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1、华中科技大学硕士学位论文金属本构数值建模和切削仿真加工参数优化姓名：万修龙申请学位级别：硕士专业：机械工程指导教师：闫蓉2011-05-25 华中科技大学硕士学位论文 I 摘 要 随着计算机技术迅速发展，有限元技术在金属 切削领域得到广泛应用，有限元切削仿真软件也应运而生。现有的商用有限元 切削仿真软件中提供的材料库、材料失效准则可以针对一些常用的材料进行准确的 仿真计算，然而却无法应用于新的加工材料和加工工艺的切削仿真，带来了有限元 仿真软件工程应用的局限性，本文深入研究金属切削的材料变形机理，构造材料本 构模型，研究切削仿真有限元二次开发技术，并提出了采用金属切削仿真技术进行 加工参数优化
2、的一整套行之有效的方案。 基于有限元和材料弹塑性力学、断裂力学等理论，使用 Fortran 语言开发了有限元软件 ABAQUS 材料 Vumat 子程序， 在金属切削仿真计算中准确地重构了常用的材料 Johnson-Cook 本构模型和 Johnson-Cook 失效准则，通过与 ABAQUS 本身自带的Johnson-Cook 本构模型在材料拉伸模拟中的对比，验证了子程序在表征材料Johnson-Cook 本构模型的准确性。 分别采用 ABAUQS 和 AdvantEdge FEM 有限元软件，分别对铝合金 Al6061 加工进行了二维正交切削仿真模拟，其中 ABAQUS 仿真中使用了二次开
3、发的 Vumat子程序。设计仿真对比方案，计算得到切削力、切削温度和 Mises 应力以及切屑形态，采用两种软件的仿真结果的对比验证了二次开发的 Vumat 子程序在切削仿真中应用的可行性。 对上汽通用五菱发动机工厂发动机曲轴孔精镗加工进行了切削仿真与试验， 通过设置不同的加工参数进行仿真对比，选择最优 的加工参数。发动机工厂采用优化后的加工参数进行试验，试验结果表明采用优化 后的工艺参数，刀具磨损减小，加工中出现毛刺、崩边等问题次数减少，加工效率提高 7%。 关键词 ： 切削仿真 有限元 本构方程 加工参数 华中科技大学硕士学位论文 II Abstract Due to rapid deve
4、lopments of technology of computer, finite-element analysis has been utilized widely in domain of metal-cutting. Related software which was designed based on the simulation of metal-cutting has emerged in decades. Current commercial software is able to simulate common materials precisely resulting i
5、n the mature study on these material models. However many limitations of finite-element analysis software have been realized in the actual engineering issues resulting in lacking of the specific material models, especially some characteristics of new materials can be hardly obtained in these commerc
6、ial software. This thesis represents further researches on the mechanism of the metal chip deformation, structure the material constitutive model and secondary development technology of finite-element simulation in cutting process. Series valid strategies of optimizing the cutting parameters are pro
7、posed. A subprogram of ABAQUS, which is also called Vumat, has been developed by FORTRAN based on the finite-element theory, plastoelasticity and fracture mechanics in the research. Johnson-Cook constitutive model and failure criterion is reconstructed in the subprogram while its validation is verif
8、ied by comparing simulation of material extending to ABAQUS. ABAQUS and AdvantEdge are utilized separately in the simulation of two-dimension orthogonal cutting in aluminum alloy 6061 machining. Particularly the simulations processed in ABAQUS use Vumat subprogram as a mainly method, furthermore a s
9、imulation comparison scheme is designed in the paper, which verifies the precision of the Vumat through the comparison between parameters such as calculating cutting force, temperature of cutting, stress and chip shape in these two software. By operating finite-element simulations to finish boring i
10、n crankshaft hole of engines authorized by SGMW and optimizing the machining parameters through simulation comparisons, the experiment shows an impressive outcome including tool wear decrease, reductions of burr issues as well as efficiency increase. Keywords:Cutting simulation FEM Constitutive equa
11、tion Processing parameters 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，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： 日期： 年 月 日 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，即：学校有权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。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容
12、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。 本论文属于 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密。 华中科技大学硕士学位论文 11 绪 论 1.1 课题来源 本研究主要受到以下项目支持：教育部新世纪 优秀人才支持计划“光学自由曲面超精密铣削加工机理、轨迹规划与运动控制” ；企业横向课题“发动机数字建模及切削加工仿真优化” ，企业横向课题“电气增速机切削加工工艺优化” 。 1.2 研究背景及意义 迄今为止国内外学者对金属切削机理进行了大 量深入的研究，通过经验
13、或解析的方法建立了一系列切削的模型，但是通过这 些模型得到的切削力、温度等数据具有很大的误差，也不能准确的模拟切屑的形态 以及切削力、温度、应力应变等物理场的分布，有些模型还需要做大量的实验来提 供修正参数，对加工工艺参数的选择目前也主要还是停留在通过经验或者进行大量 的试切进行的，成本比较高，周期也比较长，效率低下。如何快速准确的模拟切削 加工得到切削力、切削温度、刀具磨损等数据和如何选择合理的加工工艺参数仍是需要深入研究的问题。 随着计算机技术的发展，有限元方法被大量的 应用于金属切削仿真当中，有限元金属切削仿真是通过数值分析的方法来模拟 切削加工过程，使用有限元方法建立刀具和工件的模型，
14、在切削仿真软件中对该模 型进行自适应有限元网格化分，根据刀具、工件的材料属性，分析刀具切屑界面接 触摩擦行为准则、切削过程中工件材料屈服流动准则等，将工件材料属性表示成温度、应变和应变率的函数，建立刀具、工件在切削过程中的本构模型，施加准确的边 界条件后对切削过程进行物理仿真，得到准确的切屑形态、切削力、切削热、工件 应力应变等物理参数，为切削参数优化、刀具角度选择以及加工表面质量评估等提 供重要的理论指导，尤其是在难加工材料和特种刀具加工领域中，有限元切削仿真 相对于传统经验和解析模型在研究切削力、切削热以及应力应变场的分布具有很大 的优势，深入研究和应用切削加工仿真对于改善刀具设计和选择最
15、佳工艺参数以改善切削加工状况方面具有重要的意义。 华中科技大学硕士学位论文 21.3 国内外研究现状 金属切削加工过程中切削力、切削温度和刀具 磨损等是影响刀具寿命和工件表面加工质量的主要因素，几十年来，国内外学 者针对不同的材料和加工工艺进行了仿真和实验研究，特别是在使用有限元方法来 预测切削过程中切削热、切削力和刀具磨损方面做了大量的工作。 1.3.1 切削力和切削热仿真预测 Taylan Altan1等使用有限元方法模拟未带涂层的硬质合金端铣刀加工 P-20工具钢切削过程，获得切屑流动、切削力、切削温度等参数，在 DEFORM软件中使用已有的在高应变率和温度下获得的材料流动应力数据和刀屑
16、摩擦参数，建立平面轴对称应变工件来模拟第一变形区和第二变形区的切屑状态，并对端铣刀进行了干式切削实验，将仿真结果和实验做对比发现仿真数据比较合理。 M.Pradeep Kumar等2对 1045钢进行正交切削有限元仿真，仿真软件中使用粘弹塑性模型，库伦摩擦准则，并与实验做对比，剪切应力误差在 2%以内，剪切应变误差在 3.7%以内。 Tugrul等3在 abaqus软件中使用 JC材料本构模型，切屑分离方法选择 ALE方式，对 1045钢进行模拟仿真，获得了切削应力、温度等数据。 Rui Li等4使用 AdvantEdge对工业纯钛加工进行切削仿真，获得切削力和切屑厚度等参数，并与实验结果做对比，取得了比较理想的效果，并根据仿真数据得到了钛加工时合理的切削速度、切削深度和刀具半径。 Halil等5分别使用 MSC.Marc, De
