。２、研究了仿真系统中的几个关键技术的处理以及仿真系统的结构组成，利用大型商用有限元软件ＭＳＣ．Ｍａｒｃ作为有限元仿真软件平台。３、在切屑形成过程仿真方面，过去的研究一般采用的是２一Ｄ模型，仿真的效果不太符合实际。本论文探讨了切屑的卷曲原因，建立了切屑厚度、卷盐半径的数学模型；获得了在不同切削条件下，切屑形成过程的３一Ｄ实时模拟过程；获得了加工过程中工件和切屑中的应力、应变、温度的分布情况；通过改变切削条件，分析切削条件对切屑形成的影响，包括未变形切屑厚度、切削速度、刀具前角等：获得了斜刃切削条件下切屑卷曲的有限元仿真结果。仿真的结果与相关实验结果进行了比较，发现它们具有很好的一致性，表明了切屑形成过程的有限元模型在切屑形成控制上具有一定的实用价值和研究意义。４、探讨了金属切削毛刺的产生原凶、影响因素，并建立了切削方向毛刺的数学模型：仿真并分析了诈交切削条件下切削方向毛刺的形成过程与机理；通过改变切削条件，分析切削条什划毛刺形成的影响。仿真的结果与实验结果进行了比较，发现它们具有很好的一致性。仿真结果与试验结果比较表明，毛刺形成的有限元模型在毛刺定量预报上具有一定的实用价值和研究意义。关键词：有限兀法，切屑形成，切削方向毛刺，数学建模，会属切削过程仿真坚蔓查堂堕主兰垡堡苎ＡＢＳＴＲＡＣＴＭｅｔａｌｃｕｔｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｉｓａｖｅｒｙｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄｎｏｎｌｉｎｅａｒｐｒｏｃｅｓｓＢｙｃｌａｓｓｉｃａｌｒｅｓｅａｒｃｈａｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ｉｔｉｓｖｅｒｙｄｉｆｆｉｃｕｌｔｔｏｇｉｖｅｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｍｅｔａｌ—ｃｕｔｔｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｃｓ．ａｓ：Ａｐｐｌｙｉｎｇｔｈｅｃｏｍｐｕｔｅｒｉｎｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｅａｒｃｈｈａｓｍａｎｙａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｓｕｃｈｒｅｓｅａｒｃｈｉｓｎｏｔｇｏｏｄｓｙｓｔｅｍａｔｉｃｎｅｓｓ，ｇｏｏｄｓｕｃｃｅｓｓｉｏｎａｎｄｇｏｏｄｃｏｎｔｉｎｕｉｔｙ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｔｈｅｌｉｍｉｔｅｄｂｙｔｉｍｅａｎｄｓｐａｃｅ．Ｏｎｃｅｇｏｏｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌｄｅｓｉｇｎｗｈｉｃｈｉｓｄｉｆｆｉｃｕｌｔｏｒｃａｎａｒｅａｃｈｉｅｖｅｄ，ｔｈｅｔｉｍｅａｎｄｔｈｅｃｏｓｔｂｅｃｕｔｄｏｗｎｇｒｅａｔｌｙ．Ｂｙｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｉｍｕｌｍｉｏｎ，ｉｎ％ｒｍａｔｉｏｎ，ｔｏｂｅｉｍｐｏｓｓｉｂｌｅｏｂｔａｉｎｅｄｐｒｅｖｉｏｕｓｌｙｂｙｌａｂｍｅｔｈｏｄ，ｃａｎｎｏｗｂｅｇａｉｎｅｄｃａｒｌＴｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｈａｎｇｅｉｎｃｕｔｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｅｌｅｍｅｎｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓ’ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔｌｙ，ｗｈｉｃｈｐｒｏｖｉｄｅｓａＯＵｂｅｒｅｐｒｏｄｕｃｅｄ．Ｂｙｆｉｎｉｔｅｃａｌｌｃｕｔｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｂｅａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｎｄｐｒａｃｔｉｃａｌｍｅｔｈｏｄｆｏｒｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇｃｕｔｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙａｎｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔａｎｄｗｈｉｃｈｍａｋｅｓｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｍｅｔａｌｃｕｔｔｉｎｇｔｈｅｏｒｙａｒｅｍｏｒｅｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔｌｙ．Ｓｔｕｄｉｅｓａｂｏｕｔｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｏｕｔｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｍｅｔａｌｃｕｔｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ１．Ｉｔｉｓｂａｓｅｄｏｎｃａｒｒｉｅｄｆｒｏｍｔｈｅｆｏｌｌｏｗｉｎｇａｓｐｅｃｔｓ：ｋｎｏｗｌｅｄｇｅｏｆｍａｔｅｒｉａｌｎｏｎｌｉｎｅｒａｉｔｙａｎｄｇｅｏｍｅｔｒｉｃｎｏｎｌｉｎｅｒａｉｔｙｔｈａｔｔｈｅｓｏｌｕｔｉｏｎｐｒｏｃｅｄｕｒｅｏｆｌａｒｇｅｅｌａｓｔｉｃ—ｐｌａｓｔｉｃｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｓｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ．２．ＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇｏｆｋｅｙＴｈｅｌａｒｇｅ—ｓｃａｌｅｓｏｆｔｗａｒｅ．ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓａｎｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍａｒｅｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ．ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｓｏｆｔｗａｒｅＭＳＣ．Ｍａｒｃｉｓｕｓｅｄａｓｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ３．ＴｈｅｒｅａｓｏｎｓｏｆｃｈｉｐｃｕｒｌｉｎｇａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄａｎｄｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅＩｏｆｔｈｅｃｈｉｐｔｈｉｃｋｎｅｓｓａｎｄｃｕｒｌｉｎｇｒａｄｉｕｓｉＳｓｅｔｕｐ．Ｔｈｅ３－Ｄｒｅａｌ，ｔｉｍｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｕｔｔｉｎｇＣＯｎｄｉｔｉｏｎｓｉＳｏｂｔａｉｎｅｄ．ＴｈｅＣＯｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｓｔｒｅｓｓ．ｓｔｒａｉｎａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｎｃｕｔｔｉｎｇａｎｄｗｏｒｋｐｉｅｃｅｓｉｎｍａｃｈｉｎｉｎｇａｒｅｇａｉｎｅｄ．Ｂｙｃｈａｎｇｉｎｇｃｕｔｔｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｕｎｄｅｆｏｒｍｅｄｃｈｉｐｔｈｉｃｋｎｅｓｓ，ｃｕｔｔｉｎｇｓｐｅｅｄ，ｔｏｏｌｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｒａｋｅ，ａｎｄａｎａｌｙｚｉｎｇｃｕｔｔｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎ’Ｓｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｃｈｉｐ．ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｏｆｃｈｉｐｃｕｒｌｉｎｇｕｎｄｅｒｔ１１ｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｏｂｌｉｑｕｅｃｕｔｔｉｎｇｉｓｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔａｃｈｉｅｖｅｓｂ．ｉｇｈｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙｗｉｔｈｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｌａｂｒｅｓｕｌｔ．Ｉｔｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｖａｌｕｅｉｎｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆｃｈｉｐｆｏｒｍｉｎｇｈａｓｃｅｒｔａｉｎｐｒａｃｔｉｃａｌａｎｄ４．Ｒｅａｓｏｎｓａｎｄｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｆａｃｔｏｒｓｏｆｍｅｔａｌｂｕｒｒｆｏｒｍａｔｉｏｎａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ；ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｎｃｕｔｔｉｎｇｄｉｒｅｃｔｉｏｎｂｕｒｒｉｓｓｅｔｕｐ；ｆｏｒｍｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｃｕｔｔｉｎｇａｒｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｂｕｒｒｕｎｄｅｒｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｃｕｔｔｉｎｇｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｓｉｍｕｌａｔｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄ；ｃｕｔｔｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎ’Ｓｃｈａｎｇｉｎｇｃｕｔｔｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｂｕｒｒｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｓａｎａｌｙｚｅｄｂｙｂｅｔｗｅｅｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔａｎｄ１ａｂｒｅｓｕｌｔｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｈａｓｃｅｒｔａｉｎｐｒａｃｔｉｃａｌａｎｄｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｖａｌｕｅｉｎｇｉｖｉｎｇａｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆｂｕｒｒｄｉｍｅｎｓｉｏｎ．Ｋｃｙｗｏｒｄｓ：ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＭｅｔｈｏｄ（ＦＥＭ），ＣｈｉｐＦｏｒｍａｔｉｏｎ．ＣｕｔｔｉｎｇＤｉｒｅｃｔｉｏｎＢｕｒｒ，ＭａｔｈｅｍａｔｉｃａｌＭｏｄｅｌｉｎｇ，ＭｅｔａｌＣｕｔｔｉｎｇＰｒｏｃｅｓｓＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密口本学位论文属于，在年我解密后适用本授权书。，不保密豳杉妒缉酋钆靴做储签－＂謦７农＂ＴＪ刖／口指黝师签≥∥ｏ十／］。Ｌ‘∥“。．哆日Ｙ１０１３９８９独创性申明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名爱彩钐伽』年乡月／；日江苏大学硕士学何论文第一章绪论１．１引言会属切削过程是机械制造业中最重要的过程之一。每时每刻都会有成吨的金属切屑从大型的现代机车发动机车问或小机器车削产生出来。一种产品的产量和质量很大程度上取决于整个加工系统的性能，包括机床、夹具、刀具和工件。为了在目前高竞争的世界里获得生存，高生产率和低废品率是每个企业所追求的。为了提高切削加工特别是精密和超精密切削的生产效率和加工质量，需要深入地研究切削机理、切削加工和切屑形成理论。实际上，切削过程是一个很复杂的工艺过程，它不但涉及到弹性力学、塑性力学、断裂力学，还有热力学、摩擦学等。切削质量受到刀具形状、切屑流动、温度分布、热流和刀具磨损等影响。切削表面的残余应力和残余应变严重影响了工件的精度和疲劳寿命。但是，利用传统的解析方法，很难对切削机理进行定量的分析和研究。计算机技术的飞速发展使得利用有限元仿真方法来研究切削加工过程以及各种参数之问的关系成为可能。近年来，有限元方法在切削工艺中的应用表明，切削工艺和切屑形成的有限元模拟Ｘ，：ｉ－Ｔ解切削机理，提高切削质量是很有帮助的。这种有限元仿真方法适合于分析弹塑性大变形问题，包括分析与温度相关的材料性能参数和很大的应变速率问题。在工程技术领域，工程师常利用数学和力学知识将实际问题抽象成它们应遵循的基本方程（常微分方程或偏微分方程）和相应的边界条件。对于大多数工程技术问题，由于物体的几何形状和载荷作用方式很复杂，除了方程性质比较简单，且几何边界条件相当规则的少数问题外，试图按照经典的弹塑性力学方法获得解析解是十分困难的，甚至是不可能的。通常通过两种途径克服这种困难：一是引入简化假设，将方程和边界条件简化为能够处理的问题，从而得到它们在简化状态下的解答。这种方法只是在有限的情况。卜是ｔＵ‘行的。由于有许多的简化条件，因而计算精度很低。为了保证设备的安全可靠运行，常采用加大安全系数的方法，结果使结构尺寸加大，浪费材料，有时还会造成结构性能的降低。而过多的简化可能导致不正确甚至是错误的解答。现代产品正朝着高效、高速、高精度、低成本、节省资源、高性能等方面发展，传统的计算分析方法远远无法满足要求。另一种解决途径就是数值解法，如有限差分法、边界元法、有限元法、离敞元法等。对于ｊＦ线彤问题，有限元法更为有效。本论文就是采用有限元法研究金属切削过江苏大学硕＋学位论文程的相关内容。１．２研究背景与国内外研究现状在制造工程领域中，计算机模拟加工过程是重要成果之一，它使用计算模型对所需切削力、切削温度和切屑形成过程等进行仿真。在刀具设计、工艺选择、可加工性估计和断屑研究中，这些计算模型对减少甚至消除反复试验次数，具有极大的价值，棚宪较好地从理论上澄清套属切削过程的困难，促使浚领域的研究者，应用有限元进行切削过程分析建模。在过去的十几年中，对有限元法的许多研究，是花费在对不同类型金属切削问题的性能数值建模上。有限元法的优点是，使用计算机能够自动模拟整个复杂过程。为了更深地理解制造过程，几十年来很多工作致力于对金属切削过程的研究。人们对此学科的理解在很多方面已经很深、很广了。会属切削过程的建模方法己经从最初的简单的剪切平面法发展到更加复杂的有限元方法。在金属切削过程的建模方法中，有限元法代表着最新的趋势。它利用了在大变形塑性理论、数值解技术和超级计算机的计算能力方面最新的发展。它非常强大，包含了几乎所有金属切削过程的各个方面。它同时解决在刀一屑接触面摩擦的应力平衡方程、应力一应变增量关系式、热传导方程、材料本构方程和应力特性方程。这个方法可能比其他方法更细致地揭示金属切削过程。金属切削过程的有限元模型必须考虑三个基本方面：（１）一个可靠的材料模型，可以解决大应变、高应变率和很高温度；（２）一个摩擦模型，可以建模刀一屑接触面的粘一滑摩擦；（３）一个切屑分离准则，容易应用而且在合理的精度上近似于物理现象。这几个方面都已经被其他研究者进一步研究过，但以前的工作还留下了一些发展的空问，需要对这些方面的问题进一步研究，发展建模能力以获得更好的预测效果。最早的分析模型是由Ｍｅｒｃｈａｎｔ…“１，Ｐｉｉｓｐａｎｅｎ‘“，和ＬｅｅａｎｄＳｈａｆｆｅｒ”３提出的。这些模型是切屑角模型，他们主要应用这些模型来分析切屑在生成过程中的角度与刀具前角的关系。１９５１年Ｔｒｉｇｇｅｒ和Ｃｈｔｌｏ”１在分析模型中考虑了在加工过程中因塑性变形及摩擦而产生的热的问题。由热导致温度的升高，进而影响了材料的相关特性。１９５９年Ｐａｌｍｅｒ和Ｏｘｌｅｙ“１、１９６１年Ｏｘｌｅｙ等“１在他们的模型中包括了构件硬化和应变率对加工过程的影响，使材料模型更加合理。１９６５年Ｋｕｄｏ…ｊ研究由于刀具前刀面和切屑的接触而导致切屑卷曲的原因，并基于２江苏大学硕士学位论文这些理论建立了切屑卷曲模型，这些模型都假定为硬塑性材料，但是没有考虑到切削热对材料的影响。１９７３年美国Ｉｌｌｉｎｏｉｓ大学的Ｂ．Ｅ．Ｋｌａｍｅｃｋ”１最先系统地研究了金属切削加工中切屑形成的原理，并用三维有限元模型分析了切屑形成的初始阶段。１９７８年Ｕｓｏｉ等””用能量方法建立了一个模型，此模型考虑了三维几何条件在加工过程中的影响。１９７９年Ｄｏｙｌｅ等…１建立了一个新的粘弹性模型，此模型包括了刀具的前刀面与加工过程中形成的切屑之间的摩擦，以及刀具与构件形成的表面之间的摩擦，此模型主要考虑了三维连续切屑的情况。１９８０年美国的ＮｏｒｔｈＣａｒｏｌｉｎａ州立大学的Ｍ．Ｒ．Ｌａｊｃｚｏｋ“”在其博士学位论文中将有限元方法应用于切削加工中主要问题的研究，初步用有限元法分析了切削工艺。１９８１年Ｕｓｕｉ等人“”首次将低碳钢流动应力假设为应变、应变速率和温度的函数，以此来用有限元方法模拟了连续切削中产生的积屑瘤，而且在刀具和切屑接触面上采用库仑摩擦模型．利用正应力、摩擦应力和摩擦系数之间的关系模拟了切削过程。１９８２年Ｕｓｕｉ和Ｓｈｉｒａｋａｓｈｉ““为了建立稳态的正交切削模型，第一次提出刀面角、切屑几何形状和流线等，应用此模型预测了应力应变和温度等参数。１９８４年１ｗａｔａ““等建立了一个刚一塑性有限元模型，模拟计算了切屑的厚度、卷曲形状及构件内部应力、应变的分布等，并且讨论了材料性质、摩擦特性对构件内部应力、应变的影响。同时对此作了切削试验，此试验也较好的验证了模拟计算结果。但是，他们都没有考虑弹性变形，所以没有计算出残余应力。１９８５年Ｓｔｒｅｎｋｏｗｓｋｉ和Ｃａｒｒｏｌ““建立了一个较新的有限元模型，此模型包括了一个基于有效塑性应变的切屑分离准则。一些以前被忽略切削参数被包含进此有限元模型，比如，构件、刀具被考虑为弹塑性材利、刀具与切屑之暗ｊ的摩擦等。此计算结果表明了切屑分离准则的应用在有限元模拟构件加工中是非常重要和有效的。１９８８年Ｆｕｒｕｋａｗａ和Ｍｏｒｏｎｕｋｉ“１用实验方法研究了铝合金超精密切削中工件表面的耘糙度对加工质量的影响。实验表明，当切削深度在ｉ０一ｍ左右时，最小切削力的范围应在１０＿１Ｎ左右。１９９０年８ｔｒｅｎｋｏｗｓｋｉ和Ｍｏｏｎ“”模拟了切屑形状，用Ｅｕｌｅｒｉａｎ有限元模型研究正交切削，忽略了弹性变形，预测了工件、刀具以及切屑中的温度分布。在以后的的研究中，出现了各种切屑分离准则，比如Ｋ．ＫｏｍｖｏＰｏｕｌＯＳ和江苏人学硕＋学何论文ｓ．Ａ．Ｅｒｐｅｎｂｅｃｋ的“ＤｉＳｔａｎｃｅｔｏ］ｅｒａｎｃｅ”准则“…、ｚ．Ｃ．Ｌｉｎ和ｓ．Ｙ．Ｌｉｎ的应变能密度准则”。’、Ｊ．Ｈａｓｈｅｍｉ和Ａ．Ａ．Ｔｓｅｎｇ等的基于断裂力学的分离准则””等。１９９６年Ｈｕａｎｇ和Ｂｌａｃｋ“”对这些准则做了一些评价。他们发现如果切削过程是稳定的状态下，这些准则不会对切屑的形状以及构件内部的应力、应变分布等方面产生很大差别的影响。１９９０年Ｈａｓｓｈｅｍｉ等”“用弹塑性材料的本构关系和临界等效塑性应变准则，并采用热～机耦合方式模拟了切削过程，并试图重点解决切屑的连续和不连续成形现象。１９９１年Ｋｏｍｖｏｐｏｕｌｏｓ和Ｅｒｐｅｎｂｅｃｋ“４１用库仑摩擦定律通过正交切削解析方法得到了刀具与切屑之间的法向力和摩擦力。用弹塑性有限元模型研究了刚质材料正交切削中刀具侧面磨损、积屑瘤及工件中的残余应力等。随着非线性有限单元技术的发展和广泛应用，特别在数值仿真成功地应用于工程领域．使非线性有限单元法在了构件切削过程的有限元仿真也成为可能。应用此方法可以得到比传统方法更为复杂的有限元计算模型。这些模型主要用在计算构件的残余应力、残余应变、温度分布以及预测切削力等等。这方面主要有两种模拟计算方法。一是Ｅｕｌｅｒｉａｎ方法““””…“，此方法主要用来计算模拟构件加工平稳状态下的应力应变分布情况，因此避免了使用切屑分离准则，但必须预先知道切屑的几何形状，不适合分析切屑形成的初始阶段。另一种方法是Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ方法””“”“２”，此方法可以计算模拟构件加工的全过程，从初始的进刀到切削的完成。这种方法可以给出切屑的几何形状以及加工完成后构件中的线余应力，但必须使用切屑分离准则以完成对切屑分离过程的模拟。更进一步，ｓｈｉｈ和ｙａｎｇ“＝。增口ｓｈｉｈ…“…提出了一种网格重分技术来提高计算模拟此过程的有效性和精确性。ｓｈｉｈ和ｙａｎｇ用此切屑分离方式分析了『Ｆ交切削过程中的残余应力分布。他们的研究局限于正交切削的二维有限元仿真。１９９３年ＮａｏｙｏＩｋａｗａ。”１用精密切削机床在实验中测量了红铜材料切屑形成和切削深度之间的相互影响，实验中采用的切削深度在１０一’ｍ左右。１９９３年ＴｏｓｈｉｍｉｃｈｉＭｏｒｉｗａｋｉ等‘“３用钢塑性有限元模型来模拟了上面的实验。他们模拟了切削深度在毫米到纳米范围内红铜材料『Ｆ交切削过程中的温度场。１９９６年Ｓａｓａｈａｒａ和Ｏｂｉｋａｗａ等‘”’利用弹塑性有限元方法，忽略了温度和应变速率的效果，模拟了低速连续切削时被加工表面得残余应力和应变。美国ＯｈｉＯ州立大学网络成形制造（ＮｅｔｓｈａｐｅＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）工程研究中心的Ｔ．Ａｌｔａｎ教授，在国际上金属塑性加工界享有很高学术声誉，在金属塑性成形有限元江苏人学硕士学位论文仿真方面做出了许多巨大的成就，近年来他与意大利Ｂｒｅｓｃｉａ大学机械工程系的Ｅ．ＣｅｒｅｔｔＪ合作，对切削工艺进行了大量的有限元模拟研究。…‘…““”１。用二维有限元法分析了正交切削中的切屑形成过程。用三维有限元法分析的了斜刃切削过程，获得了切屑中应力与应变的分布。在切屑分离问题上，对ＤＥＦＯＲＭ－－３Ｄ软件进行了二次开发，采用的单元死活技术，成功仿真了锯齿状切屑的形成过程。１９９９年澳大利亚悉尼大学的Ｌｉａｎｇｃｈｉｚｈａｎｇ””和１９９６年美国Ａｕｂｕｒｎ大学的ＪＭ．Ｈｕａｎｇ、Ｊ．Ｔ．Ｂｌａｃｋ””对有限元分析『Ｆ交切削工艺中的切屑分离准则做了深入的研究，对不同的分离准则都做了考察。２０００年台湾科技大学的ｚｏｎｅ—ｅｈｉｎｇｈｉｎ等‘州对Ｎ．Ｐ合金的正交超精密切削中切削深度和切削速度对残余应力的影响做了研究。模拟前对单向拉伸实验数据进行回归分析，得出材料的流动应力公式，考虑切削加工中的热一机耦合效应，建立了热弹塑性有限元模型。２０００年０ｚｅｌ和Ａ１ｔａｎ‘”１提出了～个方法，通过切削实验和有限元仿真来测定工件流动应力和刀具～工件接触面的摩擦。他们这个方法的主要缺陷是，作为要求输入到有限元仿真中的材料特性流动应力采用的是材料相似的流动应力，因此仿真能力有限。２００３年宋金玲等””通过计算机模拟金属切削连续稳态成屑过程，以三角形元素进行有限元网络划分，采用ｙｏｎ．Ｍｉｓｅｓ屈服判据和Ｐｒａｎｄｔｌ—Ｒｅｕｓｓ流动定律，对工件切屑进行弹塑性变形及受力分析。切屑分离是采用分离判据实现的，其模型为２一Ｄ有限元模型。２００４年华南理工大学的邓文君等”“采用热一机耦合、平面应变、连续带状切屑的切削模型模拟了高强度耐磨铝青铜的正交切削加工过程。采用增量步移动刀具的方法，结合有限元分析软件ＭＡＲＣ的网格重划分功能，模拟了刀具从初始切入到切削温度达到稳态的切削加工过程，获得了不同切削深度和切削速度下的切屑形态、温度、应力、应变和应变速率的分御，但其有限元模型是２一Ｄ模型，总体来说，对于切屑形成过程的有限元仿真方面，国外的２一Ｄ仿真发展较快，甚至能够列塑性较差的工件材料的切削进行仿真．但３一Ｄ仿真则相对较弱：国内的仿真主要停留在２Ｄ领域，不仅视觉效果不够理想，而且仿真的能力仅局限于『Ｆ交切削范围，其它大部分的切削情况都不能仿真，如包含斜刃切削的车削、刨削、铣削、钻削等切削加工情况。对于毛刺形成的有限元仿真方面，国内外的研究都比较少，而且效果不太理想。江苏大学硕士学位论文以上的研究各有其特点，但基本都是考虑了加工过程的某个或某几个因素，并且在自己研究成果的基础上编写了相应的有限元程序。因为一个有限元程序的编写是一个非常繁重的任务，他们的个例性成果很多，程序也不少，但并没有形成对于切削加工的专业程序，所以有效的应用现有的软件进行切削数值仿真就显得尤为重要。本论文主要应用大型有限元商业软件ＭＳＣ．ＭＡＲＣ进行金属切削过程仿真，利用ＭＳＣ．ＭＡＲＣ提供的网格重划分模块，使之更能适合于金属切削仿真。１．３本课题研究的价值、意义在上个世纪当中，全世界的许多实验室对金属切削进行了大量的科学研究，获得了大量的资料，并且这些资料以各种形式进行了出版发行。但这些资料大部分没有被计算机所使用，仅局限于小的专家圈子，人们从相关材料上所获得的资料往往落后于金属切削技术的最新发展。很少有人能列工业中的实际情况应用什么资料最有效，有一个彻底的总览。由于金属切削加工过程是一个影响因素十分复杂的非线性变形过程，传统的研究方法很难对切削机理进行定量分析。特别是高速、超精密切削加工等工艺，实验方法很难获得所需的相关参数，如任意时刻的应力、应变以及温度等的分布等。随着计算机技术和信息技术的发展，虚拟制造技术在传统加工制造业中得到广泛应用。应用虚拟制造技术可以缩短产品开发周期、降低成本、提高产品质量，从而提高产品的市场竞争力。对切削过程进行虚拟仿真，研究金属切削变形等物理现象的影响因素，可以帮助合理选择参数工艺中的切削速度，背吃刀量及进给量；对刀具几何结构（前角，后角和断屑槽等）进行优化设计，进而可以采取措施减小切削力，提高金属切除效率并改善加工表面质量，优化加工工艺等。因而，采用计算机模拟技术研究切削过程中的金属变形及其温度分布等是最有发展前景的研究方法之一。训‘算机模拟研究具有系统性好、继承性好、可延续性好等优点，还不受时问、空间和实验条件的限制，一旦获得较好的仿真效果，则可大大缩短工艺设计的时间和成本。计算机模拟还可以获得许多用实验方法难以获得或不能获得的信息，能够再现切削过程的变形及温度的变化。利用有限元仿真研究能够方便地再现各种工艺参数对切削过程的影响，为优化切削工艺和提高产品精度与性能提供理论和实用的手段。江苏大学硕＋学传论文１．４本课题研究的主要工作目前主要的研究目标是基于金属切削理论以及有限元理论的基础上，对金属切削过程进行有限元仿真，以获得切削过程的应变、应变率、温度等参数；并且对切屑的卷曲机理进行研究，用有限元法仿真在不同切削条件下的切屑卷曲；建立切削方向毛刺的数学模型，并用有限元法仿真不同切削条件下切削方向毛刺的形成。具体工作如下：（１）在掌握会属切削的材料非线性问题、几何非线性问题等的基础上，研究弹塑性大变形有限元求解过程。（２）研究仿真系统中的几个关键问题以及仿真系统的结构组成，利用大型商用有限元软件ＭＳＣ．Ｍａｒｃ作为有限元仿真软件平台。（３）探讨切屑的卷曲原因，建立切屑生成的厚度、卷曲半径的数学模型；采用３一Ｄ模型，在不同切削条件下，实时仿真切屑形成的过程；仿真加工过程中工件和切屑中的应力、应变、温度的分布情况；对仿真结果进行分析，研究各切削因素对切屑形成过程的影响。将仿真的结果与相关实验结果进行比较，以验证仿真效果。（４）探讨金属切削毛刺的产生原因、影响因素，建立切削方向毛刺的数学模型：采用２Ｄ模型，在不同切削条件下，实时仿真切削方向毛刺形成的过程；对仿真结果进行分析，研究各因素对切削方向毛刺形成过程的影响。将仿真的结果与实验结果进行比较，以验证仿真效果。江苏大学硕十学位论文第二章金属切削过程仿真的有限元理论基础以变分原理为理论基础、数字计算机为工具的有限单元法在工程领域中的应用十分广泛，几乎所有的弹塑性结构静力学和动力学问题都可以用它求得满意的数值结果。２．１有限元方法分析过程概述有限元法的基本思想是：把要分析的连续体离散化，即将连续体变换成为有限个单元所组成的组合体，这些单元体之侧只是通过结点来连接和制约。当连续体受到外力作用发生变形时，组成它的各个单元也将发生变形，因而各个结点要产生不同程度的位移，这种位移称为结点位移。在有限元中，常以结点位移作为基本未知量。并对每个单元根据分块近似的思想，假设一个简单的函数近似地表示单元内位移的分布规律，再利用力学理论中的变分原理或其他方法，建立结点力与位移之问的力学特性关系，得到一组以结点位移为未知量的代数方程，从而求解结点的位移分量。然后利用插值函数确定单元集合体上的场函数。具体的分析过程如下：ｌ、连续体的离散化首先，应根据连续体的形状选择最能完满地描述连续体形状的单元。常见的单元有：杆单元，梁单元，三角形单元，矩形单元，四边形单元，曲边四边形单元，四面体单元，六面体单元以及曲面六面体单元等等。其次，进行单元划分，单元划分完毕后，要将全部单元和结点按一定顺序编号，每个单元所受的荷载均按静力等效原理移植到结点上，并在位移受约束的结点上根据实际情况设置约束条件。２、单元分析建立各个单元的结点位移和结点力之问的关系式。３、整体分析整体分析是剥各个单元组成的整体进行分析。它的目的是要建立起一个线性方程组，柬揭示结点外荷载与结点位移的关系，从而用来求解结点位移。２．２材料非线性的本构关系２．２．１屈服准则ｏ””本课题采用的是ＷｏｎＭｉｓｅｓ屈服准则：－厂＝√２Ｊ２盯＝０（２．１）江苏人学硕十学位论文２．２．２流动准则川塑性应变增量与应力状态的关系采用Ｐｒａｎｄｔ］一Ｒｅｕｓｓ假定蟛“毒式中ｄｓ？为塑性应变增量，厂为屈服函数、塑性势，兄为比例常数。㈣ｚ，２．２．３硬化准则“”１、各向同性硬化（ＩｓｏｔｒｏｐｉｃＨａｒｄｅｎｉｎｇ）随着塑性应变的增加，屈服曲面中心点不移动而屈服曲面均匀膨胀。２、运动硬化（ＫｉｎｅｍａｔｉｃＨａｒｄｅｎｉｎｇ）屈服曲面大小不变，中心点移动。３、混合硬化（ＣｏｍｂｉｎｄｅＨａｒｄｅｎｉｎｇ）屈服曲面膨胀，中心点也发生移动。２．２．４虚功方程“纠根据虚功原理，在外力作用下处于平衡状态的弹塑性体，当发生位移约束允许的任意虚速度８ｖ，时，外力（表面力和体力）在虚速度上所做的功率等于弹塑性体内应力在虚应变速率上所做的功率。所以在变形态物体上有：ｌ。。６：｝ｄＶｌＰＰｔ函？Ｓ＋ｌ？ｂ．卸ｄｙ２ｔ２３）式（２３）是采用欧拉变量描述的虚功率方程。下面根据式（２．３）导出按拉格朗Ｆ１描述的虚功率方程。格林应变张量变化率与应变速率张量、克希荷夫应力张量与柯西应力张量的关系和体元变换关系分别为：珏簧舞：“ｓ。＝Ｊ筹警％己Ｘａｘ。她ａ，…１㈦ｓ，ｄＶ＝剧％９２．６）江苏人学硕十学位论文由上三式司得：ｊ．ｆ，ａ＇ｅ。ｄＶｃｒｏ．８ｅ”ｄ％ｄＶ：【ｓ．６Ｅ‘。ｄ％ｊ；．２（２．７）式中，％是与Ｖ相对应的物体在初始构形时的体积。由静力平衡微分方程可知，对于保守载荷的情况有：ｂ？ｄＶｏ＝ｂｆｌＶｐ？ｄＳ。＝Ｐ，ｄＳ（２．８）（２．９）式中ｂ？和Ｐ？分别为与争和Ｐ，相对应的在仞始态构形中的单位体积的体力和受载表面Ｓ。。上的表面力分量。所以：ｆ也西。ｄＶ＝∥西。ｄＺｏ（２．１０）¨以嘏２ｌ。ｐ轨ｄＳ。林应变张量变化率表示的、按拉格朗闩描述的虚功率方程，即：（２．１１）于是，由式（２．３）、式（２．７）、式（２．１０）和（２．１１），便可得到用克希荷夫应力张量和格ｆ．Ｓ，ＳＥｖｄＶｏ＝ＬＰ？西，ｄＳｏ＋ｆ，卵函，ｄ％（２．１２）以上各式中，以是用拉格朗同变量描述的物体中质点的虚速度。物体中质点的速度＿＝ｖ，（置，ｆ）。显然，Ａ（２．１２）表达的虚功率方程，适用于更新拉格朗日法（ｕ．Ｌ）法。２．２．５大变形条件下的的弹塑性本构方程”“１下面将推导采用ＶｏｎＭｉｓｅｓ屈服准则、关联流动准则的弹塑性方程组。屈服应力用孑表示，屈服函数为：、厂＝Ｊ：ｏ。）～１３石２＝２Ｉ－－０；ａｊ一；；２＝ｏ流动准则为（２．１３）删ｉ．ｉ“羔变增量之和㈦，。，应变可以假定为弹性应变、塑性应变之和，应变增量则为弹性应变增量与塑性应ｄ￡ｕ＝ｄｓｉ＋ｄｓｓ０（２．１５）江苏人学硕士学位论文对于弹性应变，虎克定律仍然适用，弹性应变增量与应力增量的关系有ｄｅ．．＝Ｄ，ｉｋｌｐｅ：，）将（２．１５）式代入上式ｄ￡ｉ＝Ｄ，ｊｋｌ（２１６）ｄ旷ｄ￡：）（２．１７）其中：Ｄ。为弹性应力一应变关系矩阵，由杨氏模量、波松比确定。屈服应力与塑性应变，加工硬化系数Ｈ‘的关系可出下式表示Ｈ，：旦ａ＿９并且有（２．１８）彤：—笪如，三望捃：０’Ｄａ．．（２．１９）“３ａ矗９其中＝６笪峨利用（２．１４）式可得到ｉ９与石的关系（２．２０）拱＝屉磊＝争√幂＝扣将（２．１８）、（２．２０）、（２．２１）代入（２．１９）式有ｏｌ｜ｄ６ｌｉ眨ｚｔ，（２．２２）将（２．１４）（２．２０）式代入（２．１７）式可得ｄａ。ｌ＝Ｄ，ｊｋ，ｐ￡旷ｋ：）将上式代入（２．２２）式得九为Ｄｕｋｌｄ（２．２３）６；Ｄ酬ｄ８Ｈ＋Ｊ；ｏｘ三石（Ｔ＇可ｉｌＦ再－ｋｌ（２．２４）ＪＨ代入（２．２３）式中可得应力增量与应变增量之间非线性关系的方程组为鲨蔓叁！里±堂笪笙兰——Ｄ。。ｏ：。ｏ二ＤＰｑｋｄａ．１＝Ｄ叶（２．２５）６ｉ＇ｊＤｉｓｕ。ｐ（料Ｈ从上式可以看出，可以根掘一个给定的总应变增量计算相应的应力增量。２．２．６刚度矩阵Ｈ２１设由逐步求解法已求得物体在ｔ日寸刻的构形，ｔ时刻构形任一点的坐标为Ⅳ，。Ｕ．Ｌ法是把ｔ时刻的构形看作具有初应变和仞应力的参考构形，所以若用Ｘ，表示ｔ时刻参考构形任一点的拉格朗Ｈ坐标，求解ｔ＋Ａｔ时刻的构形时，不考虑ｔ时刻构形的变形，即：若用７如）表示参考构形一相对于初始构形％的位移，用’忙｝和７书｝分别表示亡时刻参考构形存在的初应变（以格林应变分量表示）和初应力（以克希荷夫应力分量表示），用｛△“｝、｛△Ｅ｝、｛△ｓ）分别表示从ｔ时刻至ｔ＋△ｔ时刻间隔内任一点的位移增量、格林应变增量和克希荷夫应力增量，则ｔ＋△ｔ时刻相应点的位移缸ｊ、格林应变｛Ｅ｝和克希荷夫应力岱｝为：｛“｝＿’∽＋｛Ａｕ）（２．２６）（２．２７）忸｝＝’㈦＋｛ＡＥ）ｐ｝＿’ｐ｝＋｛ＡＳ｝格林应变增量与位移增量的关系为：（２－２８）峨１１（Ｏ％Ａｕｆ一＋等＋等等］增量可以分解为：＠ｚ＂应变增量是位移增量的非线性函数。为了有限元计算的方便，将其分解为线性部分和非线性部分。若△耳和△Ｅ∥分别表示应变增量的线性部分和非线性部分，则应变｛△￡｝＝｛△Ｅ‘｝＋｛△Ｅ”｝式中ＡＥ‘｝＝Ⅲ△“｝（２．３０）（２．３１）（２．３２）ｔｘＥ“ｊ＝妻【△臼弘ｏｌ江苏人学硕十学位论文ｏ。旦鹕。ａ一凹ｏ（２．３３）。旦峨。旦眠｛△ｑｒ［ａｏ］｛ｏ）７｛０ｙ｛△吼｝，｛０ｙ｛Ａ０３｝，｛０ｙ｛△岛ｙ。一弧。一弧．。一说｛ｏ厂｛ｏｙ｛Ａ０３｝７（２．３４）∽｛△鼠｝７｛△Ｂ｝ｆ｛ｏｙ∽｛Ａ０２｝７｛△ｑ｝，｛△口）＝｛ＡＯｉ｝７｛Ａ０２｝７｛Ａ０３｝７Ｊ（２．３５）㈣≈畿卷畿］ｃｉ＝啦渤增量分量。眩。ｓ，上面给出了弹塑性变形问题变形体中任一点的应变增量｛△日与其位移增量用｛△“）关系表达式，用｛Ａｕ｝的分量△“。、△“：和Ａｕ，分别是沿ｘ．、夏：和Ｘ，轴方向的位移三维连续体离散化并选取单元位移插值函数后，单元内任一点的位移增量可用节点位移增量表达为：舢｝ＩＩＮ］｛△“｝。’（２．３７）式中，ｆⅣ】为形函数矩阵，｛△“｝。是单元节点位移增量矩阵。把式（２．３７）代入式（２．３０），整理后最终得：｛△Ｅ｝＝陋］｛△“｝。其中（２．３８）江苏人学硕＋学何论文［曰］＝［Ｂ１．］＋【口：Ｊ（２．３９）这样，单元应变增量｛ＡＥ｝的线性项由［Ｂ／．】表示，非线性项由陋ｊＪ表示。【口，］称为线性应变矩阵，旧：Ｊ称为非线性应变矩阵。按Ｕ．Ｌ法求解叫，以ｔ时刻构形为参考构形，ｔ时刻构形中的克希荷夫应力等于柯西应力，所以式（２．２８）ｕｌ－写成：ｐ｝＝ｐ｝＋｛ＡＳ｝（２．４０）式中，｛ｆ）是ｔ时刻以爿，为拉格朗同坐标的参考构形中单元ｅ中任一点的柯西应力。Ｕ．Ｌ法的克希荷夫应力张量增量与格林应变张量增量关系的矩阵表达式为∞｝＿（［ｃＰ＿［。眦日其中（［ｃＰ—ｔｏ】）为弹塑性矩阵。把式（２．３８）代人式（２．４１），得：．（２－４１）｛丛｝＝噼Ｐ一［『。】耻）＝忙Ｐ—ｐ。］ＩＢ舱“｝。＝《ＣＰ一【ｒ。】酗．】＋【Ｂ；Ｄ（△“ｊ。方程：（２．４２）把式（２．４０）和式（２．４２）代入虚功率方程整理后得到有限应变弹塑性有限元单元刚度雎］。｛△“｝。＝｛ＪＤ｝。一｛Ｆ）。（２．４３）式中，ｋ］。称为切线刚度矩阵，｛尸｝。称为节点外力载荷，｛Ｆ｝。称为初应力内力节点力。按照有限元法由单元刚度方程集合获得整体刚度方程得方法，把所有单元增量刚度方程进行集合，即可获得整体增量刚度方程。整体刚度方程得形式与单元刚度方程的形式相同，即：【Ｋ］｛△ｕ）＝｛Ｐ）一｛Ｆ｝（２．４４）式中，ｋ］称为整体切线刚度矩阵，｛ＡＵ｝为整体节点位移增量列阵，｛Ｐ）为整体外力节点载荷阵列，｛Ｆ｝为整体初应力内力节点力阵列。式（２４４）即为有限应变弹塑性江苏大学硕＋学位论文有限单元刚度方程。该方程是一个非线性方程组，通过线性化处理求解，即可求得节点位移增量。２．３几何非线性问题的表达格式在涉及几何非线性问题的有限元法中，通常都采用增量分析的方法，这是因为问题涉及材料非线性所必需的。考虑一个在笛卡儿坐标系内运动的物体，增量分析的目的是确定此物体在一系列离散的时间点０，△ｔ，２△ｔ，…处于平衡状态的位移、速度、应变、应力等运动学和静力学参量。现在假定问题在时间０到ｔ的所有时间点的解答已经求得，下一步需要求解时间为ｔ＋Ａｔ时刻的各个力学量。这是一个典型的步骤，反复使用此步骤，就可以求得问题的全部解答。２．３．１更新拉格朗日（ｕ．Ｌ）格式针对切削中的几何非线性问题，Ｍａｒｃ在模拟计算时采用更新的Ｌａｇｒａｎｇｅ形式，这种格式中所有变量Ｐ４日，Ｉ间ｔ的位形作为参考位形。在此格式中，利用虚位移原理，建立时削ｆ＋△，位形内物体的平衡条件相等效的方程：Ｉ”出ｔ０－＃万ｔ＋Ａｔ白”出ｄＶ＝ｔ＋ＡｔＱ（２．４５）式（２．４５）中”：盯ｐ”“Ｖ、“。Ｑ分另Ｕ是时间ｆ＋Ａｔ位形的ＥｕｌｅｒＩ立ＪＯ、体积和外载荷的虚功，其中，＋血Ｑ＝ｆ＋△ｆｌ，嚣皇屯ＪｂｌｋｔｄＳ＋』＋虬”酊ｐ，ｔ＋＋。Ａ以ｔ勖ｔ“出ｄ矿２４６）其中ｄｕ。是现时位移分量”““。的变分；点＋△，ｇ。是相应无穷小应变的变分；。／＋ａＺ／、ｊ＋…ｚＸｔ［。分别是时间ｆ＋Ａｔ位形的、并在同一位形内度量的体积和面积载荷。方程中所有变量是以时蚓位形即物体更新了的位形为参考位形，方程（２．４５）可以转换为：ｊ．。＋６７ｓⅣ万。。≈占Ｆ７ｄＶ＝ｔ＋ＡｔＱ（２４７）式（２．４７）中”々ｓ。和“掣占。分别是时间，＋△，位形的Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ｝立力张量和Ｇｒｅｅｎ应变张量，它们都参考于时间ｔ位形，可以分别称为更新的Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ应力张量和更新的Ｇｒｅｅｎ应变张量。它们与”“盯。和“４Ｐ，，有如下关系：江苏大学硕士学位论文…ｔＳｕ２ｉｒ。ｐ９ｌ＋ＡｔＯ＂…＋。ｔｗｎ＾ｓＣ％‘ｔ＾＿１ｔ＾ｓ．１ｔｘ叫（２．４８）ｔｃｔ｜一“气￡ｔ｜三墙ｅ．ｓ·ｔ＋Ａｔｔｘ～·ｔ＋Ａｔｉ（２．４９）为建立增量方程，应力的增量分解为：“６｜Ｓｊ＝ｔＧｊ＋ｔＳｊ关于应变增量，存在以下关系：（２．５０）”≈白＝，白式（２５１）中．ｔ￡ｕ一－－ｔｅ．ｆ十ｔ‰’（２．５１），ｅｕ：ｌ（ｔｌｇ，，ｔ＋ｔｌＡｔａ），％：去叫¨．，‰，利用以上各式，式（２４５）可以改写成（２．５２）ｌ，Ｓｏｄｔｇ！ｊ。ｄＶ＋』７吒蚋。‘ｄＶ＝“血Ｑ一卜口Ｊ，ｅｖｔｄＶ线性化处理Ⅲ１。（２５３）用ＵＬ格式得到的方程（２．５３）是非线性的，为了实际求解，需要预先对它们进行２．３．２平衡方程的线性化假定方程（２．５３）中第一个积分内的应力增量，Ｓ。和，占。成线性关系，即Ｓｕ一－－ｉＤ扪ｓｌ其中，Ｄ。。是时间ｔ的函数，并参考于时问ｔ位形度量的切线本构张量。将方程（２．５４）和方程（２５１）代入（２．５３）得ｔ２．５４）ｌ＿ｆＳ０６ｔｓＥｄｙ＝ｌ＿ｆＤｉｊｋｌｔｅｋｌ５｜ｅｕ’ｄＶ＋ｌ＿ＩＤ口ｋｌｔ６ｔｌ＼ｔｅｕｋｒｑｉｌ＋ｔｑｋｌｅｏ＋。ｑｋ！ｑ●ｄｙ（２．５５）此方程变分的结果将得到关于位移增量“．的线性方程组，作为有限元的基础。它可以模拟构件加工的全过程，从仞始的进刀到切削的完成ｏ…。江苏人学硕十学位论文２．４非线性有限元法的求解２．４．１增量步迭代算法金属切削过程中材料的变形行为是三重非线性问题，即几何非线性、材料非线性、边界条件非线性。几何非线性是由位移之｜、日Ｊ存在非线性关系引起的；材料非线性是由于应力应变非线性关系引起；第三种非线性行为由边界条件引起，如果结构上施加的载荷与结构位移的关系不为线性就会引起非线性。无论几何非线性、材料非线性还是由边界条件引起的非线性，所描述的非线性有限元方程，都要通过迭代增量非线性有限元方程组爿＋能完成方程的求解。对于增量非线性有限元方程组，通常采用牛顿一拉弗森法或修『Ｆ牛顿一拉弗森法迭代求解。牛顿一拉弗森法每次迭代需重新形成迭代位移更新方程组系数矩阵，并重新分解。但该方法收敛性较好，适用于高度非线性问题，如图２．１。修『Ｆ牛顿一拉弗森法每次迭代都采用增量步丌始时的系数矩阵，只在每个增量步开始时才重新更新系数矩阵并重新分解。收敛慢，适用于非线性程度较低的问题，如图２．２。本文的模拟都采用牛顿一拉弗森迭代法”…。ｐ∥每ｒ■ｌ：！稃￡，ＩＵ血‘：。———：：照！■．ｊ’：ｊ：，”。‘…””——？——‘ｒ啃。“’！“，Ｕ幽２１牛顿一拉弗森迭代法龇２修正牛顿一拉弗蓑２．４．２非线性迭代的收敛判据弹塑性有限元法在采用迭代法求解过程中存在一个收敛判掘问题，即就是迭代何时终止的问题。判断收敛性的判据主要有检查残差、检查位移和检查应变能三类判据。贱差检查度量迭代的近似位移所产生的内力（矩）与外载荷之间不平衡的程度。位移检查度量两次迭代位移或转动之差与增量步内实际的位移变化之比。检查应变能度量两次迭代应１７江苏人学硕十学何论文变能之差与增量步内实际的应变能之比…１。对于本课题研究的金属切削问题，选择位移检查判据。２．４．３有限元法求解的基本步骤及流程”“２．４．３．１有限元法求解的分析步骤用有限元法求解的一般分析步骤如下：（１）建立有限元模拟初始模型，包括工件网格划分、材料模型、模具型腔几何信息及其运动和边界条件等各方面的信息：（２）构造或生成初始速度场：（３）计算各单元刚度矩阵和残余力向量，并进行斜约束处理：（４）形成整体刚度矩阵和残余力向量，并引入速度约束条件消除奇异性：（５）解整体刚度方程得到节点速度增量，修正节点速度并检查收敛情况，若收敛转入第６步，反之重复（３）～（５）：（６）由几何方程和弹塑性本构关系求出应变率和应力场：（７）确定增量变形时削步，并对工件构形、应变场和材料性能进行更新，同时检查工件接触边界并更新之：（８）若预定变形未完成，则重复（３）～（７）步，直到变形结束。２．４．３．２有限元法求解的基本流程由于非线性问题的复杂性，利用有限元求解方法能够得到的解答是很有限的。随着有限元方法在线性分析中的成功应用，它在非线性分析中的应用也取得了很大的进展，并且己经获得了很多不同类型的实际问题的求解流程方案，如图２．１为分析非线性问题的一种常用的流程方案，见图２．３。江苏人导‘硕十学位论文隋蠢誉蔷幽２３１ｒ线性求解流拌剀２．５本章小结金属塑性成形是个复杂的几何非线性、物理非线性的过程，随着计算机技术的发展，有限变形弹塑性有限元模拟技术在会属成形领域发挥着重要作用。本章对有限元计算的数学理论进行了详细的阐述，主要涉及了材料非线性问题、几何非线性问题以及非线性有限元法的求解问题等方面。这些理论知识是以后进行数值仿真的基础。｝上苏人学硕十学何论文第三章有限元仿真系统的建立与关键技术的处理利用弹塑性有限元法计算时，会遇到一些技术问题需要处理。这些问题处理的成功与否，会直接影响计算的能否正常进行。因此从某种意义上来说，它们是正确使用弹塑性有限元法的难点所在。显然，这些问题的成功解决将会使有限元得到更广泛的３．１关键技术的处理３．１．１材料模型的建立本研究中，假定刀具材料为刚性材料，因其强度、硬度远高于工件材料，所以在切削过程中产生的应变非常小，分析时只考虑其摩擦、热传导等影响。工件材料被认为是弹塑性材料。切削过程中，由于温度、应变和应变率的增加，工件材料在切削区域发生变形。工件材料处于弹性变形时的特性参数为弹性模量Ｅ和泊松比ｙ。在塑性变形时，流动应力模型考虑这些因素对材料特性的影响，由ＪｏｈｎｓｏｎａｎｄＣｏｏｋ的经验模型公式ｍ３。ｄ…ｓ”卜封一［若门ｃ。ｔ·，式中，Ａ、Ｂ、ｎ、Ｃ和ｍ是由材料自身决定的常数；瓦，为材料的熔点；ｚ为室温；％为参考应变速率。公式中等号右边第一部分表示应变占对流动应力盯的影响，第二部分表示应变速率占对流动应力盯的影响，而最后一部分表示温度Ｔ对流动应力盯的影３．１．２摩擦模型的建立有限元模型中的摩擦模型是将刀具切屑的相互作用，看成是一个变形体（切屑）与一个刚性面（刀具ｆｉ；ｊ－ｊｊ面）之划的相互作用。当任何一个切屑表面上的节点与刀具６口刀面之阳Ｊ的距离等于０时，引入一个表面之问的相互作用计算，采用拉格朗ＦＩ乘式增强运动约束。通过这个约束来防止变形体穿透进入刚。Ｉｔ面。接触面上的正应力通过切屑的变形计算得到。摩擦应力则通过规定的摩擦应力和丁Ｆ应力的关系来计算。基于关系式（３．１）的双参数摩擦模型被用于有限元模型。刀具一切屑接触面有两个不同的摩擦区：滑动摩擦区和粘结摩擦区”…。滑动摩擦区的摩擦应力与局部正应力江苏大学硕士学位论文成比例，而粘结摩擦区的摩擦应力则保持常数。』ｒ，（ｚ）５，帆ｒｂ滑动摩擦区ｒ，（。）＝‰粘结摩擦区（３．２）式中ｆ。。为摩擦应力，∥为摩擦系数。摩擦应力ｆ。：为刀具一切屑接触面应变、应变率、温度的函数，见等式（３．３）。盯，＝。。。）“（；］”ｅｘ一（＿Ｋ。ｒ）＼／ｃｓ．。）摩擦系数Ⅳ是一个已经确定的常数。３．Ｉ．３热传导有限元模型的建立切削加工过程中有大量的热产生，导致刀具和工件迅速升温。平面『Ｆ交切削的热传导偏微分方程如式（３．４）所示１‘１五［窘＋雾］一声●豢＋Ｖ茜］＋６＝。式中ｃ。．。，五——热导率７１——温度Ｐ——材料密度ｃ——热容ｘ，Ｙ——笛卡儿坐标“√——运动热源在Ｘ和ｙ方向的速度分量Ｑ——单位体积的热产生率其中单位体积的热产生率Ｑ由下式得到”…６：坠（３．５）式中Ｍ——热功当量：％——塑性变形功转化为热能的比率，该试验中假设９０％塑性变形功转化为热能，即矾取为９０％：江苏人学硕十学何论文∥，——为塑性应变速率；Ｐ——为密度。刀具的前刀面与切屑以及后刀面与已加工表面之间的摩擦生热如式（３．６）所示Ｑ，＝ｆｖ．（３．６）式中ｆ，——接触界面的摩擦力；Ｐ——两个接触面的相对滑动速度。，Ｊ具和工件的自由表面与空气发生的对流散热由式（３．７）决定ｑ。＝＾（ｒ，死）（３．７）式中ｈ——对流换热系数：咒——工件（或刀具）的表面温度；瓦——周围空气的温度。３．１－４模拟中网格畸变判据及网格重划分在用有限元法对大变形问题进行分析时，往往会出于工件的过度大变形造成单元网格畸变严重，从而使后继分析建立在质量低劣的网格上，影响结果精度，甚至导致分析中止，解决这类问题的方法之一是对畸变的网格进行重新划分。切削加工过程属于大变形，网格畸变十分严重，因此如何对畸变网格进行重划分成为分析切削过程的关键之一。网格重划技术包括三个方面：网格畸变判据，新网格生成和新旧网格系统之间的状态参量传递。３．ｉ．４．１网格畸变判据ｌ、网格畸变判定依据‘…如何判断网格畸变是网格重划分的前提，通常人们提出以下三种判据：（１）基于几何关系对网格的边或内角限定某范围进行判定；（２）基于拓扑关系判定［件网格和模具的拓扑关系：（３）基于物理量判断选定的物理量是否满足给定值。２、网格重划分准则根据这几类判定依掘，人们提出以下几种网格重划分准则：单元畸形准则、接触江苏人学硕十学位论文穿透准则、增量步准则、内角偏差准则等，这些准则也可任意组合使用。（１）单元畸形准则该准则是基于增量步结束时单元角度的检查及对下一个增量步单元角度变化的预测，如图３．１所示，当ＣＯＳ＞０．８Ｉ｜．ｃｏｓｐ＞０．９，或ｃｏｓａ＞０．９且ｃｏｓｆｌ＞ｃｏｓ口。。时口丁认为币．元畸变严重，需要网格重划分。图３．１单元畸形准则（２）接触穿透准则该准则基于检查单元边和其他接触体的距离，通常在分析时设立穿透极限，当检查的单元进入其他接触体的距离大于穿透极限时认为发生穿透。图３．２是工件与刀具的接触穿透示意图，图中弧线代表刀具的外轮廓，四边形代表工件单元，当工件的单元边进入刀具的距离ｂ大于穿透极限时认为发生接触穿透，需要网格重划分。图３．２接触穿透准则（３）增量步准则（４）内角偏差准则按指定的增量步间隔进行网格重划分。当单元内角与理想角度的偏差大于一定值时，工件的网格进行重划分。ＭＡＲＣ软件中默认四边形或人面体的理想角度是９０。，对三角形或四面体的理想角度是∞。”…。３．１．４．２新网格的生成网格重划的第二步是如何生成新的网格，新网格系统的生成有多种方法，如特征法、拓扑分解法、节点连接法、映射单元法、几何分解法、基于栅格法、空脚编码法等。其中特征法用的较多，是将旧网格棱线或外轮廓面作为特征线或特征面，并将其上的点提取出来，作为新网格线或轮廓面上的参考点，将旧网格与刀具接触的点提取出来，作为新网格的边界点。，１江苏人学硕十学位论文３．１．４．３新旧刚格系统之｜＿日Ｊ的状念参量传递”“为保证分析的连续性，必须在新旧网格之间建立联系，将旧网格结点上的分析结果传递到新生成的网格上．这一过程称之为新旧网格系统之间的状态参量传递，一般经过以下步骤：（１）在旧网格系统内．将状态参量由高斯积分点转到旧网格结点上，实现时一般采用面积加权法。如图３．３所示，ｇ点为旧网格的高斯积分点，ｉ、Ｊ、ｋ、ｌ为旧网格结点，ｇ点被ｍ个单元包围，则该点的状态参量值口。为：∑ｇｑＦ＝５ｌ（３．８）其中ｑ：为ｉ点处的状态参量值：Ａ。为包含结点ｇ的单元面积。ｋ图３．３新旧网格参量传递（２）包含测试。测试新网格结点位于旧网格哪个网格，主要方法有三种：交点数目判定法，内角和判定法Ｈ硝｛析几何法。（３）将旧网格结点ｉ、ｊ、ｋ、ｌ的状态参量插值到新网格结点芎上。实现时有以下四种方法：面积加权法，将旧网格结点上的状态参量通过面积加权法转移到新网格结点上：形函数插值法，新结点上的状态参量由这一结点所在单元的顶点状态参量插值求得；最小二乘法，根壬｜ｊ：新ｆ口网格的场变量分向之差的平方最小确定新网格的场变量；跟踪点法，设置随变形体变化的跟踪点，网格重划后，跟踪点仍在新网格中。新网格的场变量认为是其所包含跟踪点的场变量的平均值。（４）在新网格系统内，将结点的状态参量转到新高斯积分点上，实现时有形函数直接插值法和面积加权法。由于网格的重划分是一项难度很大的：［作，涉及到有限元法、切屑成形理论、数值计算方法、计算机图形学等多学科的内容，因此编制通用的网格畸变处理程序十分江苏人学硕十学何论文困难。在这方面，ＭＡＲＣ软件解决了二维和三维的网格重划问题，能够处理二维和三维的网格畸变问题。３．１．５热一机耦合问题的处理目前，国内外广泛地用于热一机耦合分析的主要算法有总体拉格朗日方法、更新的拉格朗同方法或欧拉方法拙述热弹塑性。下面的讨论为更新的拉格朗日描述方法，给出了与温度场耦合Ｉ｜Ｊ，ｊ大变形热弹塑性分析的增量有限元表示。对体积为矿，边界为Ｓ的连续介质，可写出能量守恒方程：，ｐ，挚¨，詹蚴阽．Ｐ白＋印ｖ，沙十Ｐ¨一日炳面积上的边界力：Ｈ是边界ｓ上的单位面积的热流强度。对体积为矿，质量密度为ｐ的连续介质，可建立积分形式的力平衡方程：ｃ。·。，其中：ｖ，是速度场：型是给定内能：Ｑ是给定体积热流：ｂ，是给定体积力：Ｐ是单位．小一钟矿＝ＰｇＩ入柯西应力分量Ｅ，，压力可用柯西应力表示为：Ｐ＝胛．Ｏ－ｉ！㈣㈣（３．１１）ｎ，表示表面Ｓ的单位法线方向。将力平衡方程引入能量守恒方程（３．９），可得热一机耦合的能量守恒方程：拟百一瓣％抖矿｜觥依据虚功原理，可建立结构位移Ⅳ所需满足的下式：＠㈦吼等肌畛？肌晦即Ｖ有限元法处理热一机耦合问题。呱ｍ进一步假设可忽略惯性项的影响，则（３．１３）式右端第二项可去掉。并且假设物体Ｖ的能量方程和力平衡方程都是建立在当前的构型上。因此，可用弱耦合的增量非线性采用更新的拉格朗同技术处理热～机藕合方程求解的作法是，在每个增量步开始时，由当前位移增量修币域ｙ和边界Ｓ。并且在增量步内交替迭代力平衡方程和能量江苏大学硕＋学位论文守恒方程。分析中，对热弹塑性描述采用Ｍｉｓｅｓ屈服准则：Ｆ＝；～～一；孑１仁’，７一）＝ｏｃ３．－４，其中ｓ．．是应力偏量，孑、；’分别为等效应力和等效塑性应变。后继塑性应变流动时应满足ｄＦ＝０，可推出：…一盯——一一盯——一＝旦堕一一２－－盯一ｄｏ＂一三盯塑竺：Ｕｎ（３．１·５）Ｌ６．０Ｊａｏ。Ｏｔ３蠢ｐ３ＯＴＯｔ将总的增量应变分解成弹性、塑性和热应变：堡：堕＋盟箜＋盟（３．１６）ｃｏｔＯｔＯｔＯｔＯｔ其中，各向同性材料的弹性应变满足：Ｏ－Ｈ＝Ｄ。ｑ、ｓ；ｔ３．１７）进一步可得应力变化率：鲁～Ｄ！ｌ（丁１＂堕Ｏｔ十掣占：㈣，ｓ，注意到上式右端第二项是温度变化率的函数，在耦合分析中，温度增量是未知的，但通过交替迭代技术可以获得温度近似值。对大变形热弹塑性问题，（３．１８）式可写成率形式：（７－ｉ＝Ｌ，ｊｋ＋Ｄ女一＾，，Ｔ（３．１９）其中。ｏ－；！为焦曼应力率，Ｄ是变形率。分析时，温度场的求解需处理（３．１２）式。在体积给定的前提下，（３．１２）式可退化成解耦的形式：，辨一百ＤＵ（Ｔ）≯肚。ＩＨｄＳ㈣ｚ∞定义表丽外法向为一的表面热流玑＂，＝Ｈ，可进一步得：户（百一掣］＿鲁＝。㈦ｚ－，假设材料遵’．１’ＦｏｕｒｌｅＦ热传导法则：江苏人学硕十学位论文９，＝一ｋ３，！ｌ万８Ｔ并忽略弹性应变能影响，将内能用温度的函数表示为：（３．２２）—Ｄ—Ｕ：—Ｄｃ—Ｔ～Ｄｔ２百（３．２３）。。’２。’其中Ｃ是材料比热。用加权余量的Ｇａｌｅｒｋｉｎ法可得（３．２０）方程的等效弱形式：』印函肛。ｇＨｄＳ２，ｆ印等ｄｙ＋．摩％硝８＿Ｔ，ｄ矿百≈百竹”，万Ｄｃ７’ａ７１ａｒｃ。·ｚ。，（３．２５）其中ｇ是Ｏａ］ｅｒｋｉｎ权函数。方程（３．２５）的右端第二项代表了质量迁移的对流传热贡献。用更新的拉格朗同方法，将参考坐标系建立在当前构型上，保证每个单元的质量守恒，就可消去第二项。也就是说站在当前坐标系中无法体验到质量迁移的对流作用。但是，如用欧拉法求解，就必须包含此项。温度场求解时，对塑性耗散功转化成的热量以焓的形式表示：丁等＝厂等／常取０．９。进一步将塑性功生成的热流写成给定的体积热流：㈣ｚ。，其中型！竺是塑性功率，，，是塑性功中转化成热流的那部分比例函数。对金属来说，Ｑ＝蟛等其中Ｍ是功与热的转换系数。热流的关系：ｑ。＝ＭＦ“匕，（３２７）当发生接触并且不忽略摩擦力的影响时，采用下式建立描述摩擦力功转化成表面（３．２８）其中￡“为接触表面摩擦力，兰，为表面相对滑动速度，Ｍ为功热转换系数。在处理摩擦生热时，应用软件将两个接触表而相互作用生成的摩擦热流平均分配到这两个表面作为表面热流强度。采用交替迭代方法求解更新拉格朗Ｆ１描述的热一机耦合方程的主要思路如下：在江苏人学硕十学ｆ市论文每个增量步开始时将几何形状更新，在新的拉格朗闩坐标下分析温度场方程。采用非线性方程迭代解法求解热传导方程的等效温度场递推关系式。收敛后，在同一增量步中，更新温度值，评价材判力学性质和热应变，迭代求解力平衡方程，收敛后．进行下一增量步的分析直到所需昀增量步结束”…。３．２有限元仿真系统结构组成金属切削过程仿真系统的建立，就是将弹塑性有限元理论、刚塑性有限元理论、金属塑性成形工艺学、计算机图形处理技术等相关理论和技术进行有机结合的过程。按照实施成形过程仿真的流程，仿真系统的功能大致可分为前置处理部分、有限元求解器和后置处理部分。其中，前置处理部分和后置处理部分又是建立在计算机图形处理系统的基础上的…。３．２．１前置处理该部分是仿真系统的重要环节，其先进性直接关系到过程仿真的效率。对于金属切削问题的仿真，约有６０％左右的时问被消耗在６“置处理环节。该部分的基本构成应包括：１、用户交互界面的设计：２、力学模型的建立与离散化：３、初、边值条件的提法：４、材料模型的确定：５、数据交换接口的设计。其中，力学模型的建立与离散化以及初、边值条件的提法是前置处理的关键；用户界面的设计应考虑到其交互方式的友好性，以便于用户理解仿真过程，并能实时地监控仿真过程。材料模型的确定方式主要包括：①用户按照系统提供的弹塑性、弹粘塑性、刚塑性、刚粘塑性模型输入１，ＬＩ应的热、物性参数：②根据用户提供的实验曲线及数掘，系统自动进行拟合及转化成仿真系统所需的模型和参数。数据交换接口为用户提供与其他图形系统的数据和几何信息的交流途径，目前主要以ＩＧＥＳ、ＤＸＦ和ＳＴＬ文件格式进行转换。３．２．２有限元求解器有限元求解器的功能是对力学模型进行相应的单元分析与组集，通常经一系列的技术处理将求解问题转化成一线性方程组进行求解。对于用户来说，可将有限元求解江苏人学硕十学位论文器视为“黑体”。３．２．３后置处理后置处理的作用是对有限元计算产生的大量数据进行解释，以便形象地、直观地描述塑性成形各个阶段的变形行为。其关键技术在于计算结果的可视化。通常，仿真系统经过后置处理后能向用户提供如下结果：１、金属的塑性流动模式；２、金属变形的应力场、应变场、温度场的分布（常以等值线、等色面表示）３、多种力能参数曲线。３．３建立仿真系统的软件平台有限元仿真技术具有系统性好、继承·｜牛好、可延续性好等优点，还不受时间、空问和实验条件的限制，一旦获得较好的仿真效果，则可大大缩短工艺设计的时间和成本。近年来，有限元法已成为解决各种问题强有力的工具，许多国家都编制了大型的有限元软件。常用的大型商业有限元分析软件有ＬＳ—ＤＹＮＡ、ＡＢＡＱＵＳ、ＭＡＲＣ、ＡＮＳＹＳ等。ＭａｒｃＡｎａｌｙｓｉｓＲｅｓｅａｒｃｈＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（简称ＭＡＲＣ）＇自ｗ］立于１９６９年，创始人为美国布朗（Ｂｒｏｗｎ）大学应用力学系教授ＰｅｄｒｏＭａｒｃａｌ。作为全球第一家非线性有限元公司，几十年来，ＭＡＲＣ一直致力于非线性有限元软件的丌发、销售和售后服务工作，使ＭＡＲＣ程序称为世界上功能最全、最先进的非线性结构分析有限元软件之一。已被广泛应用到国防、航空、航天、汽车、造船、机械制造、材料成型、冶金工艺等方面。Ｍａｒｃ是基于位移法的有限元程序，在非线性方面具有强大的功能。程序按模块化编程，工作数组可根据计算机内存大小进行调整，如对精度要求较高可用双精度进行运算。当单元数、节点数太多，内存不能满足需要时可以利用外存进行分析。在分析过程中，可以变更华元的划分和节点数目。Ｍａｒｃ／Ｍｅｎｔａｔ是通用有限元分析软件，其包括前后处理界面Ｍｅｎｔａｔ和求解器Ｍａｒｃ。Ｍｅｎｔａｔ可以自动生成Ｍａｒｃ分析计算所需的模型数据文件。Ｍａｒｃ分析后所生成的结果文件即为后处理文件，可由Ｍｅｎｌａｔ读入后进行数据结果的图形显示。Ｍａｒｃ剥非结构的场问题如热一机耦合有很好的求解技术；Ｍａｒｃ对接触问题定义简币，求解快速。ＭＡＲＣ捌有询多对用户）７：放的子程序，用户可以根据各自需要编制用户子程序，实现对输入数据的修改、材料本构关系的定义、载荷条件、边界条件、约江苏人学硕＋学位论文束条件的变更等。ＭＡＲＣ提供了丰富的结构单元、连续单元和特殊单元的单元库，以及模拟金属、非金属等多种材料的本构关系和材料库，通过提供多种非线性求解技术实施对多种问题，包括：线性、非线性、断裂、损伤、屈曲、失稳、热传导以及各种耦合场的模拟。几十年的成功应用表明，Ｍａｒｃ是功能强大而且可靠的非线性有限元分析软件，本文就是采用Ｍａｒｃ进行会属切削过程的有限元仿真的，且得到了可靠可信的结果。３．４本章小结本章对有限元仿真系统的构成以及相关的关键技术处理等方面进行了详细的阐述，主要涉及了材料模型、摩擦模型热传导模型的建立，网格重划分，热一机耦合问题等。同时还介绍了高度非线性有限元分析商用软件ＭＳＣ．Ｍａｒｃ。江苏大学硕士学位论文第四章切屑形成过程的有限元仿真４．１切屑形状参数数学模型的建立４．１．１切屑的分类在金属切削加工过程中，切屑形状千变力ｆ化，要实现切屑形成过程仿真，必须将切屑形状参数化，并根掘加工条件计算这些参数。多年来，国内外学者对切屑形状及其形成进行了大量深入的研究，建立起十几种切屑形成模型，在切屑流动方向、切屑卷曲机理和切屑折断方式等方面取得了重要成果６０１。但由于切屑问题极为复杂，许多研究尚属于定性分析，特别是对切屑横向卷曲还没有量化计算的方法。本节根据切屑的形成机理及变形规律，给出了切屑的分类，并将各种切屑抽象，分析了切屑量化的基本参数，建立了切屑截面参数和卷曲半径的数学模型，为切屑生成的实时仿真提供了依掘。切屑的种类与工件材料以及切削条件有关，可分为带状切屑、节状切屑、单元切屑和崩碎切屑等４种，本论文主要研究对象为易形成带状切屑的塑性较好的材料。根据ＣｌＲＰ切屑分类法“…，可将之分成如下四种基本类型：（１）连续螺旋屑：切屑沿刀具卷屑槽流出时，没有碰到阻碍或碰到阻碍后又脱离阻碍，将形成不同形态的连续螺旋屑；切屑半径较大时形成松散螺旋屑；半径较小且切屑较宽时形成卷紧的管状切屑，称为螺管屑。（２）发条屑：流屑角较小时，切屑向上卷曲碰到工件加工表面，由于工件旋转使切屑向下弯曲，曲率半径变小，后续切屑则包在外面，使其直径不断增大，当变形达到应变极限时切屑被折断，形成发条形切屑。（３）ｃ形屑或弧片形屑：流屑角较大时，切屑卷曲后让过工件向下流动碰到后刀面，继续流出的切屑使卷曲半径逐渐加大并被折断，因折断前的变形程度不同，切屑较软时形成ｃ形眉，较硬时形成弧片形切屑。（４）挚圈形切屑：以横向变形为主时，切届流出后伸向工件待加工表面，由于工件旋转将切屑顶端向下推动，使切屑产生扭转变形而被扭断，形成垫圈屑。后刀面阻碍也会产生垫圈屑。｝上苏人学硕十学位论文４．１．２切屑形状参数数学模型的建立幽４１螺旋切屑形状参数刀具切入工件时，切削层金属经剪切面发生塑性滑移变形成为切屑，经刀具前刀面后，卷曲变形，自然形成一个等螺距螺旋形切屑。其形状可由螺旋外径２ｐ、螺距Ｐ、螺旋面与轴的央角日确定（如图４．１）。切屑流出后受工件、刀具及机床等阻碍引起再度变形切屑流出后受工件、刀具及机床等阻碍引起再度变形或折断，从而产生各种类型的切屑，因此，其它类型切屑均可视为螺旋切屑的演变和组合。从切削机理方面分析＇影响螺旋形切屑形状因素有：上向卷曲曲率形，，横向卷曲曲率形：和切屑的流出角≯。根掘上面的参数，则切屑的形状参数可以表示为。２１ｔａｎ口：—』Ｌ（４．１）Ｐ二ｃｏｓ≯（４．２）厂Ｆ五丐忑巧一１『面面刁■【万了ＪＤ一；丝丝！皇０√ｌ—ｓｉｎ２２（４．３）ｃｏｓ切削加工过程中，形。、肜二和≯受到许多因素的影响ｔ这些因素主要包括加工参数、刀具尺寸、工件和刀具的材质以及切削用量等。４．１．２．１切屑截面参数数学模型的建立确定螺旋形切屑截面形状的参数有：切屑厚度ｈ∥切屑宽度ｂ，切屑偏角Ａ。，如图４．２所示。江苏人学硕＋学停论文幽４，２切屑轴截面参数ｌ、切屑厚度的数学模型在实际车削过程中，生成切屑的厚度受到许多因素的影响，对甘Ｊ屑厚度的计算作如下简化”１。。在ｄ。＞．，时ｔ即当切削深度大于进给量喇，如图４．３（ａ）所示，参与切削的主切削刃比副切削刃长，理论上形成的切削截面是阴影部分。因此，切屑厚度的预测计算公式如下＾ｈ＝ＡＢ＝ｆ／ｓｉｎｋ，其中ｋ为主偏角。（４４）在“，＜／时，即当切削深度小于进给量时．如阉ｄ．３（。）所示，参与切削的主切削刃和副切削刃长度相差不大，理论上形成的切削截面是阴影部分。因此，切屑厚度的预测计算公式如下ｈ扩４口＝％ｔ（４５）（ａ）ｄｐ＞／幽４３切屑Ｊ旱度计算截面简剀（ｂ）Ⅱ。＜，２、切屑宽度的数学模型在切削过程中，刀尖圆弧半径＿及副切削刃参与切削的比例是随背吃刀量口，及进江苏人学硕十学位论文给量厂的变化而有所不同。因此将切屑的宽度预测公式分以下几种情况讨论”“。（１）ｒ＜００ｌｍｍ虽然在实际生成中极少使用如此小的刀尖圆弧半径的车刀，但为了使模型具有广泛的使用范围，在此仍将其视为刀具的一种状态进行数学建模。。矿Ｋ＋端＋褊］＿其中，ｔｉ为副偏角。㈤ｅ，（２）Ⅱ，，＞／＂ｃ（１一ｃｏｓｋ，）即主切削刃与刀尖圆弧同时参与切削加工的情况当ｋ＞．ｆ／２时。扩Ｅｌｈ｝’－皿＿。瓜Ｆｈ＝Ｃ／，Ｊ—ｏ（１一ｃｏｓｋ，）。当０≤ｆ／２时｜；㈨℃一０Ｌ吣差耋（４．７），一矾１¨¨川√式中０为刀尖圆弧半径，ｈ为主切削刃参与切削的直线部分在背吃刀量方向上的投影。扩黼皿＿‘压Ｆ十彘趴“＂研（４．８）式中Ⅳ为副切削刃参与切削的长度。可由下式计算。Ｈ一、ｆ土＋上－ｔａｎ。（ｓｉｎ２ｋ，ｓｉｎｋ，（３）ａｐ≤ｏ（１一ｃｏｓｋ，）ｋＩ１＋／，１（４．９）即仅有刀尖圆弧部分参与切削的情况。ｔ户２＿ｓｉｎ；舀ｒｃｃ。ｓ《，ｊ～，，）／‘】＋ａｒｃｓｉｎ（厂／２。）｝（４．１０）江苏人学硕＿｝学位论文当ｒ≤ｆ／２时６。。＝２‘ｓｉｎ；｛ａｒｃｃ。ｓ№一ｄ，）／。】＋≈ｊ＋ＨＩＧ｝４．１．２．２切屑卷曲半径数学模型的建立１、切屑上卷曲率的数学模型（４．ｉｉ）切屑上卷半径月。主要与卷屑槽和积屑瘤有关５…，由于目前常用的硬质合金刀具切削速度较高，一般小会产生积盾瘤，凼此小考虑积屑瘤对切屑形成的影响。当ｆｉ｛『刀面有卷屑槽时，切屑流出受槽型后壁的作用使切屑抬起，切屑根部受弯矩作用，在自由面一侧形成压应力，在前刀面一侧形成拉应力，使切屑产生上向卷曲（见图４．４）。由此可得Ｒ。＝（ｗ－，，）ＣＯＳ昙Ｚ（４．１２）其中刀屑接触长度。吐。墼Ｓ１ｎ糕ＣＯＳ≠口∥（４．１３）切削厚度（４．１４）式中ｕ，为卷屑槽宽，ｏ为槽底央角，实验系数ｋ。ｚ２…１，摩擦角１３通过切削分力可求出。幽４．４切屑上向卷曲的产生机理设Ｃ，为其它影ｈｉ；：，３Ｎ素综合系数，则切屑上卷曲率计算公式为击一２百丽．Ｒ１———————、————————～ＷＣＯＳＯ－／２。【一，，）㈢㈣……２、切屑横卷曲率的数学模型江苏人学硕士学位论文目前对切屑横向卷曲的研究还只是作定性分析，认为切屑横向卷曲的主要原因是流出切削区的切屑在其宽度上存在流出速度梯度，如图４．５所示。造成流出速度梯度的主要原因足：切幅的横向流动、刀具的刃倾角以及副切削刃与刀失圆弧半径等。据此从理论上建立切屑横向曲率计算公式，未知因素由实验系数调整”…。幽４．５切屑横向卷曲的产生机理设切屑形成时在宽度方向上的变形量为△，受工件阻碍引起长度方向上的速度差△１一Ｋ—ｖｌ，其中中ｕ为切屑内侧流出速度；№为切屑外侧流出速度：同时产生角速度吐＝旦＝—＿竖＿（见图４．５）：令△ｖ：了譬ｖ，，△：ｂ。一ｂ。系数≈。１由实验求出，Ｐ：Ｉｐ：ｌ—ＤＤｋｗｌｂｏ则切屑侧流引起的曲率为击Ｐ二ｌ州△＋女。，，）２讯羔厕ｂ㈤，ｓ，……在同样切削厚度下，主副切削刃承担的负荷相当时，切屑横向曲率接近最大：而切削厚度越大，副切削刃对切屑的横向卷曲影响也越大。令主副切削刃长度之比为考，ｋ。：和ｎ。．为实验确定的参数，则副切削刃参与切削引起的曲率为上：＾。毋，，口。（４．１７）采用优化设计的方法，令七。ｌ、ｋ。，和ｄ。分别以步长１、０．１和０．１在１～５、Ｏ～１和Ｏ～１的范围内变化，代入各式求出计算值印二，通过切削实验得到测量值Ｌｐ：，求出使Ｅ（Ｌｐ二一ｃｐ二）２最小的一组系数＾。．、ｋ。和甜一设Ｃ：为其它影响因素综合系数，则切屑横卷曲率计算公式为ｂ１抖ｃ［氘‰坻批］－－一Ｃ㈤㈣江苏人学硕十学何论文４．２切屑形成过程的仿真模型的构造大部分国内的切屑形成过程的有限元仿真都采用的是２．Ｄ模型‘蚓脚’，２．Ｄ有限元模型仅仅适合于萨交切削的仿真，在研究车削、刨削等切削加工时，必须对切削情况进行限定和简化，不仅视觉效果差，更重要的是仿真的范围受到极大的限制，因此，有必要发展３．Ｄ有限元模型来仿真切屑形成过程。本部分主要采用３．Ｄ有限元模型仿真在正交切削和制刃切削条件下的切屑形成过程，为进一步对各种切削加工方法进行有效的有限元仿真奠定基础。４．２．１几何模型的建立与网格划分本章主要研究刀具切入工件丌始到稳态切削这段过程的仿真。采用三维有限元模型进行模拟，所建立的几何模型如图４．６所示。网格划分可采用三维六面体网格，也可以采用三维四面体网格。幽４６网格划分图４．２．２材料属性的定义金属材料非线性的本构关系主要分为以下四种类型，即弹塑性、刚塑性、弹粘塑性、刚粘塑性。有限元模拟的准确性很大程度上取决于本构关系能否真实反映材料的真实特性。在金属切削有限元仿真中，采用弹塑性材料模型时，既有塑性变形又有弹性变形，较为符合会属切削过程的真实情况。本课题中，为了保证仿真结果的更接近于实际情况，工件材料选用弹塑性模型，而刀具属性定义为刚性。为了与实验结果进行比较，工件材利根掘需要选择相应材料。与实验加工的材料相对应，输入丁Ｆ交材料属性（杨氏模量、泊松比、材料密度等），以及Ｊｏｈｎｓｏｎ的经验模型公式中的参数Ａ、Ｂ、ｎ、Ｃ和ｍ。ａｎｄＣｏｏｋ江苏人学硕十学何论文４．２．３施加约束与载荷假定工件在切削过程中为无限长。而在仿真模型中的工件不可能很长，否则计算效率会很低，必须用长、高都不大的工件代替，用必要的约束来模拟真实工件的边界条件。当研究切屑形成过程中的现象时。女ｎＸ，ｊ应力、应变、应变率和温度进行研究，以及对切屑卷曲现象进行研究时。应该将工件底面节点设定为Ｙ方向速度为０，右侧面设定为ｘ方向速度为０，刀具以一定的速度沿ｘ诈方向运动。这样就允许工件切入表面可以在切削力的作用下向Ｘ正方向少量变形，符合实际情况。如图４．７，具体设置如下：幽４．７研究切入阶段的Ｉ。什边界条件实现图①在工件底面建立一个刚性面，与工件为相互粘结（ｇｌｕｅ），Ｘ、Ｙ、Ｚ方向速度为Ｏ：②在工件的ｚ方向的侧面建立一个刚性面，与工件为相互粘结（ｇｌｕｅ），Ｘ、Ｙ、Ｚ方向速度为０；③在工件右侧面建立一个刚性面，工件为接触（ｔｏｕｃｈｉｎｇ），ｘ、Ｙ、Ｚ方向速度为０。以上论述了建模过程中的主要参数设置及其关键所在，具体细节没有详细描述。至此，有限元模型的构造己基本结束，模型完成后就可以递交分析、计算。４．３仿真结果与分析图４．８中的血幅图显示了用带有钝圆刀刃的刀具进行切削加工，其切削过程的仿真过程，同时也是切屑的形成过程。通过３Ｄ模拟的结果形象动态展示了工件材料在刀具的作用下，发生变形，切屑与工件逐渐分离，切屑发生卷曲变形。江苏人学硕十学何论文剀４．８切削过程的３Ｄ模拟图图４．９显示了工件材判的等效应力分布图。图中显示应力主要分布在第ｆ变形区、第１Ｉ变形区和第１ＩＩ变形区。江苏人学硕＋学位论文幽４９等效应力分布图（ＭＰａ）图４．１０显示了工件材料的总体等效应变分布图。图４．１０等效应变分布图图４．１１显示了工件材料的温度分布图。ｉ【．苏人学硕十学位论文幽４１Ｉｌ仆濡压分布幽（℃）４．３．１工件材料上温度的有限元仿真结果与分析图４．１２显示了仿真结果与文献上的实验结果”“的比较结果。工件材料为铸态高强度耐磨铝青铜。从图中可以看出，随着切削深度的增加或者是切削速度的提高，刀屑接触面最高温度和平均温度都相应地提高。在相同切削条件下刀屑接触面平均温度的仿真值和实测值之间的误差的最大值不会超出ＩＯ％，说明刀屑接触面平均温度的分析值跟实测值具有很好的一致性。Ⅲ湖Ⅲ锄Ⅲｍ＼卜世嚷鑫ＳⅢ瑚Ⅲ０．●Ｏ０１５多／２０一ｐｖｃ－－３．６ｑｌｒ／ｓ．最高温度一Ｖｃ＝３．６４ｍ，ｓ，平均温度一Ｖｃ：３．６４Ⅲ，ｓＪ实测温度一ｐｖｃ：１．Ｔ２州ｒｓ，最高温度一ｖｃ＝１．Ｔ撕，平均温度一▲一ｖｃ＝－Ｉ—Ｔ２ｍ，ｓ实测ｉ品度Ｏ．２Ｓ未变形切屑厚度ｗｍｍ剀４．１２切削温度随米变形切屑厚度变化图（ＨＪ＝１５。，口ｆ）＝１５。，＾Ｎ＝００，Ｗ＝３ｍｍ）４．３．２切削力的有限元仿真结果与分析图４．１３显示了仿真结果与文献上的实验结果”“的比较结果。从图中可以看出，无４ｌ江苏大学硕十学位论文论是理论分析得到的切削力，还是试验测量得到的切削力，与切削深度的关系曲线都接近是一条直线，体现了在其他切削参数不变的情况下切削力随切削深度线性增大的关系。比较各种切削深度下切削力的分析值与实测值，发现对Ｆｃ来说，分析值比实际测量值大１１％左右。晓明切削力的模拟值跟实测值具有很好的一致性。＿琶蛊长∞ｊ墨帅％；来¨变形“切。居。厚Ⅲ度ｋⅢ、垦幽４．１３切削力陋术变形切屑厚度变化幽（Ｖｆ＝１．７２ｍ／ｓ，ｙＤ＝１５。．口¨＝１５。，凡＝Ｏ。，ｗ＝３ｒａｍ）图４．１４显示了仿真结果与文献上的实验结果”１的比较结果。工件材料为热轧状态逞三恻。．一出嗣螋切削速度ｕ／皿·口ｉｎ＿１４．３．３刀具一切屑接触长度的有限元仿真结果与分析的４５钢ａ由图可知，随着迸给量增加，刀一屑接触长度有所增加，但增加得不显著：切削速度增加，接触长度略有下降：刀具前角增加时，接触长度稍有增加。仿真值与实验值的最大误差不超过１４％，说明两者具有很好的一致性。｝上苏人学硕十学何论文（ａ）ｆ＝０．１ｍｍ／ｒ，ｙ¨＝６。、垦三恻ｎ．。出摇蝼切削速度ｕ／Ⅲ·ｒａｉｎ一（ｂ）厂＝０．１ｍｍ／ｒ，ｙ¨＝１２。二出１２０切削速度ｕ／Ⅲ·ｍｌｎ＿１（“厂＝０．２ｍｍ／ｒ，ＹｆＪ＝６。蚶摇监１２０切削速度ｕ／Ⅲ·Ⅲｉｎ－１４３、星螂．４罐蝼江苏人学硕十学位论文（ｄ）．ｒ＝０．２ｒａｍ，ｒ，，，¨＝１２。图４．１４刀一屑接触长度随切削速度变化图（ａｐ＝２ｍｍ，ａ，＝６～７。，Ⅳｒ＝９０。）４．３．４正交切削条件下切屑卷曲的有限元仿真结果与分析切屑形成过程的实时有限元仿真结果见图４．８。这罩的仿真预测值分了３组进行研究，即分别研究了未变形切屑厚度、切削速度和刀具前角对切屑卷曲半径的影响规律，每组中其它切削条件固定。仿真的结果与文献上的实验结果ｍ３相比较，以验证仿真的效果。Ｉ、未变形切屑厚度的影响１‘。逞”岂啦ｏ＾Ｏ．１０．２Ｏ．３Ｏ．４未变形切屑厚度ｖ皿图４．ｔ５切屑卷曲半径随未变形切屑厚度变化图（ｖ。＝４．２３ｍ／ｍｉｎ，ＹＤ＝２０。）图４．１５是切屑卷曲半径Ｒ．随未变形切屑厚度变化规律的仿真结果与实验结果对比图。从闲中看…，切屑巷曲二｝，径随未变形切屑厚度的增加而增加。这是因为当末变形切屑厚度增加时，流入切屑的会属变多，刨屑的刚性增强而变形减少，从而使得Ｒ。增大。仿真值与实验值的误差不高于１２％。２、切削速度的影响江苏人学硕十学位论文呱／爱壬非鲁悄哩器切削速度ｕ。／ｍ·ｒａｉｎ－１图４．１６切屑卷曲半径随切削速度变化图（ｈ，，＝０．１５ｒａｍ，％＝２０。）图４．１６是切屑卷曲半径Ｒ，随切削速度，，，变化规律图。从图中看出，切屑卷曲半径随切削速度的增加而增加。仿真值与实验值的误差不高于１１％。３、前角的影响。‘‘逞０．４岂皑”井鲁。２非唾。．，恳Ｏ．Ｏ前角丫。广图４．１７切屑卷曲半径随前角变化图（ｈ，，＝０１５ｒａｍ¨Ｖ＝６．３２ｍＩｍｉｎ）图４．１７是切屑卷曲半径Ｒ。随刀具前角ｙ。变化规律图。从图中看出，切屑卷曲半径随刀具前角ｙ。的增加而减小。这是因为自Ｕ角的增大使切屑的厚度减小，切屑的刚性降低而变形容易，从而使得尺，减小。仿真值与实验值的误差不高于１３％。江苏人宁’硕十学位论文４．３．５斜刃切削条件下切屑卷曲的有限元仿真结果图４．１８中，工件材料为４５钢，刀具材料为工具钢。在这个例子中工件材料特性包括力学性能和热性能，而刀具被假定为刚体，只考虑其热性能。工件宽度为０．７Ｉｎｍ，未变形切屑厚度为０．３５ｍｍ，切削速度为０．Ｏｌｍｍ／ｓ。刀具前角为０。，刀具倾斜角度为２０。，刃口钝圆半径为０．１ｍｍ。刀具一切屑接触面上的摩擦特性为，ｆ＝Ⅲ．盯４３，聊＝０．２，盯为接触面卜的有效应力。将仿真切屑几何形态与文献上的结果””１相比较，显示了仿真的结果与实验结果有很好的一致性。图４．】８刀具前进０．９ｍｍ后的切屑几何形态：（ａ）高速摄影图：（ｂ）仿真结果４．４本章小结本章给出了切屑的基本类型、切屑形状描述参数的数学模型，这些数学模型为切屑形成过程的实时仿真提供了基础。其次在ＭＳＣ．ＭＡＲＣ系统中建立了３。Ｄ有限元模型，对金属切削过程进行了有限元仿真，获得了实喇有限元仿真结果；通过改变切削条件，４６江苏人学硕＋学位论文分析切削条件对切屑形成的影响。仿真结果与试验结果比较表明，切屑形成的有限元模型在切屑卷曲控制上具有一定的价值和理论研究意义。江苏人学硕十学位论文第五章金属切削毛刺的有限元仿真金属切削过程是被切金属在刀具切削刃和前刀面作用下变形、分离、形成切屑的过程。在切屑与工件分离的过程中部分已变形的被切令属残留在工件的边、角或已加工表面上，形成了会属切削毛刺。在大多数金属切削加工过程中，都不可避免地产生毛刺。毛刺不仅影晌零件的加工质量和精度，并且会给装配和使用带来麻烦。Ｇｉｌｌｅｓｐｉｅ指出，在高精度的零件加工中，去毛刺和棱边精加工最大能占加工成本的３０％”１。而毛刺是影响精密零件棱边质量及使用性能的主要因素之一“…。因此人们研究毛刺的形成机理，以便在加工中避免和减少毛刺的产生，提高生产率和加工质量，节约生产成本。５．１切削方向毛刺的理论研究５．１－ｌ毛刺的形成与分类…”金属切削毛刺是在刀具和工件ｌ’日Ｊ的相对运动过程中产生的。若以切削运动和刀具切削刃为基准对毛刺进行分类，可建立如表５．１所示的切削毛刺分类体系。表５１切削运动一刀具切削刃毛刺分类体系参考系纰成分类皋准主训削运动ｃｔＴＪ入一Ｉ毛刺种类七Ｕ入切削方向毛刺切削方向毛刺（Ｖ｝ｉ，Ｊ…ｔＪＪ肖，ｊ方向Ｅ刺ｏ．Ｖｌ－Ｖ毛刺的具体形式符吁定义或说明川具切入时沿切削速度方向产生的毛刺【』Ｊ削运动ＬＪＪ…．（）】姐给运动（训八－【：／Ｊ具切Ｉｌ；时沿切削速度方向产生的毛刺剀人进给方向毛刺进给方向毛刺（Ｆ）切｛Ｉｊ坦给方向毛刺Ｉ－Ｆ，Ｊ只切入时沿进给运动方向产生的毛刺Ｏ．Ｆ／Ｊ具训…时沿逍给运动方向产生的毛刺匕ｕ¨Ｉ－Ｏ）土圳削）３艮ｑ１ＹＪ（Ｓ）村侧方向毛刺（Ｓ）土州ｌ埘侧方向毛刺刺剐州曲侧方向毛刺Ｓ．Ｓ沿川具主刎削州产生的毛刺沿川且剐圳削川产生的毛刺削州苗’Ｊ切削Ｗ（Ｓ）Ｓ’．Ｓ图５．１所示为本文毛刺分类示意图。按照切削运动一刀具切削刃毛刺分类体系，各种切削加工中所产生的毛刺形式将是唯一的。并且，在相同运动形式作用下所形成的切削毛刺的形成机理也大体一致。从而可以运用切削运动中的有关参数（如切削速度１Ｊ，进给量／，岢略刁量“一刀具几何参数，，口∥ｒ，’ｒｊ，五，……）对毛刺尺寸的影响程度建立切削毛刺生成的数学模型，以期实现金属切削毛刺的定量（或定性）预报。江苏人学硕＋学仿论文图５．１金属切削毛刺分类５．１．２切削方向毛刺数学模型的建立本部分主要研究切出切削方向毛刺尺寸的影响因素。这罩考虑的情况假定刀具绝对锋利并且是刚性的，工件材料是理想的塑性材料。塑性常数ｔ＋（剪切屈服强度）依靠材料特性由下式计算”１３：Ｔｍ＝ｏ。（１＋０．５８）（５．１）式中ｏ．．是极限抗拉强度，６延伸百分比。如图５．２所示，通常情况下工件上切出面倾斜于切削速度方向，倾斜角为ｗ。在稳态切削时变形区域集中于剪切线ＡＢ。此时，剪切线经过前刀面于Ａ点，于前刀面的兴角为ｎ／４＋ａ。根据滑移线的边界条件““。角度口，有时被称为“塑性摩擦角”，表达方程如下：ａ厂－０．５．ａｐｃｏｓｒｐｌ（５．２）口，表达了滑移线相对于边界的方向的参数。ｆ，是前刀面上的平均摩擦应力。这罩和下面的角度单位都是弧度。江苏大学硕士学何论文幽５．２毛刺形成初期随着刀具向工件边移动，变形区域增大，毛刺生成丌始。变形区域的下边界是滑移线ＡＥ。先ｉ口的研究…１“…””””表明此滑移线是直线。然而，事实上这条线有一定的弧度，因此这早采用了第二种方法，即假设此线是一条半径为Ｒ的圆弧。根掘边界条件““１线ＡＥ与切出面Ｅｃ央角为Ⅱ／４，与前刀面夹角为丌／４＋Ｇ，＋皖，例如，当刀具向工件边移动时，此滑移线相对于前刀面以４，进行旋转。更精确的Ｒ和瓯参数可以被得到，在假设下工件上变形的非切削部分ＡＢＣＥ像去顶等边梯形ＡＢＧＥ——由剪切线ＡＢ的压力所致。『Ｆ如先前的研究““””……，ＢＣＧ部分实际上在毛刺生成过程中没有变形。根据塑性理论”１，楔形ＡＢＧＥ变形遵循ＡＢ＝ＥＧ。因此，可以从几何角度找到负剪切角∥、角皖和扇形角∑的计算方法：∥＝；（疗一∥一妒）点，＝三一ｄ，＋，，，一妒∑＝三一∥＋≯其中Ｈ，为前角，妒为剪切角。（５．３）（５．４）（５．５）通过十日对于。点的平衡弯矩方程，ｏ为弧ＡＥ的圆心，半径Ｒ被获得：月：二坠！竺！生±：』竺！！！塑！二！！兰塑坚二！±三：竺：！一２ｒｄ∑（５．６）其中Ｌ为刀具～切屑接触长度，Ｆ和Ｎ分别是６ｎ刀面上的摩擦力和正压力。角度江苏人学硕十学传论文０表达如下臼＝—－－＿７１＂＋口，＋占。ｄ（５．７）这罩假设在刀具一切屑长度Ｌ上正应力ｏ。和摩擦应力ｔ．分布一致的。正压力可以由Ｈｅｎｋｙ万干呈获得。在极端条件Ｆ，即前刀面上摩擦力为０（ａ／＝０）或摩擦力最大（口，＝ｎ／４）时，正应力被获得，Ｌｏｌａｄｚｅ…”。通常情况下，当塑性摩擦角口，介于０～ｎ／４刚，旷应力表达如下：Ｏ－。＝一２·ｆ≯（ｏ．５一，¨＋ｄ，一Ａａ＋Ｏ．５ａｒｃｃｏｓ２ａ，）其中Ａｃｔ为加工表面的倾角（图１中Ａａ＝０）。Ｋｕｓｈｎｅｒ发现””，平均摩擦应力Ｔ。依据前刀面温度ｔｒ获得，表达式如下：（５．８）ｆ，＝ｏ．（１—０．５．１０～．ｆｒ）（５．９）以Ｋｕｓｈｎｅｒ提出的实验和理论研究““为基础，定义的平均刀具一切屑接触温度ｔ。表达如下：，，一ｏｓｚ．≯ｍ－［志九等）。４ｖ和ａ，分别为切削速度和未变形切屑厚度。刀具一切屑接触长度Ｌ由Ｌｅｅ和Ｓｈａｆｆｅｒ“１发现，表达如下：㈣㈣其中Ｓ，，为实际抗拉强度，ｅ为剪切应变，Ｃ。为热容量，ｕ为工件材料的热传导率；钿剪切角寸）定义””如下（５．１１）≯＝ｉ｜等＋ｙ，，一口，一Ａａ‘、／－５Ｉ（５．１２）江苏人学硕十学位论文其中以，为工件材料常数。在定义了Ｒ值之后，可以从几何方面获得ＡＥ两点的距离：ＡＥ＝尺扫Ｆ五习（５．１３）这罩假设塑性摩擦角口，不会因毛刺最后的生成而改变。毛刺生成开始后，随着刀具移向Ａ．点，切屑生成继续进行，切出面Ｅｃ变形且旋转一定的角度△（图５．３ａ）“…。根据新的边界条件和方程（５．３），此刻，在这个位置负的剪切角增加了△／２。础哺自ⅧＵｊ自（Ｃ）（ｄ）幽５３毛刺形成过群毛刺生成的Ｐ］ｍ：ｉ，加工面ＢＣ旋转了大概△日。根据实验观察结果””“”１，这早假定△乜＝△。当加工表面ＢＣ旋转角度为万２ｚ。一ａ，一２痧一九。一ａ厂磁一九（５·（５．１４）江苏人学硕十学何论文时，根据（５．１２）得剪切角为０。痧为仞始剪切角，即稳态切削Ａａ＝０时。假定在这些条件下，沿剪切线丌始破坏、切屑将与工件分离、毛刺生成几乎完成（图５．３ｂ）。在裂纹扩展时，切屑从工件上离丌（图５．３ｃ）。在毛刺生成的最后阶段，切屑末端会变厚，讵剪切线的曲率通常会变化。生成的毛刺和毛刺尺寸如图５．３ｄ。很明显，毛刺厚度ｂ由点Ｅ的位置决定。由几何关系得到：６＝ＡＥｓｉｎ口（５．１５）毛刺高度ｈ获得的假定条件是，毛刺生成过程停止于切出面Ｅｃ旋转了角度△。。由几何关系获得毛刺尺寸的表达方程ｊ。。：厶＝（』掣（ａｐ＋ＡＥｓｉｎ∥）十。ｔ卸ｎ（Ⅳ一兰）］ｃｓ．－ｅ，其中，Ｋ为毛刺生成过程中切出面的弯曲特性常数。现有模型的理论分析表面，未变形切屑厚度是对毛刺尺寸影响最大的因素。切削方向毛刺随未变形切屑厚度的增大，几乎呈线性增大。前角增大导致切削方向毛刺的减小，但不如未变形厚度的影响大。工件切出表面的倾斜角度ｗ的增加导致切削方向毛刺的减小，在临界角度时，依靠其他切削条件，毛刺将会消失。从模型中知此倾斜角度ｗ—ｎ／２＋一。在实用范围内，切削速度是切削条件中最弱的影响因素。切削速度增加，毛刺减小，但变化量极其微小。５．２切削方向毛刺形成过程的仿真模型的构造５．２．１几何模型的建立与网格划分为简化模型的建立，假定刀具是刚性的，工件材料是理想的塑性材料。在加工过程中，刀具的切削速度与进给量均为恒定。因为一般来说，切自Ⅱ深度比进给速度大很多，所以可以看作是平面应变状态。当切削宽度大于等于５倍的切削深度时，切削模型可简化为二维模型。所建立的几何模型如图５．４所示。网格划分二维四边形网格。江苏人学硕十学位论文山幽５４网格划分图５．２．２材料属性的定义本课题中，为了保证仿真结果的更接近于实际情况，工件材料选用塑性模型，而刀具属性定义为刚性。为了与实验结果进行比较，工件材料根据需要选择相应材料。与实验加工的材料相对应，输入正交材料属性（杨氏模量、洎松比、材料密度等），以及ＪｏｈｎｓｏｎａｎｄＣｏｏｋ的经验模型公式中的参数Ａ、Ｂ、ｎ、ｃ和ｍ。这些性能从适当的手册上可以获得。５．２．３施加约束与载荷当研究切出工件过程的情况时。应该将工件底面节点设定为Ｙ方向速度为０，左侧面设定为Ｘ方向速度为Ｏ，这样就允许工件切出表面可以在切削力的作用下向Ｘ『Ｆ方向少量变形，与实际情况相合。如图５．５，具体设置如下：江苏人学硕十学位论文絮图５．６显示了在『Ｆ交切削过程中用高速摄影获得的切削方向毛刺的生成。通过图５．６可知切削方向毛刺大约形成于５个阶段：在『Ｆ交切削中的正常切削、挠曲变形、塑性效应、继续切削和剪切断裂分离。刘一苏人宁’硕十学何论文江苏人学硕十学位论文图５．６毛刺生成过挂图（左：高速摄影图…１；右：有限元仿真图）（ａ）正常切削继续进行。（ｂ）挠曲变形随着刀具逐渐接近工件终端表面，工件终端表面的材料在切削刀具切入工件后，切屑流沿着前刀面平稳流动，接着金属切削力的作用下丌始产生挠曲变形。挠曲变形量随着刀刃与工件终端表面距离减少而增加。（ｃ）塑性效应当刀刃与工件终端表面距离达到一定距离时，由刀具引起的工件终端材料应力达到了材料塑性剪切临界值，并导致挠曲变形程度继续增加。（ｄ）继续切削随着刀具继续前进，未变形切屑厚度减小、切削力减小，工件终端材料变形量保持最大值。所以，刀具还在切削工件切削层的部分材料。江苏人学硕十学位论文（ｅ）剪裂分离当刀刃继续到达工件终端表面时，工件终端的支承刚度越来越小，使得终端材料的剪裂分离与沿剪切滑移方向的变形同时发生。这样，切削方向毛刺在工件终端表面生成。５．３．２切削方向毛刺形成的影响因素分析本部分仿真了不同切削条件下，切削方向毛刺的高度Ｈ、厚度Ｂ，并与文献上的结果ｍ３进行了比较。５．３．２．１未变形切屑厚度ｈ。对毛刺的影响工件材料为Ｈ６２，改变未变形切屑厚度ｈ。实验和仿真预测的结果显示于图５．７。图５．７表示了毛刺高度Ｈ和毛刺根部厚度Ｂ随着未变形切屑厚度ｈ．，的增加而增加。这是因为未变形切屑厚度ｈ。，越大，切削力越大、工件终端材料的挠曲变形越大，进而导致毛刺高度Ｈ和毛刺根部厚度Ｂ的增加。未变形切屑厚度ｈ—ｍｍ剀５７毛刺高度Ｈ、厚度Ｂ随术变形切屑厚度ｈｕ变化图（”（＝ｌＯｍ／ｒｎｉｎ，Ｈ，＝１０。，ａ¨＝８。ｒ，＝０．Ｏｌｍｍ）５．３．２．２刀具前角Ｙ¨对毛刺的影响工件材料为Ｈ６２，６Ｕ角Ｙ。，变化后的实验和仿真结果列于图５．８。出图可知，随着刀具自Ｕ角Ｙ、．的增大，毛刺高度Ｈ和毛刺根部厚度Ｂ急速减少。这是因为前角Ｙ。越大，江苏人学硕＋学位论文切削力越小、工件终端材料的挠曲变形越小，进而导致毛刺高度Ｈ和毛刺根部厚度Ｂ的减小。、垦恻墼－＊州主世堡＊州Ｏ前角Ｙ／６图５．８毛刺高度、厚度随前角变化幽（”（．＝１０ｍ／ｎｌｉｎ，ｈ，）＝Ｏ．１ｍｍ，ｄｏ＝８。，■＝Ｏ．Ｏｌｍｍ）５．３．２．３切削刃钝圆半径ｒ。对毛刺的影响工件材料为Ｈ６２，改变切削刃钝圆半径ｒ．、后的实验和仿真结果显示于图５．９。由图知，切削刃钝圆半径Ｆ．越大，毛刺高度Ｈ和根部厚度Ｂ越大。这是因为随着切削刃钝圆半径ｒ。的增大，对切削层会属的压力越大，切削力越大，工件终端表面的挠曲变形越大，毛刺高度Ｈ和根部厚度Ｂ越大。刀刃钝圆半径ｑｕｍ幽５．９毛刺随刀刃饨圆、ｆ７释变化图５９江苏人学硕＋学位论文（”（＝ｌＯｒｅ／ｍｉｎ，％＝１０。，口ｒ）＝８。，ｈＤ＝Ｏ．１ｍｍ）５．３．２．ｔｌ工件材料对毛刺的影响在标准切削条件下，改变Ｉ巾－Ｉ‘材料，切削方向毛刺尺寸列于图５．１０。由图表明，毛刺尺寸随着工件材料的不同而改变。这是因为，工件材料的不同，其切削特性也不同。即，材料延伸率越大，毛刺尺寸越大。芤｜｜¨工件材料剀５．１０毛刺随Ｔ什材料变化图（Ｖ（＝ｌＯｍ／ｍｉｎ，ｙ¨＝１０。，ａｎ＝８。，ｈＤ＝０．１ｍｍ，‘＝０．０ｌｍｍ）对仿真和实验结果分析表明，正交切Ｒｑ的切削方向毛刺生成实质概括如下：工件终端材料，在刀具前刀面和切削刃的作用下，挠曲和沿着切削方向剪切一滑移变形，使未变形切屑厚度逐渐减小，并引起切屑和工件终端表面的剪裂分离，进而生成切削方向毛刺。根据以上模拟分析的结果，结合现实加工的条件与需要，在一定程度上可以达到抑制和减少毛刺产生的效果，并为进一步深入研究毛刺提供基本理论。５．４本章小结本章给出了毛刺的基本类型、切削方向毛刺的数学模型，这些数学模型为切削方向毛刺形成过程的实时仿真提供了基础。其次在ＭＳＣ．ＭＡＲＣ系统中建立了有限元模型，仿真并分析了正交切＾４条件下切削方向毛刺的形成过程与机理；通过改变切削条件，分析切削条件对毛刺形成的影响。仿真结果与试验结果比较表明，毛刺形成的有限元模型在毛刺定量预报Ｌ－．具有一定的价值和理论研究意义。６ｎ江苏人学硕十学何论文第六章结论与展望６．１本论文的主要结论本文在列会属切削加工的基本机理研究的基础上，建立了适合于有限元计算模拟的有限元模型，并对金属切削加工过程进行了实时的有限元仿真过程。本文围绕金属切削加工过程的建模与仿真，得到了如下一些结果：（１）对有限元计算的数学理论进行了详细的阐述，在掌握金属切削的材料非线性、几何非线性等问题的基础上，研究了弹塑性大变形有限元法求解过程。（２）研究了仿真系统ｑ］的儿个关键技术的处理以及仿真系统的结构组成，主要涉及了材判模型、摩擦模型、热传导模型的建立，网格重划分，热一机耦合问题等。利用大型商用有限元软件ＭＳＣ．Ｍａｒｃ作为有限元仿真软件平台。（３）基于金属塑性变形理论，探讨了切屑的卷曲原因，建立了切屑形状参数的数学模型，这些数学模型为切屑形成过程的实时仿真提供了基础。在ＭＳＣ．ＭＡＲＣ系统中建立了有限元模型，获得了切屑形成过程的３－０实时仿真过程，并获得了加工过程中工件和切屑中的应力、应变、温度的分布情况。（４）获得了在不同切削条件下的３一Ｄ仿真结果，分析了各切削条件对切屑形成过程的影响，包括切削温度随未变形切屑厚度和切削速度的变化情况，切削力随未变形切屑厚度变化情况，刀屑接触长度随切削速度、刀具前角、未变形切屑厚度变化情况，未变形切屑厚度、切削速度和刀具ｊＵ角对切屑卷曲半径的影响。仿真的结果与相关实验结果进行了比较，发现它们具有很好的一致性，表明了切屑形成过程的有限元模型在切屑形成控制上具有一定的实用价值和研究意义。（５）获得了在斜刃切削下条件下，切屑形成过程的３一Ｄ有限元仿真结果，并将仿真的结果与相关文献上的高速摄影图进行了比较，获得了较好的一致性。（６）探讨了金属切削毛刺的基本类型、产生原因、影响因素，并建立了切削方向毛刺的数学模型，数学模型为切削方向毛刺形成过程的实时仿真提供了基础。在ＭＳＣ，ＭＡＲＣ系统中建立了有限元模型，仿真并分析了『Ｆ交切削条件下切削方向毛刺的形成过程与机理。通过改变切削条件，得ＨＩ，了未变形切屑厚度、刀具前角、切削刃钝圆半径、工件利利列切削方向毛刺形成过程的影响程度。仿真的结果与实验结果进行了比较，发现它们具有很好的一致性，表明毛刺形成的有限元模型在毛刺定量预报以及预防和减小毛刺的形成方面上具有‘‘定的实用价值和研究意义。江苏人学硕十学位论文６．２展望金属切削工艺是制造业中的关键技术，随着电子、光学、细微产品的不断发展，在生产率和加工精度方面对切削工艺提出了更高的要求。虚拟制造将是解决这一系列问题的重要手段，在虚拟制造中，基于弹性力学、塑性力学、断裂力学，热力学、摩擦学和村料学的切削过程有限元仿真将是一种强有力的工具。目前，这项技术已经在学术研究上取得了一些进展，但与其它加工技术（例如会属塑性加工）相比，切削模拟还没有大量应用到生产实际，这还需要对实际生产中影响切削加工的各种因素做进一步研究。在本文的基础上，进行以下几个方面的研究是极有意义的：（１）现有的ＶＮＣ加工过程仿真系统不能给用户精确的结果，因此仿真模型的研究仍有待进一步完善，建立物理仿真全过程的切削实验参数数据库，仿真机理与实际加工机理及两者之问的进一步耦合关系。（２）预应力的加入。随着预应力构件在机械工程中的大量应用，预应力构件切削的计算将越来越重要。在本文的基础上，可以通过在工件中加入初始应力的方法来模拟计算预应力工件的切削加工过程。（３）切屑形成的有限元仿真已经被广泛的研究，并取得了一定的进展，但是由于许多研究都将模型理想化，只考虑单一因素的影响，而且主要研究对象大多数是针对塑性材料，获得连续切屑，与实际的切屑形成的拟合还有一定的差异。因此，未来的研究工作应该考虑多因素的影响，研究对象应该涉及塑性较差的材料，获得非连续切屑的有限元仿真。（４）金属切削毛刺的有限元仿真的进一步研究。毛刺的种类很多，本论文只针对切削方向毛刺进行了２一Ｄ仿真。未来的研究应采用３一Ｄ有限元模型对各类毛刺进行仿真，以提高有限元仿真对毛刺研究的辅助能力。（５）加ｒ：过程仿真多是考虑理想切削状态，与实际切削过程有较大差异，主要是对加工机理的研究还没有彻底理解，因此在加工机理仿真的研究中如何引入先进的理论和方法如人工智能技术、非线性动力学理论、混沌理论、有限元建模（ＦＥＭ），边界元法（ＢＥＭ）与有限差分法（ＦＤＭ）有待于进一步深入研究。江苏人学硕十学何论文参考文献［１］Ｍ．Ｃ．Ｍｅｒｃｂａｎｔ，ＢａｓｉＤｍｅｃｈａｎｉｃｓ１９４４，Ａ１６８一Ａ１７５．ｏｆｔｈｅｍｅｔａｌｃｕｔｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ，Ｊ．ｋｐｐｌ．Ｍｅｃｂ．１１，［２］ＭＥ．Ｍｅｃｈａｎｔ，Ｍｅｃｈａｎｉｃｓｏｆｔｈｅｍｅｔａｌｃｕｔｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．１６，１９４５，２６７３１８［３］Ｖ．Ｐｉｉｓｐａｎｅｎ，Ｔｈｅｏｒｙｏｆｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｍｅｔａｌｃｈｉｐｓ，Ｊ．ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．１９，１９４８，８６７—８８１．［４］Ｅ．Ｈ．Ｌｅｅ，Ｂ．Ｗ．Ｓｈａｆｆｅｒ。ＴｈｅｔｈｅｏｒｙｏｆＰｌａｓｔｉｃｉｔｙａｐｐ］ｌｅｄｔｏａｐｒｏｂｌｅｍｏｆｍａｃｈｉｎｉｎｇ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｍｅｃｈ．１８，１９５ｌ，４０５—４１３．吲ｋ．１．Ｔｒｉｇｇｅｒ，Ｂ．Ｔ．（＇ｈａｏ，Ａｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，Ｔｒａｎｓ．ＡＳＭＥａｎａｌｙｔｉｃａｌｅｖａ］ｕａｔｉｏｎｏｆｍａｔａｌｃｕｔｔｉｎｇ７３，１９５ｌ，ｊ７—６８．ｏｆｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｍａｃｈｉｎｉｎｇ，Ｐｒｏｃ．Ｉｎｓｔ，［６］Ｗ．Ｂ．Ｐａｉｍｅｒ，Ｐ．Ｌ．Ｂ．Ｏｘｌｅｙ，ＭｅｃｈａｎｉｃｓＭｅｃｈ．Ｅｎｇｒｓ．１７３，１９５９，６２３６３８．［７］Ｐ．Ｌ．Ｂ．Ｏｘｌｅｙ．Ａ．Ｇ．Ｈｕｍｐｈｒｅｙｓ，Ａ．Ｌａｒｉｚａｄｅｈ，Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｒａｔｅｏｆｓｔｒａｉｎ—ｈａｒｄｅｒ］ｉｎｇｉｎｍａｃｈｉｎｉｎｇ，Ｐｒｏｃ．Ｉｎｓｔ．Ｍｅｃｈ．Ｅｎｇｒｓ．１７５，１９６１，８８ｉ一８９１．［８］Ｈ．Ｋｕｄｏ，Ｓｏｍｅｎｅｗｓｌｉｐ—ｌｉｎｅｓｏｌｕｔｉｏｎｓｆｏｒｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｔｅａｄｙ－ｓｔａｔｅｍａｃｂｉｎｉｎｇ，Ｉｎｔ．Ｊ．Ｍｅｃｈ．Ｓｃｉ．７，１９６５，４３—５５．［９］ｆｆｌａｍｅｃｋｉｆｉｎｉｔｅＢＥ．，Ｉｎｃｉｐｉｅｎｔｃｈｉｐｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎｍｅｔａｌｃｕｔｔｉｎｇ—ａｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓ．［Ｐｈ．Ｄｄｉｓｓｅｒｔａｔｌｏｎ］．Ｕｒｂａｎａ：ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＩｌｌｉｎｏｉｓａｔＵｒｂａｎａ—Ｃｈａｎｐａ】ｇｎ，】９７：｛，｜＿】０［１０］Ｅ．Ｕｓｕｉ，Ａ．Ｈｉｒｏｔａ，Ｍ．Ｍａｓｕｋｏ，Ａｎａｌｙｔｉｃａｌｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｃｏｆｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｃｕｕｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ．Ｐａｒｔ１：ＢａｓｉＩｎｄ．，Ｔｒａｎｓ．ＡＧＭＥｃｕｔｔｉｎｇｍｏｄｅｌａｎｄｅｎｅｒｇｙａｐｐｒｏａｃｈ，Ｊ．Ｅｎｇ．Ｉ００（２），１９７８，２２９—２３５．ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓｂｅｔｗｅｅｎｃｈｉＤａｎｄ［１１］Ｅ．Ｄ．Ｄｏｙ］ｅ，Ｊ．Ｇ．Ｈｏｍｅ，Ｄ．Ｔａｂｏｒ，ＦｒｉｃｔｉｏｎａｌｒａｋｅｆａｃｅｉｎｃｏｎｔｊＲＵＯＵＳｃｈｉＰｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｐｒｏｃ．Ｒ．Ｓｃｏ．ＬｏｎｄｏｎＡ３６６，１９７９，１７３—１８３．［１２］ＬａｊｃｚｏｋＭＲ．Ａｓｔｕｄｙｏｆｄｉｓｏｍｅａｓｐｅｃｔｓｏｆｍｅｔａｌｃｕｔｔｉｎｇｂｙｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ，［Ｐｈ．Ｄ［１３］【』ｓＬｌｉｓｓｅｒａｔｉｏｎ］，ＮＣＳｔａｔｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｖ，１９８０，ｌ一２０．ｓＥ，）ｄａｏｋａｗａＫ，ｓｈｉｒ｝ＩｋａｓｈｉＴ．．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｊｎｍａｔｈｉｎｉｎｇｏｔ’ｌｃ７ｗｏｆｔｈｅｈｕｉｌｔ—ｕｐｅｄｇｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｃａｒｂｏｎ６３ｓｔｅｅｌ．Ｂｕｌｌ．ＴａｎＳｏｃＰｒｏｃｅｓｓＥｎｇ，——一１９８ｌ，１５（４）：２３７—２４２．１９８２，１３—３５．些互叁竺堡±主垡堡壅【１４］Ｅ．Ｕｓｕｉ，Ｔ．Ｓｈｉｒａｋａｓｈｉ，ＭｅｃｈａｎｉｃｓｏｆＭａｃｈｉｎｉｎｇｆｒｏｍＤｅｓｃｒｉｐｔｉｖｅＴｈｅｏｒｙ．ｏｎｔｈｅＡｒｔｏｆＣｕｔｔｉｎｇＭｅｔａｌｓｔｏＰｒｅｄｉｃｔｉｖｅ７５ｙｅａｒｓＬａｔｅｒ，Ｖ０１．７，ＡＳＭＥＰＥＤ，［１５］Ｋ．１ｗａｔａ，Ｋ．Ｏｓａｋａｄａ，Ｙ．Ｔｅｒａｓａｋａ，Ｐｒｏｃｅｓｓｔｈｅｒｉｇｉｄ—Ｐｌａｓｔｉｌ３２１３８．Ｃｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｏｒｔｈｏｇｏｎａ］ｃｕｔｔｉｎｇｂｙｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ．Ｊ．Ｅｎｇ．Ｍａｔｅｒ．ＴｅｃｈｎｏＩ．１０６，ｉ９８４，［１６］Ｊ．Ｓ－Ｓｔｒｅｎｋｏｗｓｋｉ，ＩＪ．’１１．Ｃａｒｒｏ］ｉ，Ａｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｍｅｔａｌｃｕｔｔｉｎｇ，Ｊ．Ｅｎｇ．Ｉｎｄ．１０７，１９８５，３４７～３５４．［１７］ＦｕｒｕｋａｗａＹ，ＭｏｒｏｎｕｋｉＮ．，Ｅｆｆｅｃｔｏｆｍａｔｅｒｉａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ。ｎｕｌｔｒａ－ｐｒｅｃｉｓｅｃｕｔｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ，ＡｎｎＣｌＲＰ，１９８８，３７：ｌ１３—１２０．［１８］ｊ．Ｓ．Ｓｔｒｅｎｋｏｗｓｋｉ，Ｋ．Ｊ．Ｍｏｏｎ，ｒｌｎｉｔｅｔｏｏｌ／ｗｏｒｋｐｉｅｃｅｅｌｅｍｅｎｔｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆｃｈｉｐｇｅｏｍｅｔｒｙａｎｄｉｎｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｍｅｔａｌｏｕｔｔｉｎｇ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓＪ．Ｅｎｇ，ｌｎｄ．１１２，１９９０，３１３－３１８．［１９］Ｋ－Ｋｏｍｖｏｐｏｕｌｏｓ，Ｓ．Ａ．Ｅｒｐｅｎｈｅｃｈ，ＦｉｎｉｔｅＣＵｔｔｉｎｇ，．Ｉ．Ｅｎｇ．Ｉｎｄ．１ｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｍｅｔａｌ１３，１９９１，２５３２６７．［２０］ｚ．Ｃ．Ｌｉｎ，Ｓ．Ｙ．Ｌｉｎ，Ａｃｏｕｐｌｅｄｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｒｍｏ－ｅｌａｓｔｉｅ－ｐｌａｓｔｉｃｌａｒｇｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｆｏｒｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｃｕｔｔｉｎｇ，Ｊ．Ｅｎｇ．Ｍａｔｅｒ．Ｔｅｃｈｎ０１．１１４，１９９２，２１８—２２６．［２１１７·Ｈａｓｈｅｍｉ，Ａ．Ａ．Ｔｓｅｎｇ，Ｐ．Ｃ，Ｃｈｏｕ，Ｆｉｎ［ｔｅｃｈｉｐｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄｅｌｅｍｅｎｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｓｅｇｌｎｅｎｔｅｄｍａｃｈｉｎｉｎｇ，Ｊ．Ｍａｔｅｒ．Ｅｎｇ．Ｐｅｒｆｏｍ．３，１９９４，７１２—７２】．［２２］Ｊ．Ｍ．ＨｕａｎｇｔＪ．Ｔ．Ｂｌａｃｋ，ＡｎｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｃｈｉｐｓｅｐａｒａｔｉｏｎｃｒｉｔｅｒｉａｆｏｒｔｈｅＦＥＭｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｍａｔｈｉｎｉｎｇ．Ｊ．ＭａｎｕｆＳｃｉ．Ｅｎｇ．１１８，１９９６，５４５—５５４．Ｌｅ［２３］Ａ￣７．Ｓｈｊｈ，Ｈ．Ｔｙ．Ｙａｎｇ，Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｎｄｆｉｎｉｓｔｒｅｓｓｅｓｅｌｅｍｅｎｔｐｒｅｄｉｃｔｉ。ｎｓｏｆｔｈｅｒｅｓｉｄｕａｌｄｕｅｔｏｏｒｔｈｅｇｏｎａ］ｍｅｔａｌｃｕｌｔｉｎｇ．Ｉｎｔ．Ｊ．Ｎｕｍｅｒ．Ｍｅｔｈ．Ｅｎｇ．３６，１９９３，１４８７—１５０７．［２４］Ｋ－Ｋ。ｍＶｏｐｏｕｌｏｓ，Ｓ．Ａ．Ｅｒｐｅｎｂｅｃｈ，Ｆｉｎｉｌｅｃｕｔｔｉｎｇ，Ｊ．Ｅｎｇ．Ｔｎｄ，１１３，ｌ９９１，２５３ｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｏｒｔｈｏｇｏｎａｉｍｅｔａｌ２６７．ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｃｕｔｔｌｎｇ［２５］ＪＴ·Ｃａｒｒ（）１１·Ｊ．Ｓ．刚ｒｅｎｋｏｗｓｋｉ，ＦｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｓｏＦ６４江苏人学硕１一学位论文Ｗｉｔｈａｐｐ］ｉｃａｔｉｏｎｔｏｓｉｎｇｌｅＰｏｉｎｔｄｉａｍｅｎｄ８９９～９２０．ｔｕｒｎｉｎｇ，Ｉｎｔ．Ｊ．Ｍｅｃｈ．Ｓｃｉ．３０，１９８８，［２６］ｋ．１．Ｍｏｏｎ，．１．Ｓ．Ｓｔａｎｄｔｏｅｌａｎｄｒｅｎｋｏｗｓｋｉ，ＦｉｎｉｔｅｅｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｅｍｅｎｔｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆｊｎｃｈｉｐｇｅｏｍｅｔｒｙｍｅｔａｌｗｏｒｋｐｉｅｃｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｏｒｔｈｏｇｏｎａｌＯＵｔｔｉｎｇ，Ｊ．Ｅｎｇ．１ｎｄｌ１２，１９９０．ｏｆｏｒｔｈｏｇｏｎａ］ｍｅｔａｌｃｕｔｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｅｓ，［２７］Ｔ．Ｔｙａｎ，ｗ．Ｈ．Ｙａｎｇ，ＡｎａｌｙｓｉｓＩｎｔ．Ｊ．ＮｕｍｅｒＭｅｔｈ，Ｅｎｇ．３４，１９９２，３６５—３８９．［２８］Ａ．Ｊ．Ｓｈｉｈ，ＦｉｎｉｔｅＩｎｔ．Ｊ．Ｍａｃｈ．ＴｏｏｌＳｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉＳｏｆｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｍｅｔａｌｅｕｔｔｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｃｓ，Ｍａｎｕｆ．３６，１９９６，２５５—２７３．ｅｌｅｍｅｎｔ［２９］Ａ．Ｊ．Ｓｈｉｈ，Ｆｉｎｉｔｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｍｅｔａｌｃｕｔｔｉｎｇ，Ｊ．Ｅｎｇ．Ｉｎｄ．Ｉｉ７，ｉ９９５，８４—９３．［３０］ＩｋａｗａＮ，Ｓｈｉｍａｄａ８ｅｄ．，Ｃｈｉｐｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙａｎｄｍｉｎｉｍｕｍｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｃｕｔｉｎｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ，ＪＳＰＥ，１９９３，５９：１４１—１４７．［３１］ＭｏｒｉｗａｋｉＴ。ＳｕｇｉｍｕｒａＮ，ＬｕａｎＳ，Ｃｏｍｂｉｎｅｄｓｔｒｅｓｓ，ｍａｔｅｒｉａｌｆｌｏｗａｎｄｂｅａｔａｎａｌｙｓｉＳｏｆｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇｏｆｃｏｐｐｅｒ，ＡｎｎａｌＳｏｆｔｈｅＣＩＲＰ，１９９３，４２（１）：７５—８４．［３２］ＳａｓａｈａｒａｏｎＨ，ＯｂｉｋａｗａＴ，ＳｈｉｒａｋａｓｈｉＴ，ＦＥＭａｎａｌｙｓｉｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉＣＳｉｎｍａｃｈｉｎｅｄＳｏｆｃｕｔｔｉｎｇｓｅｑｕｅｎｃｅｅｆｆｅｃｔｏｆＭａｔｅｒｉａｌＳｍｅｃｈａｎｃｉａｌｌａｙｅｒ，ＪｏｕｒｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９６，６２：４４８—４５３．ｏｆ２ＤＦＥＭｔｏｃｈｉｐＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ［３３］ＣｅｒｅｔｔｉＥ，ＦａｌｌｂｏｈｍｅｒＰ，ｗｕｗＴ，ＡＩｔａｎＴ，Ａｐｐ］ｉｃａｔｉｏｎｉｎＯＦｔｈｏｇｏｎａ］ｃｕｒｔｉｎｇ．１８０．ｆｏｒｍａｔｉｏｎＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌＳＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｉ９９６．５９：ｉ６９［３４］ＣｅｒｅｔｔｉａＦ，ＬａｚｚａｒｏｎｉＣ，Ｍｅｎｅｇａｒｄｏ１．，ＡｌａｔａｎＴ，ＴｕｒｎｉｎｇｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｕｓｉｎｇｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎＦＥＭｃｏｄｅ，．］ｏｕｍａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌＳＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０００，９８：９９—１０３．［３５］ＣｅｒｅｔｔｉＥ，ＴａｕｐｉｎＥ，Ａ１ｔａｎＴ，Ｓ［ｍｕｔａｔｉｏｎｏｆｍｅｔａｌｆｌｏｗａｎｄｆｒａｃｔｕｒｅａｐｐ］ｉｃａＬｉｏｎｉｎｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｃｕｔｔｉｎｇ，ｂｌａｎｋｉｎｇａｎｄＣ０１ｄｅｘｔｒｕｓｉｏｎ，ＡｎｎａｌｏｆＣ１ＰＰ，１９９７，４６（１）：１８７一１９０．［３６］ＣｅｒｅｔＬｊＥ，ＬｕｃｃｈｉＭ，Ａ１ｔａｎＴ，ＦＥＭｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｏｕｔｔｉｎｇ：ｓｅｒｒａｔｅｄｃｈｉＰｆｏｒｍａｔｉｏｎ，．］ｏｕｍａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌＳＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９９，９５：１７－２６．＾５ｒＩ。苏人学硕十学仔论文［３７］ＺｈａｎｇｍｅｔａｌＬｉａｎｇｃｈｉ，０１３ｔｈｅｓｅｐａｒａｔｉｏｎｃｒｉｔｅｒＪａｉｎｔｈｅＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｃｕｔｔｉｎｇＵＳｉｎｇｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ，ＪｏｕｍａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌＳＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９９，８８—８９：２７３—２７８．Ｗｕｎ—Ｌｉｎｇ．ＬｉｎＨＹ，ＬｉｕＣＲ．Ｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆｕｌｔｒａ—ｐｒｅｃｉＳｉｏｎｆｏｒＮ．Ｐａｌｌｏｙｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｕｔｔｉｎｇｓｐｅｅｄｓ［３８］ＬｉｎＺｏｎｅ—Ｃｈｉｎｇ，Ｌａｉｍａｃｈｉｎｉｎｇａｎｄｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓａｎｄｄｅｐｔｈｏｆｃｕｔ，、ｌｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌＳＰｒｏｃｅｓｓｉｆｌｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０００，９７：２００—２１０．［３９］Ｏｚｅ］，ｍ．，ａｎｄＦｒｉＣｔｊｏｎ÷ＩｃｃＡ１ｔａｎ，Ｔ．２０００，“ＤｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆＷｏｒｋｐｉｅｃｅＦｌｏｗＳｔｒｅｓｓａｎｄｈｅＴｏｏ卜ＣｈｉＰＣ（）ｎｔａｃｔｆｏｒＨｉｇｈＳｐｅｅｄＣｕｃｔｉｎｇ”．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌｓ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ，Ｖ０１．４０，ＰＰ．１３３—１５２．［４０］美国曼科分析研究公司北京代表处，ＭＡＲＣ培训手册．２００２。［４１］陈火红，Ｍａｒｃ有限元实例分析教程，机械工业出版社，２００２．２。［４２］孟儿中，弹塑性有限变形理论和有限元方法［Ｍ］，北京：清华大学出版社，１９８５：５７—２１】。［４３］；５｜ｔ永琪，郭乙木等，高速切削时摩擦系数对切削影响的数值模拟，工程设计学报，２００４，ｌｌ（１），３ｌ～３６。［４４］王勖成邵敏，有限单元法基本原理和数值方法（第２版），清华大学出版社，２００３．５，５４０～５４ｌ。［４５］．１０ｈｎｓｏｎＧＲ，ＣｏｏｋＷＨ．ＡｃｏｎｓｔＪｒｕｔ［ｖｅｍｏｄｅｌａｎｄｄａｔａｆｏｒｍｅｔａｌｓｓｕｂｊｅｃｔｅｄｔｏｌａｒｇｅｓｔｒａｉｍｓ，ｈｉｇｈｓｔｒａｉｎｒａｔｅｓａｎｄｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ［Ａ］．ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓＨａｇｕｅ，１９８３：ｏｆｔｈｅＳｅｖｅｎｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｆＢａｌｌｉｓｔｉｃｓ［Ｃ］，Ｔｈｅ４０９～４１５．［４６］周泽华，金属切削理论。北京：机械工业出版社，１９９２。［４７］ＮｇＥＧ，ＡｓｐｉｎｗａｌｌＤＫ，ＢｒａｚｉｌＤ。ｅｔａ１．ＭｏｄｅｌｌｉｎｇｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｆｏｒｃｅｓｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｌＹｍａｃｈｉｎｊｎｇｈａｒｄｅｎｅｄＳｗｈｅｎｒｅｅｌ．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｃｈｉＢｅ，ＴｏｏｌＳａｎｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｅ，１９９９，３９（６）：８８５—９０３．［４８］Ａ．Ｇ．Ｍａｍａ］ｉＳｉｍｕ］ａｔｊｏｎｓ，Ｍ．Ｈｏｒｖａｔｈ，Ａ．Ｓ．ＢｒａｎｉＳ，Ｄ．Ｅ．Ｍａｎｏｌａｋｏｓ，ＦｉｎｉｔｅｏｆｃｈｉＰｆ’Ｏｒｌｍｔｔｉｏｎｉ『１ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｍｅｔａｌｅｌｅｍｅｎｔｏｆｃｕｔｔｉｎｇ．ＪｏｕｒｎａｌＭａｔｅｒｉａｌＳＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ１１０（２００１）１９—２７．ＣｏｕｐｌｅＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＭｏｄｅｌｏｆ［４９］Ｌｉｎ，ｚ．Ｃ．ａｎｄ１．ｉｎ，Ｓ．Ｙ．，１９９２，“Ａ６６江苏人学硕十学何论文Ｔｈｅｒｍｏ—Ｅｌａｓｔｉｃ—ＨａｓｔｉｃＪｏｕｒａｌｏｆＬａｒｇｅＤｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｆｏｒｏｒｔｈｏｇｏｎａｌＣｕｔｔｉｎｇ”，ＡＳＭＥＩｎｄｕｓｔｒｙ。Ｖ０１．１１４，ＰＰ．２１８—２２６．ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｉｎＣｈｉｐＣｏｎｔｒｏｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｆｏｒ［５０］Ｉ．Ｓ．Ｊａｗａｈｉｒ，Ｃ．Ａｖａｎ，Ｌｕｔｔｅｒｖｅｌｔ，ＲｅｃｅｎｔＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＡｐｐ］ｉｃａｔｉｏｎ，Ａｎｎａ］ｓｏｆｔｈｅＣＩＲＰ，１９９３，４２（２）：６５９—６８５．［５Ｉ］Ｃ．Ａ．ＶａｎｏｆＬｕｔｔｅｒｖｅ］ｔｅｃｔ．ＰｒｅｓｅｎｔＳｉｍｕ］ａｔｉｏｎａｎｄＦｕｔｕｒｅＴｒｅｎｄｓｉｎＭｏｄｅｌｌｉｎｇＯｐｅｒａｔｉｏｎｓｏｒＭａｔｈｉｎｉｎｇＰｒｏｇｒｅｓｓＲｅｐｏｒｔｏｆｔｈｅｏｆＣＩＲＰＷｏｒｋｉｎｇＶｏ］，Ｇｒｏｕｐ’ＭｏｄｅｌｌｊｎｇＭａｃｈＪｎｉｎｇ０ｐｅｒａｔｊｏｎｓ’［Ｒ］，ＡｎｎａｌｓｔｈｅＣＩＲＰ４７／２／Ｊ９９８，ＰＰ．５３７［５２］Ｎａｋａｙａｍａｏｆ５３５４ｔｈｅ６２４．ｏｎＫ．ＯｇａｗａＭ，ＢａｓｉｃＲｕｌｅｓｔｈｅＦｏｒｍｏｆＣｈｉｐｉｎＭｅｔａｌＣｕｔｔｉｎｇ，ＡｎｎａｌｓＣＩＲＰ，１９７８，２７（１）：１７－２０．许亦红，三维切削切屑形成机理的研究，哈尔滨工业大学博士学位论文。胡荣生等，流屑角预报理论，中国高校金属切削研究会的四届学术年会科研论文集，北京：机械Ｚ＿ｑｋ出版社，１９９１：５５—６０。５５施志辉具技术ｉｑ：立正启义Ｎ０１．３５（１）．２００１葛研军，金属切削加工切屑形状参数的量化计算，工：１７—１９。［５６］邓文君夏伟周照耀邵明李元元，『Ｆ交切削高强耐磨铝青铜的有限元分析，机械工程学报第４０卷第３期２００４年３月。［５７］宋金玲魏天路顾立志，会属切削中刀屑接触长度的有限元分析，农业机械学报，２００３年５月第３４卷第３期［５８］罗翔郑望成黄华，正交切削下切屑卷曲半径的研究，广东工学院学报，１９９６年１２月第１３卷第４期［５９］Ｋ．Ｕｅｄａ，Ｋ．Ｍａｎａｂｅ，Ｒｉｇｉｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ“ｅｌｄｊｎｐｌａｓｔｉｃｆｏｒｍａｌｉｏｎＦＥＭａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｃｈｉＰｐｒｏｃｅｓｓ，Ａｎｎａ］ｓｏｆｔｈｅＣｌＲＰ４２（１）（１９９３）．［６０］Ｋｉｈａ（ＡＬ¨Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｐｒｅｃｉｓｉｏｎｍａｃｈｉｎｉｎｇａｎｄｂｕｒｒｍｉｎｉｍｉｚａｔｉｏｎｆｏｒｉｎｍｅｔａｌｓ：ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎｔｈｅｄｅｇｒｅｅｏｆＤｏｃｔｏｔｏｆＰｈｉｌｏｓｏｐｈｙ），Ｂｅｒｋｅｌｅｙ：ＴｈｅＵｎｉｖｅＦｓｉｔｙｏｆＣａｌｉｆｅｒｎｉａ，２００４。［６１］朱云明，王贵成，王志等．金属切削毛刺形成的有限元模型及机理分析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作者：

学位授予单位：

吴勃江苏大学

1.学位论文 马洪文 基于有限元法的切屑形成过程仿真 1999

目前,新的工程材料及刀具材料的不断涌现,为了深入了解各种材料的切削加工性能,必须进行大量的切削试验.而大量的切削试验即耗时又费线,因此研究人员需要找到一种对材料切削加工性能进行分析的方法来替代切削试验.该文采用有限元方法对工程材料切割加工进行模拟,以期达到同切削试验相似的结果.目前国内外对切削过程有限元仿真的研究还很少,进行全面仿真研究现在还很困难.因此,该文着重研究了低速切削时切屑的形成过程,通过对不同材料的切屑形成过程的对比分析找到比较好的切削仿真模型.现有的有限元软件还无法对切削工件有限元网络格进行自动重新剖分.因此,并不十分适合切削仿真.因此,该文利用Visual C++自行编制了切削有限元动态分析软件.该软件可以自行判断断裂点,对有限元网格进行重组,同时进行动态加力,从而实现对切削过程的模拟.该文还进行了不同材料的切削试验,与仿真结果进行对比,以验证仿真结果及查找软件的不足.通过仿真与实验的对比分析,该文建立了基本符合要求的切削铝材料、低碳钢材料以及SiC晶须增强铝复合材料的模型,并最终与实验结果取得了较好的一致.

2.期刊论文 邓文君.夏伟.周照耀.李元元 有限元法在切削加工过程分析中的应用 -工具技术2004,38(11)

介绍了切削加工过程有限元分析的发展,研究了切削加工过程有限元分析的关键技术;在总结有限元法在切削加工分析方面的主要应用的基础上,展望了切削加工过程有限元分析的未来研究趋势.

3.学位论文 孙雅洲 微小型机床及微细铣削加工技术的研究 2005

目前许多由金属材料制成的三维微小零件都是在常规尺寸的超精密机床上加工而成的，这些机床成本高、效率低、能耗大、主轴转速相对较低，难以满足微小零件的加工要求。而微小型机床不仅有助于提高空间利用率和降低成本，而且由于惯性减小，从而容易达到高速加工和高精度运动控制。因此，对微小型机床及微细铣削加工技术的研究具有重要的理论意义和实际应用前景。

　　本文首先在对机床微小型化的有关问题进行分析的基础上，成功地研制一台三轴联动微小型机床实验样机，并在该样机上实现了包括直槽、圆、薄壁和仿人脸的数控加工。结果表明，该微小型机床实验样机技术可行，可以用于微细切削加工过程的实验研究。同时进行了微小型化机床相关技术的研究。利用有限元法和实验的方法对其进行结构动态特性分析，为微小型化机床的结构设计、有限元建模方法以及动力学分析提供重要依据，从而为微小型化机床的进一步研究奠定基础。

　　为了掌握微细铣削的规律，本文在常规铣削过程切屑形成模型的基础上，考虑到微型刀具切削刃钝圆半径及其柔性对材料去除的共同影响，建立了微细铣削过程切屑形成判别模型，利用该模型对微细铣削切屑的形成进行了分析和描述。并在实验样机上进行了一系列微细铣削实验，通过大量的实验分析，进一步掌握微细铣削切屑的形成及其影响因素。

　　对于微细铣削过程中表面的形成，提出基于最小切削厚度的微细铣削表面形貌仿真模型。通过对微细铣削表面形貌的仿真和计算以及微细铣削实验，获得了微细铣削表面粗糙度随每齿进给量变化的规律。并且系统地分析了微型铣刀的几何参数和所选用的每齿进给量以及最小切削厚度等因素，对微细铣削表面粗糙度的影响。

　　针对实际微细铣削加工过程，指出表面粗糙度不仅与刀具几何参数和切削用量有关，而且由于系统的振动，刀具的磨损及受力变形，积屑瘤的产生，微型铣刀跳动量的影响，以及材料不均匀性等微观结构的影响等等，都将使得微细铣削中实际获得的表面粗糙度难于与理论表面粗糙度相近。建立了基于响应曲面法的微细铣削表面粗糙度预测模型，通过预测模型可以分析切削参数对表面粗糙度的影响，并实现对表面粗糙度的预测和控制。

　　本文通过实验研究了微细铣削过程中毛刺的形成以及影响毛刺产生的因素和规律，以达到减小毛刺的目的。并通过合理地选择切削参数以及微小零件加工的刀具路径规划，可以减小微细铣削毛刺。

4.期刊论文 邓文君.夏伟.周照耀.邵明.李元元 正交切削高强耐磨铝青铜的有限元分析 -机械工程学报2004,40(3)

采用热力耦合、平面应变、连续带状切屑的切削模型模拟了高强耐磨铝青铜的正交切削加工过程.采用增量步移动刀具的方法,结合有限元分析软件Marc的网格重划分功能,模拟了刀具从初始切入到切削力和切削温度达到稳态的切削加工过程,获得了不同切削深度和切削速度下的切屑形态、温度、应力、应变和应变速率的分布.并将模拟计算得到的切削力和切削温度与试验结果进行了比较,两者具有较好的一致性.

5.学位论文 盆洪民 淬硬钢高速切削过程的有限元仿真 2007

制造业始终在探索零件产品的低成本加工方法和对现存工艺的高效率利用与改进，高速切削加工是先进制造技术的一个重要组成部分，已成为淬硬钢等高硬度材料切削加工的重要手段。PCBN刀具的出现及其精密加工过程可以满足这些零件的加工要求，而替代或减少磨削加工。

本文以有限元理论为基础，针对高速硬态切削淬硬钢的特点，利用MSC.Marc和ABAQUS/Explicit两种有限软件建立了适于硬态切削的二维平面应变有限元模型，模拟了硬态切削中连续与锯齿状切屑形成过程和刀具的磨损情况。考虑工件材料机械物理性能随时间的变化和流动应力受应变、应变速率和温度影响特性来模拟材料的非线性问题：采用MSC.Marc的网格重划分技术和ABAQUS/Explicit的剪切失效准则、单元去除和自适应重划分技术模拟了切屑的形成；为了处理硬态切削过程中的几何非线性问题，分别采用了更新的Lagrange格式的有限元法与ALE法；采用库仑摩擦模型模拟硬态切削过程中的摩擦问题；利用ABAQUS结合Python语言，模拟分析刀具的磨损。在高速硬切削过程中，切削力随着切削宽度增加而成比例增加，形成锯齿状切屑时切削力随着锯齿的形成与发展呈周期性变化；切削区温度随切削宽度增加略有增加；圆弧刃和倒棱刃刀具的已加工表面残余应力具有相同的变化规律和最大应力值;锋利刃、倒圆刃和倒棱刃3种常见的刃口形式中，锋利刃由于刃口强度差不适合淬硬钢的切削加工，倒圆刃和倒棱刃相比，倒棱刃的切削温度分布好，已加工表面温度低；ABAQUS与Python语言结合可以预测刀具磨损情况。

采用Element Six公司的AMBORITE DBA80刀具在CA6140车床上对淬硬轴承钢GCr15(HRC60-62)进行了一系列切削力、切削温度实验。通过试验与仿真分析对比，有限元仿真切削力、切削温度和已加工表面残余应力有较好的精度，并可以模拟加工过程中的不连续切屑形成和刀具磨损。采用的模拟方法可以部分的取代实验研究，拓展了有限元理论的应用范围，促进了硬态切削机理的研究。

6.期刊论文 谢峰.刘正士.杨海东 金属切削刀具前、后刀面摩擦状况的数值模拟 -应用科学学报2004,22(2)

采用数值模拟技术,成功地模拟出了自由直角切削中刀具前、后刀面的摩擦状况,并模拟出切屑形成及计算出刀-屑摩擦面上接触对各节点的等效应力值;同时对有限元建模及计算过程进行了深入的阐述.通过剪切角的仿真计算结果和用快速落刀实验得到的实验数据的比较证实了该方法的可行性.

7.学位论文 汤敬计 超精密切削过程的有限元仿真 2004

该文基于大变形的有限元法,利用通用的商用有限元软件(Deform3D和Marc)数值模拟了铜合金的超精密切削过程.主要研究了在超精密切削过程中切削力、切削热、残余应变和残余应力的相关影响因素,这对深入理解超精密的微切削机理具有积极的意义.首先,建立了金属切削的三维仿真模型,并成功实现了三维切屑形成过程的仿真.研究了正交直角切削和斜角切削时,形成不同形状的切屑对切削过程中产生的切削力的影响.因为二维切削仿真不能模拟斜角切削的情况,所以斜角切削仿真能更深入地了解超精密切削的实质.第二,在超精密切削中采用两种摩擦模型来模拟刀具与切屑之间的摩擦,通过对仿真所得的结果与前人的实验结果进行对比分析可知,采用粘结-滑移摩擦模型更能真实地反映刀-屑之间的真实摩擦状态.并采用不同摩擦系数进行了仿真计算,结果表明在超精密切削仿真时取摩擦系数μ=0.3左右比较合理.第三,对有限元仿真得到的结果进行回归分析,分别建立了切削力、切削热、残余应变和残余应力的预测方程,分析了刀具几何参数、切削用量对切削力、切削热、残余应变和残余应力的影响.最后,在哈尔滨工业大学自行研制的KDP超精密机床上进行了一系列的超精密车削实验,测量得到超精密切削过程中切削力的大小,并与仿真结果进行了比较分析.结果表明,在同样的切削条件下切削力的实际测量值与理论仿真值误差不超过30﹪,这说明利用有限元法预测超精密车削将要产生的切削力是可行的.

8.学位论文 邓文君 切削-滚压复合工艺的有限元建模与分析 2005

滚压加工是一种利用硬度高且表面光滑的滚球/滚轮滚压材料粗糙表面，致使材料表面的粗糙峰产生塑性流动并填补到波谷中，从而达到改变工件表面质量的精密成形方法。与其它切削方式的精加工工艺相比，滚压工艺可获得很高的表面光洁度、表面硬度以及在工件表层残留有利的压应力。与喷丸加工相比，滚压加工可以节省时间，提高生产效率，对于表面结构复杂的零件同样可以保持高加工精度，设备简单，节省成本，易于与切削工艺组成复合工艺和实现自动化。随着滚压加工的广泛应用以及使用要求的提高，与之相对应的理论研究，也显得越来越紧迫和重要。传统的解析法在求解考虑材料加工硬化以及几何非线性等复杂滚压模型时往往导致不可解。实验方法，虽然行之有效，但是工作量非常大，延长了试验周期，增加了生产成本。而采用有限元法对滚压加工进行建模和分析，不但可以求解复杂的材料非线性问题以及几何非线性问题，而且可以减少试验周期，降低费用，在分析多因素影响的时候优势尤为明显。

　　本文主要研究了切削加工过程以及考虑切削加工历史数据的滚压加工过程的力学建模理论以及数值模拟方法，并在此基础上，分析了滚压工艺参数对加工表面质量的影响规律，探索出将切削加工与滚压加工相结合的复合工艺及其装置。

　　分析了切削加工过程有限元分析的关键技术(切削条件下的工件材料本构关系以及流动应力模型、切屑分离及断裂模型、刀屑接触及摩擦模型、热产生机理及热传导模型以及热力耦合分析模型)。并在此基础上，建立了二维、三维非自由单次以及三维非自由多次切削的有限元分析模型。模拟分析了切削加工过程中切屑形成过程及其机理，以及其它各种变量(切削力、切削温度、残余应力、残余应变以及剪切角)的变化规律。采用与模拟分析相同的条件进行物理试验，并将测量得到的切削力、切削温度、残余应力与模拟分析结果进行比较。发现模拟计算得到的切削力以及切削温度跟实测结果具有很好的一致性；比较模拟分析与试验测量得到的残余应力沿深度变化曲线，发现两者在数值上存在一定的差异，但分布规律具有很好的一致性。

　　分析了影响切削加工表面粗糙度的主要因素，建立了待加工表面的粗糙峰几何模型。分析了滚压加工条件下工件材料的本构关系以及流动应力模型、滚球与工件表面的接触及摩擦模型、热产生机理及热传导模型。建立了三维滚压加工有限元分析模型，分析了工件表面粗糙峰的变形机理以及滚压力、温度、应力、应变等变量的变化规律。分析了滚压工艺参数(滚压力、速度、进给量、滚球直径、滚压次数)对表面粗糙度以及工件表层残余应力的影响规律。并将切削加工模拟完成后得到的加工历史数据导入到滚压加工有限元分析模型中，与不考虑加工历史数据情况下的分析结果进行对比分析，研究了切削加工历史数据对滚压加工的影响。采用与模拟分析相同的试验条件进行物理试验，并将测量得到的滚压力、粗糙度以及残余应力跟试验结果进行比较，发现滚压力之间存在较小的偏差，残余应力在数值上有一定的差异，但分布规律相近。

　　最后分析了切削加工表面残余应力的形成机理以及调整和控制已加工表面残余应力的方法。设计了手动式切削-滚压复合刀具以及液压式切削-滚压复合刀具。这两种复合刀具结构简单，操作方便，对操作工人要求低，可实现在切除工件加工余量的同时压延已加工表面，达到降低工件表面粗糙度，形成表面硬化层，并在工件表层残留有利的残余压应力，从而强化零件的耐磨性能和抗疲劳性能。

9.期刊论文 王文凯.汤文成.WANG Wen-kai.TANG Wen-cheng 有限元法在金属高速切削加工技术中的应用 -机械设计与制造2008,\"\"(6)

阐述了有限元法在切削过程、切削加工表面残余应力计算、切削热和切削温度、以及切屑形成机理等高速金属切削加工中的应用,总结分析了有限元法在这些方面研究取得的成果及不足,展望了高速切削加工技术的研究方向.

10.学位论文 唐德文 淬硬钢高速铣削过程仿真与实验研究 2009

本文针对淬硬钢高速铣削过程中的锯齿状切屑如何形成，切削参数对切削力、切削温度以及应力-应变等特征物理量的影响，对刀具磨损严重、刀具选择缺乏理论指导等问题进行深入的理论与实验研究。以淬硬钢高速铣削加工实验为基础，更大范围地研究了淬硬钢高速铣削过程中锯齿状切屑的形成条件以及锯齿状切屑形变带与转变带的特征；采用了高速冲击压缩实验( SHPB)及材料的微观研究方法研究了淬硬钢材料在高温、高应变条件下的力学行为及微观组织等特征，构建了适合高速切削条件下材料具有高温、高应变、高应变率的“三高”流动应力材料本构模型；采用有限元法建立了淬硬钢高速铣削过程的2-D有限元模型，研究了淬硬钢高速铣削过程中第一、二、三变形区的应力场、应变场、温度场、应变率场等特征物理量进行了预测，揭示在高速切削中淬硬钢材料难加工的本质；在2-D有限元模型的基础上，拓展研究了淬硬钢3-D切削的有限元模型，分析了淬硬钢高速铣削过程中第一、二、三变形区的不均匀应力场、应变场、温度场、应变率场等特征，揭示在高速切削中淬硬钢材料的磨损与破损机理；模拟研究了淬硬钢薄壁结构件在高速铣削过程中应力-应变的变化规律，揭示了薄壁件高速铣削过程中让刀变形的本质，同时也研究了淬硬钢斜面结构件因路径引起的不均匀应力-应变、温度场变化规律，提出了高速铣削斜面结构件路径优化策略。这些研究对深入了解淬硬钢高速铣削过程，推动高速切削基础理论的发展，提高淬硬钢高速铣削技术的应用水平都具有重要意义。
　　 本文主要研究结论如下：
　　

(1)在淬硬钢高速铣削过程基本物理量方面，通过高速摄影与材料微观研究方法研究了淬硬钢高速铣削过程中切屑流的形成过程，带状切屑与锯齿状切屑形成条件、切屑的微观特征以及不同切削参数对切削力的影响，明确了高速铣削过程的边界条件。研究结果表明切削速度越大，切削力减小，切屑由带状切屑向形变带锯齿状及转变带锯齿状切屑转变，剪切带中心区域越窄，约2-8um，剪切带两边的组织更加细小；淬硬钢的硬度越高，切屑形态由带状转变为锯齿状的临界切削速度越低，淬硬钢硬度为62 HRC时，产生锯齿状切屑临界速度是100 m/min，切屑底部即第二变形区域呈现一条光亮的白层，约几个微米，切屑基体的平均显微硬度为732.4 HV。淬硬钢硬度为51 HRC时，形成锯齿状切屑临界速度是200 m/min，锯齿形状不明显，剪切带的显微硬度分别为573.7HV，基体的显微硬度为555.1HV。切削速度与材料的硬度是影响这一过程主要因素。
　　

(2)在淬硬钢材料本构方程建立方面，通过高速冲击压缩实验(SHPB)首次研究了淬硬钢SKDlI在高温、高应变率以及准静态条件下的应力-应变关系，构建了淬硬钢具有高温、高应变、高应变率的材料本构模型。研究结果表明随着应变的增加，材料的流动应力迅速升高，当材料在屈服以后，进入稳态增长状态，变形结束后，迅速卸载；在温度小于600℃，应变强化效应显著，材料在屈服以后，其应力-应变曲线基本上与应变轴平行，应变强化减弱：当温度大于600℃时，流动应力会随着应变速率的增加而减小，材料的热软化效应起到了重要的作用；根据一维应力波理论与单因素迭代的方法拟合适合“三高”应力流的材料本构模型，建立了淬硬钢低温负应变率效应、高温软化效应的修正Johnson-Cook模型。与未进行修正的相比，其精度提高了102％左右。
　　

(3)在淬硬钢材料微观研究方面，利用XRD物相分析、金相显微分析与SEM形貌分析等材料微观研究手段，首次研究了淬硬钢材料在低温、低应变率时，其表面的相组成主要有：Fe-Cr合金、Cr7C3. Fe等，且表面有众多微裂纹；高温高应变时，其表面的相组成主要有：Fe-Cr合金、FeCrO4、 Fe2O3等；在低温、高应变率的作用下，试样的表面有明显的微裂纹，这是由于材料脆性断裂的结果；在高温高应变率的作用下，试样的表面未见细小的微裂纹，而是在试样的心部发生剪切与断裂，这与高速铣削过程中切削速度为300m/min的绝缘剪切行为相类似，进一步证实了淬硬钢材料具有低温负应变率效应、高温软化效应的特性。
　　

(4)在淬硬钢高速铣削过程2-D数值模拟方面，采用有限元法首次研究了淬硬钢在不同切削速度下的切屑形成过程、应力.应变分布以及温度的梯度分布情况，并对材料硬度、不同切削参数、摩擦系数、刀具前角对第一、二、三变形区的应力。应变、应变率以及温度场进行预测，揭示了高速切削中淬硬钢材料难加工的本质。研究结果表明材料的硬度越高，材料在切削区域内的有效应力越大，应变减小，变形越困难，切削温度越高。对HRC62淬硬钢，其最大的等效应力为3670MPa，等效应变达3.76，切削温度达1207℃；切削的速度越高，应力-应变的等值线越密，拉应力增大，切削温度升高，约为1230℃：摩擦系数增大时，剪切区内应力越大，变形越明显，应力-应变的等值线越密，切削温度明显的增加；刀具前角增大，剪切区应力-应变的等值线变得稀疏，拉应力增大，切屑的分离趋势增强，淬硬钢材料的变形不明显，切削温度减小。
　　

(5)在淬硬钢高速铣削过程3-D数值模拟方面，在2-D有限元模型的基础上，拓展研究了淬硬钢3-D切削的有限元模型，对高速铣削过程切屑的形成、应力-应变、应变率以及热-力耦合的温度场进行相关预测，揭示了高速切削中淬硬钢材料刀具磨损与破损的本质。研究结果表明淬硬钢材料的硬度越高，发生破坏的变形越困难，在切削区域内应力、应变及切削温度均增大。在剪切区内有效应力的等值线相对较密，其最大值为3380MPa，最大有效应变率为8.99×105s-1，切削温度为1163℃。在第二形区应变等值线较密，最大有效应力在2900-3380MPa内波动，对刀刃冲击较大，磨损严重。
　　

(6)在典型薄壁结构件与斜面结构件数值模拟与实验研究方面，综合运用全文的研究结果，针对典型的薄壁结构件与斜面结构件的特点，首次制定与优选了薄壁件与斜面结构件高速铣削过程数值模拟加工变形与路径优化的策略。并对一个典型的45°斜面结构件四种不同走刀方式进行仿真与实验。成功地实现了45°斜面结构件四种不同走刀方式的优选，确立了水平向上走刀方式的铣削路径，其结果表明：铣削力最小，实验值为17.2N，模拟值19.8N，误差为15.2％；切削温度最低，约为250℃。

本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y1013989.aspx

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下载时间：2010年9月4日