调查工具几何在超精密切削有限元模拟方法(翻译文本)

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1、 本科毕业设计外文翻译 译文题目：调查超精密切削刀具几何： 有限元模拟方法学 院 机械自动化学院 专 业 机械工程及自动化 学 号 200803130198 学生姓名 刘国静 指导教师 余震 二零一二年三月 调查超精密切削刀具几何： 有限元模拟方法 摘要：根据拉格朗日公式，及材料模型和个判异准则的拉萨姆科克罗夫特超精密，有限模型切割方法。在这项研究中，考虑工具边缘半径切割，有限元模型模拟芯片的变形，切削力和讲求效益分配的相互影响，刀具刃口半径，前角和后角对切削过程的影响。影响刀具几何参数对切削过程的分析。结果表明，芯片可以建立横向流动和长度的接触，切屑-刀具随耙耙角和角减小；清角机适合大，切削

2、力和有效应力切割表面相应减少，刀具半径对挤压和摩擦的切割面相关工具的锐利程度，刀具刃口半径大，切削力和切削表面讲求效益和效果相应增加。最大讲求效益分布在切削刃上。最大讲求效益的分布区可引起刀具磨损的加大。本刀具几何参数应根据分析选择合理的位置。 指数条件的有限元，前角，后角，刀刃半径 一、导言 超精密切削是一个复杂的技术过程与弹性力学，塑力学，断裂力学，热力学，摩擦学等的应用过程 1。影响切削表面质量的的因素是工具几何，芯片流出，温度分布，热流量和切削刀具的磨损等。超精密切削的力学调查过程包括理论分析试验验证 2。切削力，温度和完整性切割面是可以通过测试得到。但切割深度很小，所以很难进行超精密

3、切割测试。与发展先进的科学和技术，应用有限元法加工已得到重视，因为1970s（儿童等。，2000）虽然大量的研究工作在以下几十年的已发展，改善功能的方法主要用于常规机械加工。目前，该相关的研究在这一有限元方法应用领域的包括切割温度，切削力，应力，应变和残余应力3。笹原和obikawa等模拟切割的影响过程忽略温度和应变率，并讨论了影响切割序列残余应力和应变 7；张连昌和黄杂志等用有限元方法研究了在模拟金属正交切削的条件下的分离标准 8 , 9；10林区清研究了合金在不同的切削速度和切削深度条件下的残余应力。用模拟有限元的方法分析切削过程，我们不但可以获得切削力，温度，而且还芯片形成，芯片变形温度

4、分布。因此，有限元法是有利的研究机械切削加工。 有限元切削过程是参与选择有限元配方；测定分离标准，刀-屑表面的接触处理；动态网格自适应和网络计算等技术网。三维有限元粗加工的效应可以忽略工具边缘的半径。但是，刀具刃口半径在芯片变形和加工表面完整性对超精密切削有很大影响。本文在拉格朗日的提法的基础上建立了三维有限元超精密切削的模型，赛马材料模型和库仑摩擦模型。刀具刃口半径正在考虑，该模型已被用来研究刀具几何参数对切削变形，切削力和有效应力的影响分布。结果在学习超精密切削过程有意义。 二 三维有限元的计算大纲A 初始网格和边界条件 有限元分析模型的建立是结合工件形状，材料特性，内部特点和周边环境的过

5、程。为建立有限元三维切割模型的条件如下：（1）芯片是连续形成的并且切削过程中是不存在屑的；（2）研究的工件材料是各向同性的，连续的固体介质和各向同性硬化弹塑性；该材料符合冯米塞斯的标准变换；包申格效应可忽略在装载和卸载；（3）它是假设，切割时期，切削温度不能引起工件材料发生金属结构，退火和其他化学变化。根据这一假设，平面应变有限元法切削模型提出图1。 图1初始雷姆模拟切割 在是指定的切割速度和是切割边缘。纵向和横向在底部的工件的自由节点设置为零，和在一面工件的节点对做同样的水平位移。工件由四节点等参四边形平面应变耦合元件。四节点传热平面四边形单元组成的工具。和工具是假定为刚性和传热分析了它。此

6、外，该工具保持水平速度沿预定切割路径和无位移轴方向Z。B .约翰逊厨师材料模型 材料特性是切割工艺的模拟。该模型的材料必须代表材料物理性能在加工中的实际变化二。在超精密切削中，虽然切割深度是非常小的，在切削过程中产生大量的热，热量集中在工件和刀具上的小区域中，并影响身体和适当的化学物质。同时，因为切割深度和接触面积很小，在切割过程两个芯片与剪切面具有较高的塑性应变和应变率。在目前的工作中，铝合金之所以为工件材料，是因为它的敏感的应变、应变率和温度。因此，这个想法在奥克斯利的切应力计算模型中被介绍，即流动应力应变、应变率和温度是它的一个功能，和这个函数在约翰逊厨师的本构方程可以表示的形式为 12

7、。在材料模型反映了一个特定类型的冯米塞斯的可塑性，如代表由以下（1）： 在是塑性应变率，是塑性应变率（s-1），是是参考塑性应变率（s-1），T是工件材料的温度（),Tm是工件材料的融化温度（），和troom是室温()。A是屈服强度系数(MPa)，B是硬化模量（MPa)和C是应变敏感性系数 ，n是硬化系数和m是热软化系数。C. 有限元模型和摩擦模型 拉格朗日，欧拉和ALE13（任意拉格朗日欧拉公式）是适用于有限元。拉格朗日网配方是由物质元素组成，所有网格准确地描述的gemeotry工件，和变化工件变形，因此拉格朗日可以用来分析了固体材料。欧拉是更适合体积控制的变形液体流体介质。形状芯片是在切割

8、过程不是固定，所以欧拉公式不是用来模拟剪切的。原来是用ALE配方模拟流体力学问题。在目前的时间，几乎所有的有限元法采用拉格朗日公式。因为切屑形成过程是一个大变形问题，本 文还用拉格朗日公式14 , 15为如下列（2）： 其中d是节点速度；是应变比；是弹塑性矩阵；几何刚度矩阵；是方差比的交点力，方差比合力的计算表面；【N】是矩阵；是矩阵的初始应力。 前刀面与芯片之间的区域定义的秒变形区。在切割过中严重的摩擦会产生能量。研究表明，前刀面应力分布不均匀。因为在不同于传统摩擦条件下建立实验，摩擦系数很难获得。在有限元仿真，摩擦系数获得使用库仑模型。所有进行切割模拟这项研究中，摩擦系数是0.3。 D.

9、个判异准则分离模拟 塑料流动可以发生在刀-屑的接触，所以随着变形的发展，工件的初始网格可以产生严重的变形。网格变形可以减少求解精度，甚至导致负雅可比矩阵的不成功分析；同时，变形能因为工件之间和工具渗透，结果是不符合实际。因此remesh在有限元中是很重要的，标准的网格是元素变形和穿透刀-屑接触。在模拟过程，网格是再生和状态变量是从旧元素转化到新要素的。 加工过程中，芯片是不断从工件中分离的，一个判异准则的适当分离可客观反映工件的机械和物理性能，和适当的结果可得出。目前，有许多分离标准可用于有限元，这些标准可以分为2类，几何个异准则和物理个判异准则。几何个判异准则识是别芯片单独从工件或不变化的物

10、理尺寸中分离。身体个判异准则是根据一些物理量值产量突破或不建立。在这项工作中，芯片的形成发生通过使用经常啮合芯片分离准则。在这种切割模型，是拉萨姆科克罗夫特个判异准则是适应如下列（3） 在 是总应变拉伸破坏； 是等效应力； 是相当有效 ； 最大拉应力； 是数据的关键失败。当节点拉应力超过10%倍较大的压缩应力，芯片脱离工件。 三、结果与讨论 一个对三维有限元模型加工过程的分析是用来捕捉大自然的实际切削过程。三维有限元模型可以克服基础问题。它具有复杂的几何形状的切削工具、工件和它们的配置模型。有限元模拟参数显示在表1。为探讨刀具几何参数对切削加工的影响，我们进行了有限元模拟在模型与各种刀具刃口半

11、径，后角和前角。A：影响的前角的加工 图2和图3显示照片，讲求效益分布及有限元的加工过程进行了各种耙角的负荷预测。图2，一比较讲求效益的分布在工件的切割制度中提出。 如预期，最大讲求效益的分布式芯片cotacted前刀面。最大讲求效益一直感到轻度强化值（最大讲求效益从137.46MPa在10至138.34MPa在0），和芯片建立横向流动与耙角减少。在同一时间切屑-刀具接触长度随耙角的增大而减少。这种现象剪切和挤压作用造成的影响。众所周知，在切割过程中，切屑-刀具的挤压作用和芯片耙面的剪切应力可以随倾角的增加而减少，所以变形面增加cotacted耙。 图2照片，讲求效益的分布在不同的倾斜角：清角

12、6：边缘半径： 角度分布对负荷预测的影响如图3。在这些数字中，在负荷预测中当倾角能从0到10，减少负荷预测（0.0104相应负荷预测在10到0.0122在0个模拟过程）。当切削过程启动，切削力迅速上升，和随着切割进行切削力的稳定reciprocatly波动随。这行为可以为解释工材料受挤压作用减少，与正常界面应力也减小前刀面和芯由于增加了耙角。所以耙角越大，材料去除容易，切削力和也相应地缩小。因此，当塑料材料加工，更大的倾斜角度优势降低切削力和讲求效益，并提高切割质量。事实上，如果倾斜角度太大，概率小费和胎盘早剥的增加，刀具寿命也可以减少。 （a) 10 (b) 5 (c) 0 图3不同倾斜角度

13、的照片，间隔角6：边缘半径：4B.影响的间隙对加工 该模型的角度对加工间隙的影响显示在图4。其中，是分离点，是要求切割金属，是厚度的弹性恢复，是长度的工具面压。不是下限点工具由于刀具刃口半径。塑性变形工件由于挤压是更重要的作用该工具，并直接影响加工表面形成。 图4 间隙对加工的影响 图5显示照片的有限元的加工过程进行变隙角。对比的图2（b)到图5，最大讲求效益在价值较高的间隙角感到轻微的降落。这现象可以解释为热变形和摩擦或挤压之间的间隙面和切割表面。当间隙角的增大，摩擦和挤压之间的间隙面和切削表面减弱，从而导致拉伸应力的有效递减。但由于减少了刀具的热容量传输，切削温度或热变形的增加主要切削过程

14、中当间隙角度太高。后角在切削加工表面通常是610，因此，讲求效益可以减少。 图5 照片，有限元模拟在不同间隙切割角：前角：5：边缘半径：4C 影响的刀具刃口半径对加工 尖端半径对等效应力的影和负荷预测显示在图6上。对比图2 ,，3（b）到图6，在刀刃半径上，既讲求效益和最大负荷预测在价值随着边缘半径相应的减少感到轻微下降。一些长度chiptool减少与边缘半径减少的现象也可以看到。如讨论以上部分，模拟的切割深度只有。因此，当切削深度保持不变，尖端半径较大，切削刀具在加工表面挤压和划伤相互作用变的更重要，这导致切屑和已加工表面发生更多的变形。也就是说，残余恢复变形成长。因此，在讲求效益会随着增加

15、的工具的刃口半径而扩大。所以刀具半径越高，加工表面的变形加工误差对越大，机械加工质量较差，与刀具刃口半径必须在超精密切削足够小。 图6 照片offem模拟切削间隙角6；倾角5：边缘半径：2D 三维效果的工具gemeotry对有效应力工具 图7显示有效应力分配的前刀面。最大讲求效益分配在切削刃上。因为芯片贴合紧密，切屑-刀具在边界曲面的摩擦是非常大的。图7（a）和（b）类似的，有时工件材料可以发生横向流动，最大讲求效益有一定的偏差。最大讲求效益的分布地区可引起刀具磨损如陨石坑，刀具强度的减少，进一步，工具可以生成失败。 图7 照片前刀面的讲求效益在不同倾斜角度：间隙角6：边缘半径：4 四。结论

16、有限元模拟进行各种耙角，清角和刀具刃口半径在超精密切削工具的地位对效果研究的影响。可以得出一些结论，如下： 1）当塑料材料加工，切屑-刀具的接触长度随耙角的减小而增加。大倾角有利于降低切削力和加工表面讲求效益。 2）随间隙角的增量，工件与刀具间的摩擦应力降低，机械加工表面和表面粗糙度可减少。 3）在挤压和摩擦机械加工表对面刀具刃口半径与尖锐的工具有关，其刀具刃口半径较大，讲求效益和切削力增加。 4）最大讲求效益分配大约是刃。最大讲求效益分布的地区可引起刀具磨损如陨石坑，工具强度可以减少。 工具书类【1】吴余华，工艺技术金属切削乙北京，机械。工业出版社，1998。【2】齐元秋，斯琴庞，现代技术的

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