基于ansys的切削加工受力分析.docx
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基于ansys的切削加工受力分析
1绪论
金属切削是机械制造行业中的一类重要的加工手段。
美国和日本每年花费在切削加工方面的费用分别高达1000亿美元和10000亿日元。
中国目前拥有各类金属切削机床超过300万台,各类高速钢刀具年产量达3.9亿件,每年用于制造刀具的硬质合金超过5000吨。
可见切削加工仍然是目前国际上加工制造精密金属零件的主要办法。
19世纪中期,人们开始对金属切削过程的研究,到现在已经有一百多年历史。
由于金属切削本身具有非常复杂的机理,对其研究一直是国内外研究的重点和难点。
过去通常采用实验法,它具有跟踪观测困难、观测设备昂贵、实验周期长、人力消耗大、综合成本高等不利因素。
本文利用材料变形的弹塑性理论,建立工件材料的模型,借助大型商业有限元软件ANSYS,通过输入材料性能参数、建立有限元模型、施加约束及载荷、计算,对正交金属切削的受力情况进行了分析。
以前角10°、后角8°的YT类硬质合金刀具切削45号钢为实例进行计算。
切削厚度为2mm时形成带状切屑。
提取不同阶段应力场分布云图,分析了切削区应力的变化过程。
这种方法比传统实验法快捷、有效,为金属切削过程的研究开辟了一条新的道路。
2设计要求
根据有限元分析理论，根据ANSYS的求解步骤，建立切削加工的三维模型。
对该模型进行网格划分并施加约束边界条件，最后进行求解得出应力分布云图，并以此云图分析得出结论。
3金属切削简介3
金属切削过程，从实质讲，就是产生切屑和形成已加工表面的过程。
产生切屑和形成已加王表面是金属切削时密切相关的两个方面。
3.1切削方式
切削时，当工件材料一定，所产生切屑的形态和形成已加工表面的特性，在很大程度上决定于切削方式。
切削方式是由刀具切削刃和工件间的运动所决定，可分为：
直角切削、斜角切削和普通切削三种方式。
3.2切屑的基本形态
金属切削时，由于工件材料、刀具几何形状和切削用量不同，会出现各种不同形态的切屑。
但从变形观点出发，可归纳为四种基本形态。
1．带状切屑切屑呈连续状、与前刀面接触的底层光滑、背面呈毛葺状
2．挤裂状切屑切屑背面呈锯齿形、内表面有时有裂纹。
3．单元状切屑切削塑性很大的材料，如铅、退火铝、纯铜时，切屑容易在前刀面上形成粘结不易流出，产生很大变形，使材料达到断裂极限，形成很大的变形单元，而成为此类切屑。
4．崩碎状切屑切削脆性材料，如铸铁、黄铜等时，形成片状或粒状切屑。
切削时，在产生带状切屑的过程中，切削力变化较小，切削过程稳定，已加工表面质量好。
但切屑成为很长的带状，影响机床正常工作和工人安全，因而要采取断屑措施；在产生挤裂状和单元状切屑的过程中，切削力有较大的波动，尤其是单元状切屑，在其形成过程中可能产生振动影响加工质量；在切削铸铁时，由于所形成的崩碎状切屑是经石墨边界处崩裂的，因而已加工表面的粗糙度值变大。
3.3积屑瘤
在用低、中速连续切削一般钢材或其他塑性材料时,切屑同刀具前面之间存在着摩擦,如果切屑上紧靠刀具前面的薄层在较高压强和温度的作用下，同切屑基体分离而粘结在刀具前面上,再经层层重叠粘结,在刀尖附近往往会堆积成一块经过剧烈变形的楔状切屑材料，叫做积屑瘤。
积屑瘤的硬度较基体材料高一倍以上，实际上可代替刀刃切削。
积屑瘤的底部较稳定，顶部同工件和切屑没有明显的分界线,容易破碎和脱落,一部分随切屑带走，一部分残留在加工表面上，从而使工件变得粗糙。
所以在精加工时一定要设法避免或抑制积屑瘤的形成。
积屑瘤的产生、成长和脱落是一个周期性的动态过程（据测定，它的脱落频率为30〜170次／秒），它使刀具的实际前角和切削深度也随之发生变化，引起切削力波动，影响加工稳定性。
在一般情况下，当切削速度很低或很高时，因没有产生积屑瘤的必要条件（较大的切屑与刀具前面间的摩擦力和一定的温度），不产生积屑瘤。
3.4切削力
切削时刀具的前面和后面上都承受法向力和摩擦力，这些力组成合力F,在
外圆车削时，一般将这个切削合力F分解成三个互相垂直的分力：
切向力Ft——它在切削速度方向上垂直于刀具基面，常称主切削力；径向力Fr在平行于
基面的平面内,与进给方向垂直,又称推力；轴向力F—在平行于基面的平面内,与进给方向平行,又称进给力。
切削过程中实际切削力的大小，可以利用测力仪测出。
测力仪的种类很多，较常用的是电阻丝式和压电晶体式测力仪。
测力仪经过标定以后就可测出切削过程中各个分力的大小。
3.5切削热
切削金属时，由于切屑剪切变形所作的功和刀具前面、后面摩擦所作的功都转变为热，这种热叫切削热。
使用切削液时，刀具、工件和切屑上的切削热主要由切削液带走；不用切削液时，切削热主要由切屑、工件和刀具带走或传出，其中切屑带走的热量最大，传向刀具的热量虽小，但前面和后面上的温度却影响着切削过程和刀具的磨损情况，所以了解切削温度的变化规律是十分必要的。
3.6切削温度
切削过程中切削区各处的温度是不同的，形成一个温度场切屑和工件的温度分布，这个温度场影响切屑变形、积屑瘤的大小、加工表面质量、加工精度和刀具的磨损等，还影响切削速度的提高。
一般说来，切削区的金属经过剪切变形以后成为切屑,随之又进一步与刀具前面发生剧烈摩擦,所以温度场中温度分布的最高点不是在正压力最大的刃口处，而是在前面上距刃口一段距离的地方。
切削区的温度分布情况，须用人工热电偶法或红外测温法等测出。
用自然热电偶法测出的温度仅是切削区的平均温度。
3.7刀具磨损
具在切削时的磨损是切削热和机械摩擦所产生的物理作用和化学作用的综合结果。
刀具磨损表现为在刀具后面上出现的磨损带、缺口和崩刃等，前面上常出现的月牙洼状的磨损，副后面上有时出现的氧化坑和沟纹状磨损等。
当这些磨损扩展到一定程度以后就引起刀具失效，不能继续使用。
刀具逐渐磨损的因素，通常有磨料磨损、粘着磨损、扩散磨损、氧化磨损、热裂磨损和塑性变形等。
在不同的切削条件下，尤其是在不同切削速度的条件下，刀具受上述一种或几种磨损机理的作用。
例如，在较低切削速度下，刀具一般都因磨料磨损或粘着磨损而破损；在较高速度下，容易产生扩散磨损、氧化磨损和塑性变形。
3.8刀具寿命
刀具由开始切削达到刀具寿命判据以前所经过的切削时间叫做刀具寿命（曾称刀具耐用度），刀具寿命判据一般采用刀具磨损量的某个预定值，也可以把某一现象的出现作为判据，如振动激化、加工表面粗糙度恶化，断屑不良和崩刃等。
达到刀具寿命后，应将刀具重磨、转位或废弃。
刀具在废弃前的各次刀具寿命之和称为刀具总寿命。
生产中常根据加工条件按最低生产成本或最高生产率的原则，来确定刀具寿命和拟定工时定额。
3.9加工表面质量
通常包括表面粗糙度加工硬化残余应力、表面裂纹和金相显微组织变化等。
切削加工中影响加工表面质量的因素很多，例如刀具的刀尖圆弧半径进给量和积屑瘤等是影响表面粗糙度的主要因素;刀具的刃口钝圆半径和磨损及切削条件是影响加工硬化和残余应力的主要因素。
因此，生产中常通过改变刀具的几何形状和选择合理的切削条件来提高加工表面质量。
3.10切削振动
切削过程中，刀具与工件之间经常会产生自由振动、强迫振动或自激振动（颤振）等类型的机械振动。
自由振动是由机床零部件受到某些突然冲击所引起，它会逐渐衰减。
强迫振动是由机床内部或外部持续的交变干扰力（如不平衡的机床运动件、断续切削等）所引起，它对切削产生的影响取决于干扰力的大小及其频率。
自激振动是由于刀具与工件之间受到突然干扰力（如切削中遇到硬点）而引起初始振动，使刀具前角、后角和切削速度等发生变化，以及产生振型耦合等，并从稳态作用的能源中获得周期性作用的能源，促进并维持振动。
通常，根据切削条件可能产生各种原生型自激振动，从而在加工表面上留下的振纹，又会产生更为常见的再生型自激振动。
上述各种振动通常都会影响加刀表面质量，降低机床和刀具的寿命，降低生产率，并引起噪声，极为有害，必须设法消除或减轻。
3.11切屑控制
指控制切屑的形状和长短。
通过控制切屑的卷曲半径和排出方向，使切屑碰撞到工件或刀具上，而使切屑的卷曲半径被迫加大，促使切屑中的应力也逐渐增加,直至折断切屑的卷曲半径可以通过改变切屑的厚度、在刀具前面上磨制卷屑槽或断屑台来控制，其排出方向则主要靠选择合理的主偏角和刃倾角来控制。
现代人们已能用两位或三位数字编码的方式来表示各种切屑的形状，通常认为短弧形切屑是合理的断屑形状。
3.12生产应用
在设计和使用机床和刀具时，需要应用切削原理中有关切削力、切削温度和刀具切削性能方面的数据。
例如，在确定机床主轴的最大扭矩和刚性等基本参数时,要应用切削力的数据;在发展高切削性能的新材料时，需掌握刀具磨损和破损的规律;在切削加工中分析热变形对加工精度的影响时,要研究切削温度及其分布；在自动生产线和数字控制机床上，为了使机床能正常地稳定工作，甚至实现无人化操作,更要应用有关切屑形成及其控制方面的研究成果,并在加工中实现刀具磨损的自动补偿和刀具破损的自动报警。
为此，各国研制了品种繁多的在线检测刀具磨损和破损的传感器，其中大多数是利用切削力或扭矩、切削温度、刀具磨损作为传感信号。
此外，为了充分利用机床，提高加工经济性和发展计算机辅助制造（CAM）,常需要应用切削条件、刀具几何形状和刀具寿命等的优化数据。
因此，金属切削原理这门学科在生产中的应用日益广泛，各国都通过切削试验或现场采集积累了大量的切削数据，并用数学模型来表述刀具寿命、切削力、功率和加工表面粗糙度等同切削条件之间的关系，然后存入计算机,建立金属切削数据库或编制成切削数据手册,供用户查用。
4硬质合金介绍[5]
硬质合金是粉末冶金制品，是将高硬度、高熔点的难融金属碳化物粉末硬质合金的组成与特点如下：
硬质合金中的碳化物（WC,TiC.TaC等）的硬度高、熔点高。
碳化物所占的比例越大，硬度越高；碳化物的粒度越小，则碳化物颗粒总体积越大，而沾结层的厚度减小，即相当于粘结层金属相对减少，是其硬度提高，抗弯刚度降低：
因此，硬质合金的硬度、耐磨性和耐热性都高于高速钢。
由于硬质合金具有高的热硬性（可达1000左右，允许的切削速度为高速钢的数倍，故目前已成为主要的刀具材料之一。
但硬质合金抗弯刚度较低，脆性大，承受冲击能力较差，制造工艺性较差，刃口不如高速钢锋利。
目前国内外已研制出许多新型硬质合金，提高了综合性能。
目前常用于切削加工的硬质合金都是以WC（碳
化钨）为基础，主要有三类：
1）钨钻类硬质合金（WC-Co），代号为YG。
YG类硬质合金的硬质相材料是WC粘接剂为Co。
2）钨钛钴类硬质合金（WC-TiC-Co），代号YT。
YT类硬质合金的硬质相材料是WC和TiC，粘结剂为Co。
3）钨钛钽钻类硬质合金[WC-TiC-TaC-Co]，代号为YW。
YW类硬质合金也叫通用硬质合金，是一种用途广泛的硬质合金，已部分代替YT和YG类硬
质合金。
各类牌号中，含钻量越多，韧性越好，适用于粗加工；含碳化物量越多，热硬性越高韧性越差，适用于精加工。
5有限元分析软件ANSYS简介及本课题研究的内容和意义
5.1ANSYS简介[10]
ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。
由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSY开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer,NASTRAN,Alogor,I－DEAS,AutoCAD等。
是现代产品设计中的高级CAE工具之一。
ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。
因此它可应用于以下工业领域：
航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。
ANSYS软件提供的分析类型有结构静力分析、结构动力学分析、结构非线性分析、动力学分析、热分析、电磁场分析、流体动力学分析、声场分析、压电分析等9类，软件主要包括三个部分：
前处理模块，分析计算模块和后处理模块。
前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型。
ANSYS的前处理模块主要有两部分内容：
实体建模和网格划分；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。
应用ANSYS提供的立体问题单元对力学问题进行模拟分析是我们的课题中将采用的主要方法。
对于有限单元法的解法而言，从求解问题的性质上可以归结为三类，即独立于时间的平衡问题（或稳态问题）、特征值问题、依赖于时间的瞬态问题。
这三类问题，从方程自身性质考虑，还存在对应的非线性情形，非线性可以是由材料性质，变形状态和边界接触条件引起的，分别成为材料、几何、边界非线性。
求解非线性有限元问题的算法研究主要有以下几种：
（1）采用Newton-Raphson方法或修正Newton-Raphson方法等将非线性方程转化为一系列线性方程进行迭代求解，并结合加速方法提高迭代收敛的速度。
（2）采用预测-校正法或广义中心法等对材料非线性本构方程进行积分，决定加载过程中材料的应力应变的演化过程。
（3）采用广义弧长法等时间步长控制方法和临界点搜索、识别方法，对非线性载荷-位移的全路径进行追踪。
（4）采用拉格朗日（Lagrang®乘子法、罚函数法或直接引入法，将接触面条件引入泛函，求解接触和碰撞问题。
最后应指出，由于有限元法解题的规模越来越大，为了缩短解题的周期，基于并行计算机和并行计算软件系统的有限元并行算法，近年来得到很大发展。
作为优化产品研发流程的仿真技术及软件的开发者和革新者，ANSYS公司2005年6月2日发布ANSYS10.0新版本。
我们的对切削加工的受力问题的研究将在ANSYS10.0平台下开展。
5.2本课题研究的内容和意义
本课题的总体思路是通过大型有限元分析软件ANSYS来模拟金属切削过程并分析该过程中刀具的应力，应变场变化，进而得出刀具受力的边界条件，以此为基础对刀具的应力场进行有限元分析，并对刀具的几何参数进行虚拟化设计。
在熟练掌握金属切削原理，有限元法基本理论，弹塑性变性理论及所能熟练操作ANSYS软件的前提下应用ANSYS的前处理建立金属切削的有限元模型对切削过程进行分析应用ANSYS后处理提取计算结果，对切削过程的应力场变化进行分析研究。
在有限元分析技术日趋成熟的今天，本课题研究的意义在于将这项较为成熟的技术引入到切削加工的研究与开发上来，为切削加工研究提供一种更为简洁有效且可靠精确的方法。
与传统研究相比较有限元分析技术更为经济，高效，完善，精确，而且研究的广度和深度都有所发展。
6切削加工受力分析的ANSYS求解过程
[1】
6.1定义单元类型
本文在ANSYS中工件选择45号钢，查材料手册得相关数据：
弹性模量E=200GPa泊松比卩=0.28刀具选用YT类硬质合金，查材料手册得相关数据：
刀具的弹性模量为600GPa,泊松比为0.3。
刀具采用前角10°后角8°切削厚度为2mm进行切削。
工件选用solid185单元，刀具选用solid45单元。
GUI:
MainMenu-*Preprocessor^ElementType-Add/Edit/Delete
弹出定义单元对话框选择solid185单元，然后单击Add选择solid45
/VhlSYS
MA京ZOZD09
1553@5Z□
FIAAfTi严右
She*
FidMi
图1定义工件模型为1号solid185
图2定义刀具模型为2号solid45
6.2定义材料属性数据
根据查表所得的工件和刀具的材料属性数据来定义。
对一号材料模型输入弹
性模量，泊松比分别为2.06e11和0.28,对二号材料模型分别输入弹性模量和泊松比为6e11和0.3,再对二号模型输入摩擦系数0.2.
GUI:
MainMenu―kPreprocessor―MaterialModels弹出定义材料属性对话框
NODES
ANSYS
MAY202009
15:
30:
20
hutevialMmMMharviai
AddTemperatureDe4e>teTemperattre
图3定义工件的弹性模量和泊松比
NODE3
MAN20200915:
38:
20
图4定义刀具的弹性模量和泊松比
图5定义摩擦系数
6.3创建模型
631创建关键点
将所要画的切削模型的平面图关键点的坐标求出，然后逐个输入到ANSYS中
GUI:
MainMenuPreprocessorModelingCreate~KeypointsIn
Activecs
NODES
MAY232009
03:
17:
26
图6定义第一个关键点
11
AhlSYS
POINTS
MAYZO2009
TYPEHUM
3
1^5:
47145
78
5
11
4
3
¥
I
L_-
2
图7已定义的所有的关键点
632通过关键点创建线段
GUI:
MainMenu—PreprocessorModeling—Create—Lines—►StraightLines
弹出关键点拾取菜单，逐个拾取关键点连成线段。
图8关键点拾取菜单
b-7
图9拾取关键点生成成的直线
633由直线生成面
通过连成的直线生成平面
GUI:
MainMenu•Preprocessor_Modeling—Create—reas—rbitrary
ByLines
图10拾取直线生成的平面
634由平面拉伸成体
GUI:
MainMenu_kPreprocessor^Modeling_Operate
―kExtrude―kAreas―kAlongNormal
弹出沿法向拉伸的对话框，输入拉伸距离为8,选择面生成立体模型
ANSYS
AREAS
TYPENUM
MAY232009
Qli24：
33
QExtrudeAreaalan^Nanai
血SI]1ktndftArea也啣lontl
Kmtoleextruded
图11法向拉伸对话框
图12拾取面生成的体
VOLtJMES
TYPENLCM
6.4划分网格641将定义的单元类型和材料模型赋予工件
GUI:
MainMenu―Preprocessor^Meshin―MeshAttributes—*
PickedVolumes
在弹出的对话框中将1号solid185单元赋予1号工件材料模型，将2号solid45单元赋予2号车刀模型。
ANSYS
图13将定义的材料模型1和单元类型1赋予工件
MAY211Z0I19
ELEMENTS
MAY2D2I0D9
15:
:
53:
24
图14将定义的材料模型2和单元类型2赋予刀具
642用智能划分进行网格尺寸控制
GUI:
MainMenu—►Preprocessor^Meshing一kSizeCntris—martSize—►Basic
VOLUMES
TYPENUM
ANSYS
MR¥202D0915:
51:
49
图15智能尺寸划分
643网格划分
GUI:
MainMenu—reprocessor_Meshing—esh—olumes—free
图16网格划分的结果
6.5创建摩擦接触对
在刀具切削工件的过程中，主要的摩擦发生在切屑底层与前刀面的摩擦和后刀面与已加工表面的摩擦。
所以在模型中创建两对接触对。
6.5.1生成组元
GUI:
UtilityMenu—elect—ntities
弹出的选择对象对话框。
选择对象为所有的面，从所有面中拾取刀具的后刀面，再拾取其上所有节点生成组元SNA1。
—1・|
八SelectEntitle*
ANSYS
MAY202009
16:
00z39
图17选择对象为所有的面
图18选择后刀面
图19选择面上所有节点
GUI:
UtilityMenu—Select—Comp/Assembl►CreateComponet
弹出的对话框中定义组元SNA1.
图20生成组元SNA1
按照上述方法依次定义已加工表面，前刀面，切削底层的组元分别为为
SNA2,PULL1,PULL2。
6.5.2定义摩擦接触对
GUI:
MainMenu_Preprocessor_Modeling_Create_kContactPairs
弹出的“接触管理”对话框，选择新建接触对
图21生接接触面对话框
在上图对话框中选择SNA1，然后点NEXT，再选SNA2，然后点NEXT.弹
出下面的属性设置对话框
ACofktxtPETtT
图22属性设置对话框
单击OK，再单击Creat即可建立3号摩擦接触对。
按照上述方法，可再建
立4号摩擦接触对
6.6求解准备和施加约束边界条件661设置分析类型
设置分析类型为静态分析
ELEMENTS
GUI:
MainMenu—Solution—AnalysisType—►NewAnalysis—*Static
MAY202009
15:
5^:
22
图23选择分析类型为暂态
6.6.2求解控制设置
GUI:
MainMenu—Solution~►AnalysisType_SolControls
弹出下图所示对话框，进行参数设置。
将整个求解过程分为5个载荷步，设置为小位移约束，并且显示所有载荷步的求解结果
663施加约束边界条件
对刀具的顶面施加丫方向的位移约束，约束作用距离为零。
对刀具的侧面施加位移为-1的约束。
对工件底部施加全约束，工件右侧面施加X方向的约束,约束作用距离为零。
GUI:
Utility—*Select—*Entities
卜：
Ij卜：
M卜：
:
图25拾取刀具顶面作为约束施加平面
GUI:
MainMenu—►Solution—►DefineLoads—►Apply—►Structu
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