朱江新，夏 天，陽(yáng) 平，黃 江

ZHU Jiang-xin, XIA Tian, YANG Ping, HUANG Jiang

（廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 南寧 530004）

基于ANSYS的金屬切削過(guò)程模擬

Simulation of metal cutting process base on ANSYS

朱江新，夏 天，陽(yáng) 平，黃 江

ZHU Jiang-xin, XIA Tian, YANG Ping, HUANG Jiang

（廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 南寧 530004）

本文基于有限元分析軟件ANSYS強(qiáng)大的大變形分析功能，使用二次開發(fā)工具APDL和FORTRAN語(yǔ)言進(jìn)行二次開發(fā)，對(duì)金屬切削過(guò)程進(jìn)行有限元分析。完成了鋁合金A6061材料正交切削過(guò)程的全程模擬，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果，本文給出的二次開發(fā)算法具有重要的實(shí)用價(jià)值。

數(shù)值模擬； ANSYS； 二次開發(fā)

0 引言

有限元模擬技術(shù)在機(jī)械制造工程領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛，借助有限元模擬技術(shù)，可以直接求出變形體內(nèi)部有關(guān)變形速度、應(yīng)力、應(yīng)變參數(shù)分布規(guī)律，為設(shè)計(jì)人員提供直觀的物理數(shù)據(jù)，對(duì)深入研究切削機(jī)理、設(shè)計(jì)和選用相關(guān)的切削工藝參數(shù)提供參考依據(jù)和理論指導(dǎo)。

ANSYS系統(tǒng)具有強(qiáng)大的前、后處理和求解功能，通用性很強(qiáng)，但是在ANSYS中沒(méi)有用于金屬切削模擬的專用分析模塊。本文基于ANSYS大變形模塊，采用二次開發(fā)工具APDL和FORTRAN語(yǔ)言，對(duì)金屬切削模擬分析算法進(jìn)行二次開發(fā)，完成了鋁合金A6061正交切削過(guò)程的全程模擬。

1 金屬切削分析模型的建立

鋁合金A6061材料的分析單元類型選擇VISCO106大變形單元，彈性模量E=70Gpa、泊松比μ=0.3，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系式為[1,2]：

刀具選用PLANE182單元類型，彈性模量E=210Gpa、泊松比μ=0.3。

切削幾何模型由兩個(gè)矩形圖形疊加而成，切削層尺寸：25mm×1.2mm，下面的工件尺寸：25mm×3mm，右邊四邊形為刀具，工件劃分700個(gè)單元，刀具劃分16個(gè)單元。對(duì)工件底部所有的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行全約束，約束刀具的Y方向自由度，給刀具施加向左的位移載荷，有限元分析模型如圖1所示。

圖1 金屬切削有限元模型

2 模擬算法

在金屬切削模擬過(guò)程中，刀具和工件的邊界約束條件都在不斷地發(fā)生變化，如何正確地處理這些邊界約束是模擬分析成功的關(guān)鍵所在。ANSYS軟件在求解過(guò)程中不會(huì)對(duì)模擬分析過(guò)程中這些邊界約束條件進(jìn)行自動(dòng)分析和處理，如：切屑-基體分離、切屑脫離刀具、切屑-刀具邊界約束、網(wǎng)格重劃分等，本文針對(duì)這些問(wèn)題的處理，所給出的二次開發(fā)的算法流程如圖2所示。

2.1 網(wǎng)格畸變及處理

2.1.1 網(wǎng)格畸變判斷

2.1.2 新網(wǎng)格系統(tǒng)生成

網(wǎng)格發(fā)生畸變后，需要重新生成規(guī)則的有限元網(wǎng)格系統(tǒng)，這是保證數(shù)值模擬計(jì)算順利進(jìn)行下去重要的條件。對(duì)于新網(wǎng)格系統(tǒng)生成的方法有[3]：網(wǎng)格重新劃分和對(duì)舊網(wǎng)格系統(tǒng)中畸變單元進(jìn)行局部調(diào)整兩種方式。本文使用ANSYS軟件中的網(wǎng)格劃分功能對(duì)發(fā)生網(wǎng)格畸變的部位進(jìn)行網(wǎng)格重劃分，然后再整合新劃分的網(wǎng)格單元與舊網(wǎng)格系統(tǒng)中未發(fā)生畸變的部位。

2.1.3 新、舊網(wǎng)格系統(tǒng)之間參數(shù)傳遞

圖2 有限元分析二次開發(fā)程序流程圖

2.2 切屑分離判斷

目前，對(duì)于金屬切削分離準(zhǔn)則還沒(méi)有達(dá)成一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，目前所用的分離準(zhǔn)則主要有幾何準(zhǔn)則和物理準(zhǔn)則兩種類型。

本文采用幾何-節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力的綜合判斷準(zhǔn)則對(duì)切屑分離進(jìn)行判斷。處理流程如下：判斷該刀尖前節(jié)點(diǎn)的等效應(yīng)力是否已經(jīng)開始小于設(shè)定的臨界應(yīng)力（臨界剪切應(yīng)力），如果大于臨界值，則解除耦合約束；如果小于臨界值，則搜索分離線上距刀尖最近的節(jié)點(diǎn)，提取刀尖節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)值與刀尖前最近的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)值，使用距離公式求出兩節(jié)點(diǎn)之間的距離：，如果，設(shè)定的臨界值），則解除刀尖前節(jié)點(diǎn)的耦合約束條件，實(shí)現(xiàn)切屑分離。

2.3 刀-屑脫離判斷

切屑邊界節(jié)點(diǎn)在前刀面的約束下，只能沿前刀面的切線方向移動(dòng)，并且距刀尖越近所受的接觸壓力越大，為防止因接觸壓力過(guò)大而使切屑節(jié)點(diǎn)進(jìn)入到刀具內(nèi)部，必須對(duì)與刀具已經(jīng)發(fā)生干涉的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行修正；已分離的切屑節(jié)點(diǎn)與前刀面的距離足夠小時(shí)，必須把該節(jié)點(diǎn)修正到前刀面上來(lái)，使其受到前刀面的約束。為使分離的切屑節(jié)點(diǎn)受刀面約束，采用幾何方法對(duì)其坐標(biāo)進(jìn)行修正，過(guò)該節(jié)點(diǎn)做刀面垂線，得到垂線與刀面的一個(gè)交點(diǎn)，求出交點(diǎn)的坐標(biāo)并使用該點(diǎn)坐標(biāo)修正原來(lái)的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。受刀面約束的節(jié)點(diǎn)在刀面上運(yùn)行到一定的高度后，節(jié)點(diǎn)脫離前刀面成為自由節(jié)點(diǎn)，Lee和Shaffer[4]提出了刀-屑接觸長(zhǎng)度的滑移線理論，根據(jù)滑移線理論建立了一個(gè)滑移線切削模型，并給出計(jì)算切削模擬過(guò)程中切屑脫離前刀面的取值范圍為H=(1.25-1.5)h（其中h為切削層厚度）。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 切削過(guò)程中切屑內(nèi)部變形區(qū)域分布

圖3給出的是在刀具前角為γ=200、后角為β=50、摩擦系數(shù)為f=0.3時(shí)模擬得到的不同刀具行程下的等效應(yīng)力分布圖。圖3(a)是刀具行程S=5mm時(shí)工件和切屑內(nèi)部應(yīng)力分布圖，最大的應(yīng)力出現(xiàn)在第一變形區(qū)域紅色區(qū)域中，已經(jīng)達(dá)到：σmax=432MPa。(b)～(c)圖分別是刀具行程為S=10mm、S=15mm時(shí)的應(yīng)力分布圖，此時(shí)的第一變形區(qū)域的最大應(yīng)力在432～443Mpa之間變化，說(shuō)明已經(jīng)進(jìn)入了穩(wěn)定的切削過(guò)程中，這也驗(yàn)證了Von.Mise準(zhǔn)則，當(dāng)材料進(jìn)入塑性狀態(tài)后，等效應(yīng)力保持不變。從圖中分析得到，進(jìn)入到穩(wěn)定的切削過(guò)程中，刀具的后刀面所受的應(yīng)力最大，磨損也是非常嚴(yán)重的，模擬分析結(jié)果與文獻(xiàn)[5]所提出的正交切削新模型分析結(jié)論比較符合。

圖3 不同刀具行程下工件和刀具內(nèi)部應(yīng)力分布情況

3.2 切屑幾何形狀

影響切削過(guò)程中切屑成形的因素很多，有：工件材料、切削用量、刀具幾何參數(shù)等。模擬結(jié)果如圖4所示，圖4(c)給出的是在刀具前角為r=20°、后角為β=5°、摩擦系數(shù)為f=0.3°時(shí)模擬得到的刀具行程s=15mm時(shí)的切屑幾何形狀。

圖4 不同刀具行程下切屑形狀圖

通過(guò)對(duì)切屑單元網(wǎng)格分析可知，不僅切屑的長(zhǎng)度已經(jīng)明顯小于刀具的行程距離（切削層的長(zhǎng)度），而且切屑厚度方面則要明顯要大于切削厚度，這是由于在金屬切削過(guò)程中切屑在刀具前刀面的擠壓以及兩者之間的摩擦力作用下，切屑在厚度方面受到的拉伸作用壓力，而在長(zhǎng)度方面受到的則是擠壓作用壓力，在這兩種應(yīng)力的共同作用下，生成如圖4(a)、(b)、(c)所示的切屑圖形，其中圖4(d)、(e)為加工試驗(yàn)所得結(jié)果。通過(guò)對(duì)比，模擬分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果非常吻合。

4 結(jié)論

模擬分析得到了切屑成形過(guò)程和切削過(guò)程中工件、刀具內(nèi)部應(yīng)力分布圖，將模擬結(jié)果與相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，模擬分析結(jié)果比較符合金屬切削理論的中一般結(jié)論，驗(yàn)證了模擬分析結(jié)果的正確性和二次開發(fā)算法模塊的可行性，可為實(shí)際加工過(guò)程中工藝參數(shù)的選擇和優(yōu)化提供理論指導(dǎo)和參考依據(jù)。

[1] 朱江新.切削-擠壓成形過(guò)程分析與建模方法研究[D].西安:西安理工大學(xué),2006.

[2] 張士林,任頌贊,嚴(yán)錦山等.簡(jiǎn)明鋁合金手冊(cè)[M].上海科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社,2006.

[3] 李蓓智,黃昊,王勝利.切削過(guò)程仿真及工藝參數(shù)優(yōu)化[J].東華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,33(3):287-289.

[4] Lee E.H.,Shaffer.BW..The theory of plasticity applied to a problem of machining [J].Appl.Phys,1945:277-282.

[5] 吳學(xué)松,劉培德.正交切削時(shí)刀刃前區(qū)應(yīng)力分析的一個(gè)新模型[J].應(yīng)力力學(xué)學(xué)報(bào),1985,2(3):1-12.

TG506

A

1009-0134(2010)11(上)-0032-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.11(上).11

2010-06-09

廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任課題（09-007-05S022）

朱江新（1967 -），男，湖北監(jiān)利人，教授，工學(xué)博士，研究方向?yàn)榍邢鬟^(guò)程的數(shù)值模擬。