基于有限元的切削加工仿真及残余应力分析

基于热弹塑性有限元理论在DEFORM3D软件中建立正交切削加工有限元模型.建模过程中考虑了工件材料本构关系、局部网格自动重划分、刀屑摩擦、切屑分离等影响切削仿真的关键因素,分析了切削过程中工件等效应力的分布.对工件在不同切削速度下的残余应力进行分析和比较,得出两者之间的定性影响关系.     

精加工中刀具不同前角的有限元模拟研究

基于刚塑性有限元方法进行有限元仿真模型的建立,运用自适应网格(ALE)划分法对网格进行重新划分。运用Johnson-cook强化模型和剪切失效模型来定义切屑的形成。运用有限元软件对金属切削进行了二维切削模拟,分析刀具前角对切屑变形、工件表面应力分布、已加工表面质量及刀尖附近加工表面切削温度的分布等的影响。     

ABAQUS的高速铣削二维仿真分析

在铣削模型二维等效简化的基础上,对高速切削仿真的关键技术进行了研究,用J-C模型建立工件材料模型,用剪切失效准则实现切屑和工件分离,切屑和刀具的接触摩擦模型采用修正的库仑摩擦定律,在ABAQUS软件中实现了对45钢的高速铣削仿真,对切削力和切屑温度场、应力场的仿真结果进行了分析,验证了有限元模型的合理性.     

微细铣削应力场和温度场的有限元模拟

采用有限元方法对微细铣削过程进行模拟,采用Johnson-Cook热力耦合模型作为工件材料模型,采用Johnson-Cook的剪切失效法则作为工件材料的失效准则,采用热力耦合平面应变杂交单元并使用自适应网格技术进行网格划分,刀具与工件间的摩擦采用滑动摩擦区和粘着摩擦区相结合的修正库仑定律.通过有限元分析,得到不同切削速度和刀具切削刃钝圆半径条件下形成切屑时的刀具旋转角度、不同每齿进给量条件下的应力场和温度场.分析结果为微细铣削机理的进一步研究奠定基础.     

硬态干式切削过程的有限元仿真

硬态干式切削是近期发展起来的一种先进的切削加工技术,其具有良好的加工柔性、经济性和环保性能,是精加工过程中加工淬硬钢的最佳选择。基于材料变形的弹塑性理论,并结合ABAQUS通用有限元程序的特点和实际切削工况,用J-C模型建立工件材料模型,根据剪切失效准则实现切屑和工件分离,切屑和刀具的接触摩擦采用库仑摩擦定律,对AISI4340钢硬态切削过程进行仿真,分析了等效应力、等效塑性应变云图、切削力变化曲线以及切屑的温度场分布。在理论上,模拟过程与实际切削过程基本符合,为以后的硬态干式切削提供了参考。     

微细切削毛刺的有限元仿真

在微细加工精密微小零件的过程中,存在的主要问题之一是有微型毛刺产生。利用有限元软件Abaqus对铝2024-T3微细切削进行仿真,运用Johnson-Cook(J-C)模型建立工件材料模型,用网格自适应技术(arbitrary Lagrangian Eulerian,ALE)实现切屑和工件的分离,切屑和刀具的接触摩擦模型采用修正的库仑摩擦定律,动态模拟微型毛刺的形成过程,分析不同刀具几何参数及切削参数对毛刺形成的影响,得到微细加工过程中不同刀具几何参数及切削参数对微型毛刺形成影响的一般规律。分析结果为优化刀具几何参数及切削参数、减少微细切削中的毛刺和提高表面加工质量等提供指导。     

金属切削加工热弹塑性大变形有限元理论及关键技术研究

基于有限变形理论、虚功原理和更新的拉格朗日公式建立了热弹塑性本构方程，导出了热弹塑性大变形耦合控制方程。对切削加工有限元模拟中的关键技术，如材料模型，工件和切屑的分离、断裂准则，刀具、切屑间的接触摩擦模型以及切削热进行了探讨，针对这些关键技术建立了正交切削加工铝合金7050T7451有限元模型，对切屑形态、切削力、切削温度以及应力场和应变场等物理量的分布进行了有效预测。     

预应力硬态切削加工过程的有限元数值模拟研究

基于预应力切削的原理,建立预应力硬态切削42CrMo钢的正交切削热力耦合有限元模型,采用剪切断裂失效准则、单元删除和任意拉格朗日-欧拉(arbitrary Lagrangian Eulerian, ALE)方法实现切屑的分离.研究工件材料的本构关系、切屑分离标准、刀屑接触面的摩擦模型以及热传导方程等切削模拟中的关键技术,得到不同预应力大小对加工表面残余应力的影响关系;将数值模拟结果与实验数据进行比较,两者具有较好的一致性.     

金属切削过程有限元仿真关键技术及应考虑的若干问题

华侨大学摘要:有限元仿真是研究金属切削的一门有效而重要的技术。本文介绍在金属切削过程模拟中有限元仿真技术的应用和发展,深入分析和研究工件材料模型、自适应网格划分、切屑分离判别、刀—屑接触面摩擦模型以及刀—屑接触长度确定等五项关键技术;讨论了在实际金属切削过程有限元仿真中的真实性、可操作性、效率等方面应考虑的若干问题。     

基于热力耦合模型的金属切削过程有限元分析

基于有限元理论和热力耦合模型的研究,通过讨论切削过程中的关键技术,主要包括切削加工有限元方程的建立：构件材料的Johnson-Cook本构模型;切屑分离准则;材料断裂准则;接触摩擦模型;切削热的产生和分布;残余应力的分析和切削力的比较分析等,建立了二位金属切削过程模型,通过采用粘结．滑移摩擦模型,有效地模拟了航空钛合金的切削加工过程,对此类材料加工的切削力、切屑温度以及应力场和应变的分布进行了分析。     

高速硬态切削温度场和切削力动态变化的数值模拟

基于大型有限元软件ABAQUS仿真平台,建立了高速加工的有限元模型。该模型采用Johnson—Cook（JC）模型作为工件材料模型,采用JC破裂模型作为工件材料失效准则,刀-屑接触摩擦采用可自动识别滑动摩擦区和黏结摩擦区的修正库仑定律,并采用任意拉格朗日一欧拉方法实现切屑和工件的自动分离。通过有限元方法对AISI4340（40CrNiMoA）淬硬钢高速直角切削过程进行了数值模拟。通过改变刀具前角的大小,对高速硬态切削过程中刀具的温度场及切削力的动态变化进行了研究,探讨了它们各自的变化规律,研究结果有助于优化高速切削工艺,研究刀具磨损机理和建立高速切削数据库。     

考虑材料与摩擦特性的切削温度场仿真与试验

基于刀具和工件材料特性、切屑变形模型、氧化试验和摩擦磨损等试验获得的相关数据,采用更新拉格朗日算法和局部网格重划分技术,建立更符合实际情况的切削有限元模型.借助有限元计算软件模拟出Al2O3/ZrB2/ZrO2陶瓷刀具切削45钢的过程中温度场变化规律,得到切削加工的合理用量(切削速度为200～280 m·min–1,切削深度为0.1～0.3 mm).通过相关切削试验对模拟进行验证.结果表明,模拟结果与试验数据基本吻合,在高速下吻合更好.此类数值模拟方法可以为研制新的陶瓷刀具材料及切削用量的选择提供相关理论依据,降低试验成本.     

基于Deform-3D的中空框架铝合金高速铣削有限元分析

通过对中空框架铝合金材料本构模型的建立,研究了高速切削中的断裂准则、加工变形网格划分以及刀具磨损模型等关键技术,在此基础上,采用Deform-3D有限元分析软件,对中空框状铝合金6N01材料高速铣削中的变形行为和刀具摩擦磨损行为进行了有限元模拟,获得了工件与刀具在加工中的热、力分布和刀具磨损的变化规律,为改进框架铝合金的加工工艺并提高其加工效率提供了理论依据。     

铝合金高速铣削机理三维仿真建模与分析

为了研究铝合金7050-T7451高速铣削机理,建立了能反应实际铣削状态的斜角切削有限元模型.该模型采用双刃螺旋立铣刀进行模拟,模拟过程考虑刀具的进给运动和旋转运动,工件材料模型通过高温拉伸实验与高速压缩实验得到,刀-屑接触摩擦采用可自动识别滑动摩擦区和粘结摩擦区的修正库仑定律,切削温度模型等效为窄带热源.采用建立的有限元仿真模型模拟了铣削过程中的切屑成形状态,分析了应力、应变和温度分布情况以及铣削力值.研究结果表明,铝合金高速铣削加工形成连续带状切屑,最大应力发生在第一变形区,切屑形成时应变最大,最高温度出现在刀、屑接触部位,模拟得到的铣削力可以接受.     

精密切削过程三维有限元分析

采用有限元方法模拟三维精密切削过程,包括三维正交切削和三维斜角切削。切屑和刀具的摩擦应力采用修正库仑摩擦方程来计算,工件的流动应力是应力、应变、应变率和温度的函数,采用局部网格重划分技术。通过三维切削模拟可以获得在不同刃倾角精密切削过程的条件下切屑形状、切削力和切削温度场的分布情况。仿真结果表明:刃倾角对主切削力和切深抗力影响不大,但对切屑形状、进给抗力和切削温度场分布影响较大。     

高速切削Ti-6Al-4V绝热剪切带应变、应变率有限元模拟研究

塑性金属材料高速切削过程中存在绝热剪切行为,绝热剪切带内的应变、应变率分布规律是研究高速切削绝热剪切带特性的基础。首先,应用有限元软件ABAQUS/Explicit建立Ti-6Al-4V热-位移耦合平面应变二维切削模型,工件材料采用Johnson-Cook(J-C)本构模型,基于J-C失效判据设置切屑和工件分离准则,实现对Ti-6Al-4V的切削过程仿真。其次,对比分析有限元仿真与切削实验获取的切屑形貌,验证有限元模型的准确性。最后,分析Ti-6Al-4V高速切削绝热剪切带处应变、应变率变化规律。结果表明:切削速度在180~3 000m/min范围内,随切削速度提高,切屑绝热剪切带内的应变、应变率先增大后趋于稳定,绝热剪切带变形程度增加直至韧性断裂。研究结果有助于准确预测绝热剪切带的断裂并揭示其演化机制,通过利用材料的绝热剪切行为,可控制高速切削过程中的切屑形态,改善Ti-6Al-4V的切削加工性。     

Ti6A14V钛合金高速切削试验与有限元建模

综合考虑刀具圆角影响的Merchant模型和高速正交切削Ti6AI 4V实验测量的切削力和切屑几何参数,解析求得了"切屑-刀具-工件"摩擦系数。计算表明"刀具-工件"摩擦系数约为"刀具-切屑"摩擦系数的3～7倍,该研究克服了现有文献中对"切屑-刀具-工件"摩擦系数取值的盲目性。基于该摩擦关系,建立钛合金高速切削有限元模型(FEM)。仿真切削力与试验值相比误差小于4.9%:锯齿间距、锯齿高度,及其剪切角与试验值误差均小于5.2%,钛合金高速切削有限元模型得到了有效性验证。     

有限元仿真在金属切削加工中的应用

有限元仿真是研究金属切削过程和切屑形成过程的有效方法.以铝合金7050为例,详细描述两种金属切削加工的有限元模型:正交切削模型和斜角切削模型,以及有限元模型建立过程中的一些关键技术如:刀屑界面间的摩擦,工件的材料本构模型和切屑分离标准.利用这两种有限元模型可以分别得到加工表面的残余应力分布趋势和切屑的几何形状,也可以预测低刚度结构件的让刀误差.分析表明:有限元仿真可以进行切削参数优化和刀具几何形状的优化,以改善加工表面的质量.     

铝合金铣削加工三维有限元模拟研究

随着计算机技术以及有限元技术的发展,有限元模拟已经成为切削加工研究的一种常用方法。采用大型通用有限元软件ABAQUS,针对7075-T7451航空铝合金,开展了铣削加工过程的三维有限元模拟研究。通过几何模型、材料模型等的建立以及边界条件、分离准则和摩擦条件的确定,模拟出了整个铣削加工变形过程,实现了切屑形态、应力和应变分布、温度分布以及切削力的有效预测。定量分析了质量放大和网格划分对切削力模拟结果的影响。研究结果有助于促进有限元模拟在切削过程中的应用,为进一步的铣削工艺参数优化奠定了基础。     

直角切削过程中应变的有限元分析

基于材料模型,断裂准则,刀具与工件以及切屑的接触关系等建立了分析直角切削过程中应变的有限元模型。根据有限元分析结果分析了正常切削过程中3个变形区和两侧方向应变以及应变造成的主要影响,两侧方向应变形成了两侧方向毛刺;第一变形区和第三变形区的应变使工件表面产生了变质层;第一变形区和第二变形区形成切屑并影响切屑的应变分布。