基于ANSYS的金屬切削過程模擬

朱江新，夏 天，陽 平，黃 江

ZHU Jiang-xin, XIA Tian, YANG Ping, HUANG Jiang

（廣西大學 機械工程學院， 南寧 530004）

基于ANSYS的金屬切削過程模擬

Simulation of metal cutting process base on ANSYS

朱江新，夏 天，陽 平，黃 江

ZHU Jiang-xin, XIA Tian, YANG Ping, HUANG Jiang

（廣西大學 機械工程學院， 南寧 530004）

本文基于有限元分析軟件ANSYS強大的大變形分析功能，使用二次開發工具APDL和FORTRAN語言進行二次開發，對金屬切削過程進行有限元分析。完成了鋁合金A6061材料正交切削過程的全程模擬，并通過試驗驗證了計算結果，本文給出的二次開發算法具有重要的實用價值。

數值模擬； ANSYS； 二次開發

0 引言

有限元模擬技術在機械制造工程領域應用日益廣泛，借助有限元模擬技術，可以直接求出變形體內部有關變形速度、應力、應變參數分布規律，為設計人員提供直觀的物理數據，對深入研究切削機理、設計和選用相關的切削工藝參數提供參考依據和理論指導。

ANSYS系統具有強大的前、后處理和求解功能，通用性很強，但是在ANSYS中沒有用于金屬切削模擬的專用分析模塊。本文基于ANSYS大變形模塊，采用二次開發工具APDL和FORTRAN語言，對金屬切削模擬分析算法進行二次開發，完成了鋁合金A6061正交切削過程的全程模擬。

1 金屬切削分析模型的建立

鋁合金A6061材料的分析單元類型選擇VISCO106大變形單元，彈性模量E=70Gpa、泊松比μ=0.3，其應力-應變關系式為[1,2]：

刀具選用PLANE182單元類型，彈性模量E=210Gpa、泊松比μ=0.3。

切削幾何模型由兩個矩形圖形疊加而成，切削層尺寸：25mm×1.2mm，下面的工件尺寸：25mm×3mm，右邊四邊形為刀具，工件劃分700個單元，刀具劃分16個單元。對工件底部所有的節點進行全約束，約束刀具的Y方向自由度，給刀具施加向左的位移載荷，有限元分析模型如圖1所示。

圖1 金屬切削有限元模型

2 模擬算法

在金屬切削模擬過程中，刀具和工件的邊界約束條件都在不斷地發生變化，如何正確地處理這些邊界約束是模擬分析成功的關鍵所在。ANSYS軟件在求解過程中不會對模擬分析過程中這些邊界約束條件進行自動分析和處理，如：切屑-基體分離、切屑脫離刀具、切屑-刀具邊界約束、網格重劃分等，本文針對這些問題的處理，所給出的二次開發的算法流程如圖2所示。

2.1 網格畸變及處理

2.1.1 網格畸變判斷

2.1.2 新網格系統生成

網格發生畸變后，需要重新生成規則的有限元網格系統，這是保證數值模擬計算順利進行下去重要的條件。對于新網格系統生成的方法有[3]：網格重新劃分和對舊網格系統中畸變單元進行局部調整兩種方式。本文使用ANSYS軟件中的網格劃分功能對發生網格畸變的部位進行網格重劃分，然后再整合新劃分的網格單元與舊網格系統中未發生畸變的部位。

2.1.3 新、舊網格系統之間參數傳遞

圖2 有限元分析二次開發程序流程圖

2.2 切屑分離判斷

目前，對于金屬切削分離準則還沒有達成一個統一的標準，目前所用的分離準則主要有幾何準則和物理準則兩種類型。

本文采用幾何-節點等效應力的綜合判斷準則對切屑分離進行判斷。處理流程如下：判斷該刀尖前節點的等效應力是否已經開始小于設定的臨界應力（臨界剪切應力），如果大于臨界值，則解除耦合約束；如果小于臨界值，則搜索分離線上距刀尖最近的節點，提取刀尖節點坐標值與刀尖前最近的節點坐標值，使用距離公式求出兩節點之間的距離：，如果，設定的臨界值），則解除刀尖前節點的耦合約束條件，實現切屑分離。

2.3 刀-屑脫離判斷

切屑邊界節點在前刀面的約束下，只能沿前刀面的切線方向移動，并且距刀尖越近所受的接觸壓力越大，為防止因接觸壓力過大而使切屑節點進入到刀具內部，必須對與刀具已經發生干涉的節點坐標進行修正；已分離的切屑節點與前刀面的距離足夠小時，必須把該節點修正到前刀面上來，使其受到前刀面的約束。為使分離的切屑節點受刀面約束，采用幾何方法對其坐標進行修正，過該節點做刀面垂線，得到垂線與刀面的一個交點，求出交點的坐標并使用該點坐標修正原來的節點坐標。受刀面約束的節點在刀面上運行到一定的高度后，節點脫離前刀面成為自由節點，Lee和Shaffer[4]提出了刀-屑接觸長度的滑移線理論，根據滑移線理論建立了一個滑移線切削模型，并給出計算切削模擬過程中切屑脫離前刀面的取值范圍為H=(1.25-1.5)h（其中h為切削層厚度）。

3 模擬結果分析

3.1 切削過程中切屑內部變形區域分布

圖3給出的是在刀具前角為γ=200、后角為β=50、摩擦系數為f=0.3時模擬得到的不同刀具行程下的等效應力分布圖。圖3(a)是刀具行程S=5mm時工件和切屑內部應力分布圖，最大的應力出現在第一變形區域紅色區域中，已經達到：σmax=432MPa。(b)～(c)圖分別是刀具行程為S=10mm、S=15mm時的應力分布圖，此時的第一變形區域的最大應力在432～443Mpa之間變化，說明已經進入了穩定的切削過程中，這也驗證了Von.Mise準則，當材料進入塑性狀態后，等效應力保持不變。從圖中分析得到，進入到穩定的切削過程中，刀具的后刀面所受的應力最大，磨損也是非常嚴重的，模擬分析結果與文獻[5]所提出的正交切削新模型分析結論比較符合。

圖3 不同刀具行程下工件和刀具內部應力分布情況

3.2 切屑幾何形狀

影響切削過程中切屑成形的因素很多，有：工件材料、切削用量、刀具幾何參數等。模擬結果如圖4所示，圖4(c)給出的是在刀具前角為r=20°、后角為β=5°、摩擦系數為f=0.3°時模擬得到的刀具行程s=15mm時的切屑幾何形狀。

圖4 不同刀具行程下切屑形狀圖

通過對切屑單元網格分析可知，不僅切屑的長度已經明顯小于刀具的行程距離（切削層的長度），而且切屑厚度方面則要明顯要大于切削厚度，這是由于在金屬切削過程中切屑在刀具前刀面的擠壓以及兩者之間的摩擦力作用下，切屑在厚度方面受到的拉伸作用壓力，而在長度方面受到的則是擠壓作用壓力，在這兩種應力的共同作用下，生成如圖4(a)、(b)、(c)所示的切屑圖形，其中圖4(d)、(e)為加工試驗所得結果。通過對比，模擬分析結果與試驗結果非常吻合。

4 結論

模擬分析得到了切屑成形過程和切削過程中工件、刀具內部應力分布圖，將模擬結果與相關的實驗結果進行對比分析，模擬分析結果比較符合金屬切削理論的中一般結論，驗證了模擬分析結果的正確性和二次開發算法模塊的可行性，可為實際加工過程中工藝參數的選擇和優化提供理論指導和參考依據。

[1] 朱江新.切削-擠壓成形過程分析與建模方法研究[D].西安:西安理工大學,2006.

[2] 張士林,任頌贊,嚴錦山等.簡明鋁合金手冊[M].上?？茖W技術文獻出版社,2006.

[3] 李蓓智,黃昊,王勝利.切削過程仿真及工藝參數優化[J].東華大學學報(自然科學版),2007,33(3):287-289.

[4] Lee E.H.,Shaffer.BW..The theory of plasticity applied to a problem of machining [J].Appl.Phys,1945:277-282.

[5] 吳學松,劉培德.正交切削時刀刃前區應力分析的一個新模型[J].應力力學學報,1985,2(3):1-12.

TG506

A

1009-0134(2010)11(上)-0032-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.11(上).11

2010-06-09

廣西制造系統與先進制造技術重點實驗室主任課題（09-007-05S022）

朱江新（1967 -），男，湖北監利人，教授，工學博士，研究方向為切削過程的數值模擬。