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1、中国地质大学长城学院 本 科 毕 业 设 计外文文献翻译系 别 工程技术系 学生姓名 陈东辉 专 业 机械设计制造及其自动化 学 号 05211523 指导教师 杨运强 职 称 教授 2015年 4 月 20日金属正交切削中的残余应力和压力摘要 在平面变形情况下，有限元法用于模仿和分析正交金属切削过程。在剩余应力和张力领域完成制件与对焦。采用了各种建模。沿工具芯片界面摩擦相互作用，建模与改良库仑摩擦法。基于临界应力准则的节点释放技术建立芯片分离模型。在与温度相关的材料属性和工具的范围内，确定是前角和摩擦系数的值。实验发现通过热冷却，取决于这些参数的范围可以增加残余水平应力，倾角和磨擦系数的影响
2、，并且是非线性的。比较预测残余应力与文献中的实验观测结果。关键词： 有限限元模拟 金属正交切削 残余应力1.导言金属正交切削，非线性复杂耦合的热机械进程的加工操作。应变和主剪切带中的高应变率和相应芯片与工具之间的联系，沿辅助剪切区域复杂性的摩擦。 除上述以外，工作形成的切屑和工具之间的摩擦引起产热。在金属切削加工的副产品中，出现残余应力与新增压力，会影响已加工表面的完整性，缩短机械组件蠕变疲劳寿命。因此，审慎评估工件残余应力与应变的区域是必要的，针对机械零件在蠕变疲劳载荷条件下过早失效，要对切削过程的进行优化与维护。在过去60 年中，已经进行了大量的金属切削研究工作，Theearliest和
3、Piispanen 开发了金属切削力学分析模型。这些模型被称为剪角模型，它们都提供剪角、 倾角和磨擦系数的实证关系。这些模型还可用于估计部件、 应力和平面应变条件下的金属切削加工过程中的能源消耗。在这以后制订了更复杂的剪角模型，以包括各种设计参数的影响。Lee李和 Shaffer 提出一种基于滑移线场理论，其中假定刚性完美塑料材料切削和直剪切平面的剪角模型。kudo通过引入曲线的剪切平面来考虑控制曲线的切片和直线工具之间的接触，修改滑移线模型。帕尔默.奥克斯利和奥克斯利认为是在粘塑性条件和工件硬化及应变率效应。duke等人研究芯片和工具之间的界面摩擦的安置，触发器和分析局部加热的金属切削加工的
4、影响。有限元方法已经广泛的应用于各种金属切削技术的研究。有限元方法的多功能性使得它考虑到工件大变形、 应变率效应、 工具芯片接触和摩擦，局部加热和温度的影响、 不同边界和加载条件，和其他现象遇到的金属切削加工问题。Usui和 Shirakashi 开发的金属切削加工模型是早期有限元模型之一。基于经验数据，他们假定无关变形的材料和工具提示在芯片分离几何的标准。岩田等人提议低速金属切削的有限元模型，其中假定塑料为材料和包括该工具与芯片之间的摩擦的影响 （但忽略温度影响）。Strenkowski 和卡罗尔，用基于在工件中有效的塑性应变芯片分离准则，更新了的拉格朗日制订的代码 NIKE2D 有限元。K
5、omvopoulos 和 Erpenbeck 研究的各向同性的应变硬化和 strainrate研究的敏感性视为理想弹塑性材料和材料。有限元分析基于耦合热弹塑性大变形本构模型和雇用芯片分离的应变能量密度标准。田和杨上在正交的金属切削过程，基于最优理论和欧拉参考系统中的一个极限分析定理进行有限元研究。施和杨进行了两个有限元正交金属切削研究实验 。通用有限元代码的正交金属切削研究和调查的摩擦影响和工具的形变场数量分布的倾角。已经比较了这些研究与文献中的实验数据和新的测试及其作者所取得的成果。以上讨论的分析与数值提供了很好的金属切削过程的理解与模拟的研究。尤其是，这些研究涉及大应变和应变率、 稳态反应
6、、 摩擦和局部加热的影响和芯片分离标准等问题。但是，已进行的多计算工作，以了解有关机械加工零件的表面完整性的问题。已知残余应力会使表面完整性产生影响。Henriksen 为了解在加工表面的各种切削条件下的钢和铸铁零件中的残余应力进行一系列的测试。他在报告说残余应力可能高达 689.48 MPa 。他还强调了在韧性材料 （如碳钢） 。通常拉伸和压缩的脆性材料 （铁等）。由于各种原因已归入在工件中的残余应力的原因。刘和拉什观察到工件表面的机械变形诱导残余应力。科诺中南工业大学和 Tonsoff 等人发现残余应力是依赖的切削速度，残余应力对工件材料的硬度有重大影响。表明在金属切削中的摩擦也有助于形成
7、的残余应力。确定了机械加工零件，如评价显微硬度、 表面完整性的各种方法 x 射线衍射，和层去除偏转技术。日本早稻田大学柿野，发现残余应力均与加工中的切削力和温度分布有关，提出了早期预测模型的残余应力。在另一种分析模型中，连接残余应力和工件最脆弱部位。施和杨进行了机械加工的工件残余应力分布的联合实验，计算研究。最近，刘和郭用有限元方法来评价在工件的残余应力。他们还观察到进行第二次下调时在切割面上残余应力幅度降低了。虽然现有的资料为机械加工部件的残余应力的研究提供了重要的见解，但是残余应变分布，从每个阶段的切割冷却过程中工具耙角影响的等问题，仍然没有得到充分的理解。为此，这项调查的目的是要了解工具
8、界面摩擦和工具耙角度对形成和分布的残余应力和应变的机械加工零件是如何影响的，并划分切割冷却过程分为四个阶段并调查的每个阶段的用处。有限元方法用于模拟正交金属切削的过程，通过使用 ABAQUS 的通用代码中的几个高级的建模选项，制定了仿真程序。采用最新的拉格朗日制订适合大应变变形。假定平面应变条件。包括电源过压粘塑性本构模型与应变率效应。沿工具芯片界面摩擦接触已遵守修改库仑摩擦定律。在绝热加热条件下，对可塑性和摩擦所致的局部加热升温。基于应力的芯片分离建模标准把工件的芯片分离，被认为是依赖于温度的物质属性。这项研究提供了详细的博览会的不同阶段后切割、 应力、 应变场演化和形成的残余应力和工件的成
9、品表面附近的金相。2.有限元模型描述图 1 显示了金属正交切削过程，是其中一个连续的芯片正在从工件切削刀具相对于工件匀速移动的原理图。在芯片分离和对待摩擦的交互工具-芯片-工件系统中，定义了三个相关关系。如图 1 所示。接触面1的切割路径，两个接触表面由两组节点 （每个面上一个） 粘合在一起并用配对。当达到芯片分离标准，工具提示的联系节点距离，使该工具以增量方式推进。作为工具的联系节点对材料成形芯片的内面，将移动到所接触面2的定义区域，和那些形成成品的工件表面将移动到接触面3，如图 1 所示。虽然有接触面2的芯片和工具的前刀面之间的摩擦相互作用，接触面3 只用于维护工具提示新切工件表面的接触。
10、因为相比与平面维度的工件，被刀具切削的材料层的厚度通常是非常薄，声称是平面应变条件。由于其与芯片和工件的高刚度、 切割工具作为刚体理想化，建模的弹性材料与人工高杨氏模量 （2.1 1015 MPa 在此研究中使用的值）。本节的其余部分描述了一些实施这项研究进行的金属切削模拟计算要点。2.1.摩擦界面沿 toolchip 界面的接触摩擦的影响，通过修改库仑摩擦法 （在 ABAQUS 中可用的选项）建立模型，。它指出在一个联系点的相对运动将发生是否应用抗剪应力 t 相切的联系人界面到达下面定义的 tc 的临界摩擦剪应力。 （1）其中 p 是接触点处的正常压力、 n 是摩擦系数，t是阈值，剪应力。它
11、指出，当t设置为无穷大时，常规的库仑摩擦法收回。在此研究中，工件材料是 AISI 4340 钢，这是略高于材料的屈服应力在简单剪切。图1 金属切割与相关部分2.2.能量耗散和局部加热在金属切削过程中，在芯片和工件的塑料工作和沿 toolchip 摩擦工作接口局部加热造成的能量耗散。在高速切削，产生的热量已没有时间传导和由此产生的温度上升通常被视为工件自身承受。绝热加热条件下，局部温度升高，Tp，诱导塑料工作在时间间隔 t，可以写为 （2） J，相当于热转换因子，c 比热、 密度，r 和塑料工作的百分比转化为热能的 hp （通常，85%hp 95%； hp = 90%在此研究中 16,35)。
12、（3）其中 t 是接触点处的剪应力、 s 是滑动速度，J，c 和 r 是界定的智商系数 hf 代表摩擦工作转化为热量，这作为这项研究的 1.0 的小数部分。沿工具芯片接口，产生的总热量的一半 （50%） 假定走进芯片和另一半到工具。2.3.芯片分离 在金属切削加工仿真中，沿切削工具前小区域的应力和变形区域，芯片分离切割平面，满足某些芯片分离的判据。值得注意的是研究表明芯片的几何形状和应力应变场的分布不影响。在本研究中，用于控制芯片分离的临界应力，按照这一标准，在一定距离的工具提示之前到达一个关键的组合芯片分离时发生应力状态。数学上，可以作为下面给定的应力索引 （4）沿切割的路径，剪切力和正常组
13、件应力，工具提示指定距离处的应力状态。如图 1 所示是失去压力下纯材料的拉伸和剪切加载条件下切削。芯片分离发生时应力指数 f 达到工具提示前一个元素长度 (在这项研究的约 50.8 m) 的值。对于AISI 4340材料钢，临界压力也就是948 MPa 和 548 MPa （基于 von Mises 屈服的关系）。2.4.材料模型工件是 AISI 4340材料钢在粘塑性本构模型建模。 （5）在一定电压下进行适合高应变率应用程序 （如高速金属切削）。标准的常量值用于其他物理属性 （比热 c = 502.0 J/动量K 和大规模密度 r = 7800 kg/m3)。在金属切削加工过程中产生的巨大热
14、量将改变工件材料的材料特性。因此，依赖于温度的材料属性 (例如弹性常数、 初始屈服应力和热膨胀系数） 。2.5.有限元网格和边界条件图 2 显示了有限元离散化整个几何模型的工件-芯片-工具系统。芯片层由倾斜的元素组成，它们从工件中分离，在交互的工具切割时，防止过度失真的元素。约 64 的倾角的倾斜元素与切削方向。该芯片切割的起始位置，一层芯片的右端是最初分隔从工件，以便顺利和快速过渡到稳定状态。左端，芯片层三角部分维持以使网格生成更简单和不可望对稳态仿真结果的影响。此网格设计是有效和原拟由 Strenkowski 和卡罗尔，并已经通过其他研究人员的可肯定图 2 所示的有限元网格由 1160个四节点平面应变元素与 1308个节点组成。在预期大变形芯片中，网格的芯片图层是比工件更精细。具体而言，芯片层，其中有 254 m 的高度 （切削深度），分为十个二类油层的元素。该工件区域，其中有 2540年 m 的长度和高度 889 m，分为 11 层，但每个有 50 个元素在切削方向。它被发现 50 个元素是使用频谱-评价的有限元模拟，在切割工具到达左结尾之前以达到稳定状态。下方的切割路径元素的顶部五层细是维度 50.8 m 50.8 微米，这些是比工件网格的下半部分中的那些小方形内容与离散化。图2 金属切割网格层工件边界条件的指定方式如下：因为下半
