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        基于Abaqus的二維切削仿真分析

        2022-06-13 08:38:26包虎子
        內(nèi)燃機(jī)與配件 2022年7期
        關(guān)鍵詞:切削速度切削力鈦合金

        0 引言

        計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使得制造工作可以借助有限元分析手段輔助進(jìn)行,Abaqus就是一款功能強(qiáng)大的有限元分析軟件。通過Abaqus軟件模擬真實(shí)的切削加工過程并進(jìn)行分析,可以進(jìn)行切削參數(shù)的優(yōu)選、目標(biāo)量的預(yù)測(cè)等工作,這不僅節(jié)約了成本,還對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。

        1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

        鄧蓉等

        通過Abaqus有限元軟件對(duì)45鋼堆焊層進(jìn)行了二維切削仿真,仿真結(jié)果表明堆焊層使45鋼的切削力的波動(dòng)情況變得比沒有堆焊層的劇烈,當(dāng)保持切削速度和進(jìn)給量不變時(shí),切削深度的增大會(huì)造成切削力增大的同時(shí)波動(dòng)情況也越來越劇烈,工件切削處的溫度隨著切削深度的增大而升高,模擬試驗(yàn)得到的使切削力波動(dòng)情況最穩(wěn)定的切削要素為:Vc = 600m/min、f = 0.12mm、a

        = 0.1mm。馬浩騫等

        通過Abaqus軟件設(shè)計(jì)并模擬切削Ti6Al4V鈦合金切削的三因素四水平正交實(shí)驗(yàn),借助極差分析和方差分析手段,研究了刀具前角、切削深度、切削速度對(duì)切削力和切削溫度的影響,試驗(yàn)結(jié)果表明切削深度對(duì)切削力影響較大,對(duì)切削溫度影響不明顯,刀具前角對(duì)切削力和切削溫度的影響都高度顯著。有限元分析手段在車削領(lǐng)域也存在廣泛的應(yīng)用,孔林雁等

        利用Abaqus軟件模擬了SiCp/Al復(fù)合材料的切削,模擬結(jié)果表明切削力隨刀尖圓弧半徑的增大而增大,切削力大小波動(dòng)程度與切削速度大小呈正相關(guān)。李堯等

        對(duì)飛機(jī)承力構(gòu)件常用材料30CrMnSiA進(jìn)行了有限元仿真研究,分析了刀具前角和主軸轉(zhuǎn)速對(duì)切削力的影響規(guī)律,結(jié)果表明刀具前角為13°時(shí),切削力最小,臨界主軸轉(zhuǎn)速為2000r/min。趙仲林等

        通過建立三維有限元切削模型,結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),對(duì)切削力進(jìn)行了預(yù)測(cè),預(yù)測(cè)得到的切削力與仿真實(shí)驗(yàn)得到的切削力最大誤差值為9.48%,誤差結(jié)果驗(yàn)證了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的準(zhǔn)確性,仿真結(jié)果也表明切削力隨著切削速度的增大而先增大后減小,隨著切削深度的增大而增大。劉德等

        在Abaqus軟件中建立了鈦合金三維銑削的模型,仿真的得到了切削力的值,并將仿真得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,對(duì)比結(jié)果表明了有限元模型預(yù)測(cè)銑削力是可靠的,為鈦合金零件的銑削參數(shù)優(yōu)選提供的參考。Yin等

        利用Abaqus軟件模擬了TC4鈦合金的切削過程,研究切削用量對(duì)切削力及切削溫度等的影響規(guī)律,并借助試驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證,兩者具有很大程度的一致性,說明仿真結(jié)果較可靠。張家雨

        等利用Abaqus建立了高速切削Ti6Al4V的二維正交模型,仿真研究了切削用量對(duì)切削力大小、切削力波動(dòng)頻率及鋸齒形切屑形態(tài)的影響,結(jié)果表明:平均切削力隨著切削深度的增大而增大,切削力波動(dòng)頻率隨切削深度的增大而減小,鋸齒化程度隨切削速度和切削深度的增大而增大。

        J-C本構(gòu)模型是金屬切削中常用的一種模型,該模型包括分別反映材料應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)、應(yīng)變速率強(qiáng)化效應(yīng)、熱軟化效應(yīng)的A、B、n、C、m等五個(gè)核心參數(shù)。彭臣西等

        通過利用參數(shù)不同的12組J-C本構(gòu)模型進(jìn)行了Abaqus二維切削仿真,對(duì)比發(fā)現(xiàn),對(duì)于7050-T7451材料來說,J-C本構(gòu)模型中的參數(shù)取A = 435MPa,B = 543.624MPa,n = 0.504,C = 0.019,m = 0.97時(shí),得到的仿真結(jié)果比較理想,同時(shí)發(fā)現(xiàn),高的流變應(yīng)力可以導(dǎo)致大的主切削力。

        針對(duì)鈦合金薄壁件銑削難度大的問題,岳彩旭等

        利用Abaqus軟件建立了鈦合金薄壁件三維銑削的模型,得到了銑削中的溫度場(chǎng)和銑削力,并通過實(shí)驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證,仿真與實(shí)驗(yàn)的相對(duì)誤差為12.3,仿真模型可以為后續(xù)銑削參數(shù)優(yōu)化等工作提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。李同等

        利用有限元分析計(jì)算,并結(jié)合正交試驗(yàn),確定了鈦合金圓形薄壁件銑削的銑削參數(shù)最優(yōu)組合。

        原來這喜姑也是一把山歌高手,半斤對(duì)八兩,烈火遇干柴,一首《十月遇姐》還沒唱完,兩人就箍頭抱頸,扭作一團(tuán)了。

        有限元分析手段也常被用于超聲振動(dòng)輔助切削中,魏正義等

        利用Abaqus軟件建立了超聲橢圓振動(dòng)輔助車削的二維模型,對(duì)車削GH4169高溫合金進(jìn)行了仿真加工,得出結(jié)論:切削速度超過臨界速度后會(huì)影響超聲橢圓振動(dòng)的加工效果,與普通車削相比,振動(dòng)車削能降低切削力,在超聲橢圓振動(dòng)車削中,振幅增大能夠減少切削時(shí)間、降低切削力、延長(zhǎng)刀具使用壽命。楊禹等

        針對(duì)鈦合金加工難的問題,以加工TC4鈦合金為例,在Abaqus中建立了軸向振動(dòng)銑削的模型,并發(fā)現(xiàn)軸向振動(dòng)銑削有利于降低切削力。杭華

        利用有限元軟件建立了超聲振動(dòng)輔助鉆削鈦合金的仿真模型,分析了進(jìn)給量、主軸轉(zhuǎn)速等參數(shù)對(duì)切削力等的影響。

        收集兩組患者一般資料,包括年齡、性別、血壓[舒張 壓 (DBP)、 收 縮 壓 (SBP)]、BMI、 血 糖 (2 hPG、FBG、HbA1c、2 hCP、FCP)、血脂(TC、HDL-C、TG、LDL-C)、肝功能(AST、ALT、GGT)。比較兩組頸動(dòng)脈內(nèi)膜中層厚度(IMT)和動(dòng)脈狹窄、硬化以及斑塊形成發(fā)生情況。

        黃堯等

        借助Abaqus有限元分析手段研究了鈦合金銑削加工表面殘余應(yīng)力的影響因素,結(jié)合極差法研究發(fā)現(xiàn),在影響加工表面殘余應(yīng)力的因素中,影響程度從小到大依次為銑削深度、銑削路徑、銑削速度,其中,殘余應(yīng)力隨著銑削速度的增大而增大。

        材料的最小切削厚度是精密加工參數(shù)優(yōu)選的重要依據(jù),王帥杰等

        利用利用Abaqus軟件的CEL切削仿真技術(shù)建立了高溫合金Inconel 718的微切削最小切削厚度預(yù)測(cè)模型,綜合仿真和試驗(yàn)結(jié)果得出Inconel 718微切削最小切削厚度范圍是7~15μm。周純江等

        針對(duì)最小切削厚度的存在問題,建立了最小切削厚度模型,對(duì)最小切削厚度的估值進(jìn)行了研究。

        切削過程中只有工件涉及變形,故只對(duì)工件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對(duì)于工件這種形狀規(guī)則的部件,通常采用四邊形的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。切削過程中材料的塑性和損傷都與溫度有關(guān),因此單元族類型選擇溫度-位移耦合,本切削模型中采用CPE4RT的單元類型。為使計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確同時(shí)保證計(jì)算收斂,將整個(gè)工件分成兩部分,切削部分設(shè)置為四邊形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,基體部分設(shè)置為自由網(wǎng)格。畫好網(wǎng)格并裝配起來的刀具-工件幾何模型如圖1所示。

        在Abaqus軟件中建立了普通鋼板的二維切削模型,以切削深度、切削速度、刀具前角為因素模擬了三因素四水平正交試驗(yàn),得到了每組試驗(yàn)數(shù)據(jù)下的切削力值。

        Wang等

        通過Abaqus有限元仿真軟件,研究了小孔徑深孔鉆削中切削參數(shù)對(duì)零件加工變形及殘余應(yīng)力的影響,結(jié)果表明:根據(jù)仿真結(jié)果能夠選擇合理的切削參數(shù)。王一卓等

        通過建立Abaqus三維和二維切削仿真的模型,分析了進(jìn)給速度、轉(zhuǎn)速及刀具前角對(duì)加工表面殘余應(yīng)力的影響,結(jié)果表明:加工表面殘余應(yīng)力隨進(jìn)給速度的增大而增大,隨著轉(zhuǎn)速的增大,工件表面的殘余應(yīng)力逐漸減小,隨著刀具前角的減小,殘余應(yīng)力逐漸增大。謝黎明等

        使用有限元軟件AdvantEdge對(duì)7050鋁合金材料進(jìn)行了切削仿真,利用單一變量法確定了工件表面殘余應(yīng)力隨切削參數(shù)變化的規(guī)律,研究發(fā)現(xiàn):工件表層為殘余壓應(yīng)力,亞表層為殘余拉應(yīng)力,進(jìn)給量對(duì)殘余應(yīng)力的影響最大,切削速度次之,切削深度的影響最小。

        李飛等

        通過Abaqus軟件模擬Ti6Al4V鈦合金的高速切削過程,分析不同切削速度下的熱流向向量、溫度和力等參數(shù),得出結(jié)論:刀具振動(dòng)和切削速度有關(guān),并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果的可靠性。

        切削過程中的切削力主要來自刀具后刀面和第三變形區(qū)之間的摩擦力與工件塑性變形的抗力兩部分,過大的切削力有如下危害:可能會(huì)導(dǎo)致刀具壽命減短、零件尺寸和公差改變、材料性能變差等。本章以切削速度、切削深度、刀具前角為影響切削力的因素,模擬進(jìn)行了三因素三水平的正交試驗(yàn),將這三種因素對(duì)切削力的影響程度做了比較,并以最小的切削力為目標(biāo),并對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)選。正交試驗(yàn)參數(shù)如表3所示。

        2 二維切削仿真

        Abaqus軟件在原有的功能基礎(chǔ)上,還能通過對(duì)其進(jìn)行二次開發(fā),使它具備原先不具備的功能,從而完成更多的工作。Chen等

        使用腳本語言Python對(duì)Abaqus軟件進(jìn)行了二次開發(fā),程序界面友好,可操作性強(qiáng),為后續(xù)研究切削用量對(duì)切削力的影響規(guī)律奠定了基礎(chǔ)。王彥武

        對(duì)Abaqus軟件的快速換刀和快速建模進(jìn)行了二次開發(fā),解決了手動(dòng)重復(fù)建模的效率低和精度低的問題。秦宇等

        基于有限元軟件Abaqus的Plug-ins插件程序,用Python語言對(duì)前處理模塊進(jìn)行了二次開發(fā),成果在切削仿真的參數(shù)化建模等方面具有借鑒意義。胡嵐等

        通過二次開發(fā)將Ti6Al4V將材料寫進(jìn)Deform-3D材料庫(kù)中進(jìn)行了切削仿真,結(jié)果表明二次開發(fā)建立的材料模型能夠提高仿真精度。

        2.1 建立刀具和工件的幾何模型

        在部件模塊分別建立刀具和工件的幾何模型,由于在仿真中假定刀具不發(fā)生變形,故將刀具類型設(shè)置為解析剛體,工件類型為可變形二維殼體。工件為0.2m×0.1m的長(zhǎng)方形,刀具后角為10°,刀具前角為變量。

        第二,現(xiàn)有研究還忽視了技術(shù)市場(chǎng)。企業(yè)合作創(chuàng)新后,申請(qǐng)專利,允許其他企業(yè)使用該專利,從而收取專利費(fèi),這就形成了技術(shù)市場(chǎng)。技術(shù)市場(chǎng)的定價(jià)行為和均衡必然影響產(chǎn)品市場(chǎng)和后續(xù)的創(chuàng)新行為,因而研究合作創(chuàng)新與專利安排的相互作用,技術(shù)市場(chǎng)和產(chǎn)品市場(chǎng)的相互作用是下一步研究深入的一個(gè)重要方向。

        2.2 網(wǎng)格系統(tǒng)的構(gòu)件

        (1) Takotsubo綜合征(TTS):即應(yīng)激性心肌病。TTS可以表現(xiàn)為急性心肌梗死,其中1%~2%的患者表現(xiàn)為可疑STEMI。TTS常由劇烈情緒變化、壓力等誘發(fā)。90%的患者是絕經(jīng)后女性。如患者臨床表現(xiàn)、心電圖異常與cTn的升高程度不成比例,左心室壁運(yùn)動(dòng)異常的分布與單個(gè)冠狀動(dòng)脈分布不相關(guān)時(shí),則應(yīng)高度懷疑TTS。需冠脈造影和心室造影來明確診斷。

        先用低ⅰ擋試割,如果工作正常再適當(dāng)提高一個(gè)擋位,收割一段距離后,應(yīng)停車檢查收獲質(zhì)量,觀察各部位調(diào)整是否適當(dāng),無異常現(xiàn)象方可進(jìn)入正常作業(yè)。

        2.3 設(shè)置材料屬性

        作為剛體的刀具不需要設(shè)置材料屬性。

        工件材料材料為普通鋼板,樣式模量和泊松比分別為2.1e11和0.3,密度為7800 kg/m

        。

        切削過程是一個(gè)高應(yīng)變、高應(yīng)變率、高溫的過程,這種過程中材料的塑性通常采用J-C本構(gòu),鋼板工件的J-C本構(gòu)核心參數(shù)如表1所示。

        將工件完全約束,對(duì)刀具給一個(gè)切削速度邊界條件。

        2.3 創(chuàng)建分析步

        設(shè)置分析步類型為顯示動(dòng)力學(xué)分析,分析時(shí)間與之后的切削速度有關(guān)。

        由于切削過程中部分網(wǎng)格會(huì)被破壞,故采用ALE自適應(yīng)網(wǎng)格來保證計(jì)算的順利進(jìn)行。ALE自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)中,如果參數(shù)設(shè)置不當(dāng),可能會(huì)導(dǎo)致由于網(wǎng)格問題而引起計(jì)算無法進(jìn)行,本文ALE相關(guān)參數(shù)設(shè)置如圖2所示。

        2.4 設(shè)置相互作用與邊界條件并提交作業(yè)

        創(chuàng)建刀具前刀面及后刀面和工件之間的接觸,對(duì)刀具設(shè)置剛體約束。

        材料失效采用剪切破壞準(zhǔn)則,有關(guān)參數(shù)如表2所示。

        將所有前處理工作都做好后就可以創(chuàng)建作業(yè)并檢查數(shù)據(jù),檢查無誤后提交作業(yè)進(jìn)行計(jì)算。

        3 針對(duì)切削力進(jìn)行極差分析

        有限元手段在切削等方面都得到了廣泛的應(yīng)用,目前的研究主要體現(xiàn)在通過有限元手段獲得切削力、切削溫度等參數(shù),然后用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證其準(zhǔn)確性等方面,而對(duì)有限元仿真時(shí)的參數(shù)優(yōu)選較少,所以本文利用Abaqus軟件,以普通鋼板為材料,進(jìn)行了二維切削仿真,研究了切削速度、切削深度和刀具前角對(duì)切削力的影響規(guī)律,通過極差分析法,對(duì)切削深度、切削速度和刀具前角進(jìn)行了優(yōu)選,分別研究了切削深度、切削速度和刀具前角對(duì)切削力的影響規(guī)律。

        在車上將袋子交給她時(shí),我會(huì)先將袋子直放地上,然后緩緩?fù)葡蛩?;下車拿袋子時(shí),我會(huì)請(qǐng)她先推出袋子,我再緊抓住袋子右上角拉向我。

        Abaqus自帶的后處理功能可以直接獲得切削力值,采用第一組試驗(yàn)數(shù)據(jù),即切削速度為1m/s,切削深度為0.002m,刀具前角5°時(shí)的切削力結(jié)果如圖3所示。

        對(duì)比圖中兩條曲線可以發(fā)現(xiàn),主切削力

        的值遠(yuǎn)大于切深抗力

        ,故本文主要研究

        ,并取切削力值得平均值作為研究對(duì)象。

        各組試驗(yàn)參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

        美股近日表現(xiàn)反復(fù),道指周三單日急升過千點(diǎn),創(chuàng)9年半最大單日升幅,但若論12月以來形勢(shì),三大指數(shù)累積跌幅仍有大約10%,很大機(jī)會(huì)創(chuàng)下自1931年經(jīng)濟(jì)大蕭條以來表現(xiàn)最差的12月份。中港股市亦持續(xù)于低位浮沉,內(nèi)地最新公布11月工業(yè)利潤(rùn)按年倒退1.8%,至5950億元人民幣,為2015年以來首次下跌,加深市場(chǎng)對(duì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)放慢的憂慮,恒指再度失守25500點(diǎn),為11月初以來首次收市跌穿此水平。輪證資金流向方面,投資者傾向部署好倉(cāng)博反彈,截至本周四的過去5個(gè)交易日,恒指好倉(cāng)(認(rèn)購(gòu)證及牛證)共錄得1.5億港元凈流入,同期恒指淡倉(cāng)(認(rèn)沽證及熊證)凈流出9千萬港元。

        極差分析是通過計(jì)算和判斷兩個(gè)步驟來得出各影響因素對(duì)目標(biāo)量的影響程度,并優(yōu)選出最佳的因素參數(shù)組合。各因素對(duì)目標(biāo)量的影響程度大小由極差參數(shù)R表征。極差分析的結(jié)果如表5所示。

        根據(jù)極差分析的結(jié)果,對(duì)切削力的影響程度最大的是切削深度,其次是切削速度,刀具前角的影響最小,且最佳的組合為切削速度為1m/s,切削深度為0.002m,刀具前角為15°。為進(jìn)一步分別研究各因素對(duì)切削力的影響規(guī)律,分別以切削深度、切削速度和刀具前角為變量安排了單因素試驗(yàn),試驗(yàn)參數(shù)如表6所示。

        品牌管理組織是品牌戰(zhàn)略實(shí)施的基礎(chǔ)和關(guān)鍵,承擔(dān)品牌從定位、設(shè)計(jì)、推廣、維護(hù)、評(píng)估等工作任務(wù),也是實(shí)現(xiàn)品牌戰(zhàn)略目標(biāo)的保障。雖然各圖書館品牌建設(shè)目標(biāo)、人力資源狀況及環(huán)境不同,但一些基本原則有助于高效的組織建設(shè)。

        切削力隨各因素的變化情況如圖4、圖5、圖6所示。

        在圖3中,固定f=0.2,可以清楚看到,ER網(wǎng)絡(luò)在HTLDD、LTHDD和RDD策略下具有相似的魯棒性,表明不同的邊定向策略對(duì)ER網(wǎng)絡(luò)抵制級(jí)聯(lián)故障的魯棒性影響不大.

        圖4表明,切削力隨切削深度和切削速度的增大而逐漸增大,隨刀具前角得增大先增大后減小,在刀具前角為10°時(shí)達(dá)到最大。這是因?yàn)榍邢魃疃群颓邢魉俣鹊脑龃笫沟冒l(fā)生塑性變形得抗力增大,從而導(dǎo)致切削力增大。

        4 結(jié)語

        本文通過Abaqus有限元軟件模擬切削鋼板,設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn),并通過極差法分析了切削速度、切削深度和刀具前角對(duì)切削力的影響規(guī)律,得出結(jié)論:對(duì)切削力影響最大的是切削深度,其次是切削速度,刀具前角的影響最小,并且得到最佳的參數(shù)組合為切削速度為1 m/s,切削深度為0.002 m,刀具前角為15°。通過分別對(duì)切削深度、切削速度和刀具前角為變量進(jìn)行了單因素試驗(yàn),得出結(jié)論:切削力隨切削深度和切削速度的增大而逐漸增大,隨刀具前角得增大先增大后減小,在刀具前角為10°時(shí)達(dá)到最大。

        [1]鄧蓉, 肖雄,劉雁峰,等.基于Abaqus的類堆焊層二維直角切削仿真研究[J].現(xiàn)代信息科技, 2021, 5(02), 122-126.

        [2]馬浩騫, 楊東, 程?hào)|化, 等. 基于Abaqus的鈦合金Ti6Al4V切削仿真與工藝優(yōu)化[J]. 制造業(yè)自動(dòng)化, 2020, 42(11), 23-27+50.

        [3]孔林雁, 吳建民. SiCp/Al復(fù)合材料的車削仿真研究[J]. 輕工機(jī)械, 2021, 39(03), 85-89.

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