1、基于ABAQUS的切削过程刀具磨损仿真摘要切削是机械加工中应用最广泛的一种加工方式，而其加工过程中刀具的磨损状态是影响加工件质量的重要因素。本文针对切削加工中刀具的磨损状态和寿命进行仿真实验进行研究。分析了切削加工过程中刀具磨损产生的原因及影响因素，根据切削的加工的基本原理，应用ABAQUS软件建立了切削的三维有限元仿真模型，通过对切削过程中材料变形与断裂关系的分析，选择了JohnsonCook本构模型，同时完成了模型材料属性、网格划分、摩擦和边界条件等参数的设置，建立了与实际切削过程比较相近的有限元仿真模型。对切削过程进行了有限元仿真，分析了切削过程中刀具磨损的分布及变化规律；针对不同切削深
2、度、不同切削速度时刀具磨损程度进行了分析，获得了刀具所受应力在各个方向的分布和变化规律。为有效控制切削工件表面及刀具应力分布，提高工件表面质量提供参考。关键词：有限元；磨损；ABAQUSAbstractMachining is the most widely used machining method in machining, and the wear state of the tool in the machining process is an important factor affecting the quality of the workpiece. In this paper,
3、the simulation of the wear state and life of the cutting tool is studied.The causes of tool wear and its influencing factors in the cutting process were analyzed. According to the basic principle of machining, a three-dimensional finite element simulation model of cutting was established using ABAQU
4、S software. Through the analysis of the relationship between the material deformation and fracture in the cutting process, it was selected. The Johnson-Cook constitutive model was used to complete the setting of parameters such as model material properties, mesh division, friction and boundary condi
5、tions, and a finite element simulation model similar to the actual cutting process was established.The finite element simulation was performed on the cutting process. The distribution and variation of tool wear in the cutting process were analyzed. The tool wear degree was analyzed for different cut
6、ting depths and different cutting speeds, and the distribution of the stress on the tool in all directions was obtained. The law of change. Provides reference for effective control of cutting surface and tool stress distribution, and improving the surface quality of the workpiece.Keywords: finite el
7、ement; wear; ABAQUSIII目录摘要IAbstractII1 绪论11.1背景和意义11.2切削加工技术的发展11.2.1古代切削加工的发展11.2.2近代的切削加工21.2.3工件与刀具的交替发展及其动力31.3刀具磨损理论31.4本章小结42 切削过程有限元模型的建立52.1工件和刀具的基本设置与装配52.1.1创建工件模型52.1.2 创建切削平面52.1.3 创建刀具模型62.1.4 创建动力块模型62.1.5装配72.2工件和刀具对应参数的设置82.2.1工件的材料与参数设定82.2.2刀具的材料与参数设定122.3定义分析步的主要步骤122.3.1创建分析步122.
8、3.1创建场输出142.4编辑相互作用152.5创建载荷相关属性152.6编辑提交作业并运行计算172.7本章小结183 加工件的切削及其加工过程的仿真与分析213.1加工件的切削参数213.2模拟结果仿真与分析223.2.1从X方向分析刀具应力233.2.2从Y方向分析刀具应力233.2.3从Z方向分析刀具应力243.3本章小结254 切削过程中刀具受力情况进行分析274.1刀具受力计算274.2刀具变形分析284.3本章小结285 结论与展望295.1结论295.1.1切削参数对刀具磨损的影响295.1.2刀具后角对刀具磨损的影响305.2展望30参考文献33致谢35附录A371 绪论1.
9、1背景和意义美国ABAQUS公司研制开发的一款功能非常强大的非线性有限元软件就是ABAQUS软件，能够分析各种力学系统、处理十分复杂的力学问题以及模拟高度等非线性问题。直到20 世纪70 年代的时候，有限元分析法被应用到了传统的切削加工过程中，不过该方法能够有效提高分析的精度，刀具在切除工件多余材料的同时，其本身也会产生磨损的情况。当磨损达到一定的程度时，刀具便会报废。刀具的磨损不仅与切削参数有一定的关系，并且与刀具与工件的化学成分、物理性能有关。在ABAQUS中建模成功后，就可以提交、监控作业，最终得到结果。另外，刀具磨损的有限元预测需要有一个稳定的温度场以及刀具单元及节点的调整。通过调整传
10、热系数h，获取了较好的刀具温度场分布，预测了刀具前、后刀面的磨损情况。现有磨损模型可磨损模型分为两个类型：第一种是切削参数、刀具寿命型，第二个是切割过程中的变量通常是基于一个或若干磨损机制。这个模型是无力的。一方面，磨损现象被建模成为不连续的现象的时间而不是真实的情况。而另一方面，它是在实施的限制磨损机理，即磨损问题降低到1或2的磨损机制。21 世纪以来，随着科学技术以及经济不断发展，人们对于刀具切削过程磨损仿真始终没有停止，国内专家学者也开始了这方面的研究。本次的研究内容是学习ABAQUS仿真软件，利用所学理论和专业知识，根据切削过程，建立切削有限元仿真模型，再设定一些基本的参数使得模型能够
11、刚好运用于软件中，利用有限元软件对刀具切削加工过程进行模拟，并对得到的结果进行研究分析。通过对切削加工过程进行有限元仿真，能很好的分析切削速度、切削温度、切削应力以及切削力的影响，从而对切削过程中刀具的磨损过程进行仿真。1.2切削加工技术的发展1.2.1古代切削加工的发展切削加工被公认为是机械加工中的一个重要方法，其主要任务就是利用刀具来切除被加工对象（如工件）上的多余材料，从而得到形状、精度以及表面质量都十分符合要求的表面材料。在当时中国古代切削加工、原始带刃工具和兵器都具有世界领先地位，随后发展演变成了现代的金属切削加工技术。从切削加工和金属切削加工上来说，我国的历史非常悠久。距今约170
12、万年前的旧石器时代，云南元谋猿人已经开始使用石砍砸器了。约50到60万年前的北京猿人，就已经发明制造出了各种各样带刃的石器，如砍砸器、刮削器和尖状器。尽管古老的工具十分粗糙，但是它们奠定了人为加工的基础，同时这些古老的工具也是研究切削加工起源发展的历史资料。在那个时期，人类可以根据不同的具体需要制造出不同用途的工具比如切削刀具。原始的切削加工过程已经具备三个基本要素：刀具、被加工对象还有切削运动。刀具和切削加工的发明在人类历史上扮演着浓墨重彩的角色。历史学家认为，发现并应用刀和火可以说是人类最伟大的两项发明，也是人类登上历史舞台的一个重要标志。在春秋战国初期，我国就发明了生铁铸造的技术，至少比
13、西欧早1800年。另外渗碳、淬火以及炼钢技术的发明，为制造坚硬锋利的工具打下了坚实的基础。后来又出现了铁制工具，它使切削加工进入了一个新的时期。在这个时期中出土的切削工具都比较精致一些，很多青铜器上都出现了用金属刻缕的纹饰以及钻孔的痕迹。到了春秋中晚期，有手工工作者写了一部考工记，它是我国现存的最早的工程技术著作。在这一时期，人们已经能比较熟练地掌握多种加工方法，并且包括一部分切削加工5。1.2.2近代的切削加工在公元17501900年这段时期内，发展最迅速的行业当属机械工程，机械工程是由别的学科工程中分离出来的一个独立的学科工程。当然，切削加工在这段时间内也发展迅猛。机械工程以及切削加工的发
14、展历史，是跟英国的工业革命密不可分的。在当时来说，蒸汽机的出现促进了社会的经济发展，纺织业、采矿业以及军工业的兴起，使得对加工技术方面提出了更高的要求。必须解决相对应的加工技术，才能实现新产品的发明设计。机械制造业技术不断提高以满足社会的发展需要。在1776年，瓦特发明出第一台蒸汽机，他当时遇到的最大困难就是气缸的镗孔加工。由于当时的加工方法十分的落后，气缸与活塞之间的空隙又很大，出现了漏气的问题，即使在空隙处填满了布、皮革或者油脂也无济于事。幸运的是铁器制造商威尔金森及时帮助瓦特解决了这个漏气严重的问题。为了实现机械产品的发明和设计，需要不断地提高工艺加工水平和制造加工技术。金属的切削加工工
15、艺十分复杂，它涉及到的领域十分广泛，比如断裂力学、热力学以及固体力学。所以如果想要提高零件的加工质量、降低生产成本和提高加工效率，就需要研究金属的切削加工过程。并且一直以来，表面外部加工效应，如表面粗糙度认为是评价工件表面加工质量的重要依据。表面粗糙度对于刀具的寿命有着很大的影响，所以要研究多种因素在切削过程中产生的多种影响。1.2.3工件与刀具的交替发展及其动力在切削加工的这个过程中，刀具与工件既对立又统一。当其中一方有了进展或者提出了新的问题的时候，会推动另外一方的前进和发展。只要刀具性能提高了，就会反过来推动工件更快发展，然后工件又会推动刀具继续前进。如此循环往复，就是刀具和工件的对立统
16、一关系。高速钢刚发明出来时，对于当时加工的需要，刀具材料大体上是符合要求的。然而，进入20世纪以后，各种合金钢和铸铁作为主要的工件材料，其机械性能日益提高。尤其是进入20世纪中叶以来，出现了各种高强度钢、高锰钢、不锈钢、高硬耐磨铸铁、高温合金、钛合金，以及各种非金属材料，然而高速钢刀具加工这些材料时效率非常低。这样，就需要改变高速钢的化学成分，改进它的热处理方法，并提高它的切削性能。比如硬质合金的硬度十分高，它可以加工高速钢所不能加工的材料。但是，硬质合金的脆性又很大可加工性又差，所以硬质合金只能在部分加工范围内来代替高速钢使用。后来，市面上随之又出现了陶瓷、立方氮化硼、人造金刚石等更先进的刀
17、具材料，并且这些刀具材料的硬度、刚性和耐磨性都超过了硬质合金。然而，这些新刀具材料脆性都比较大，并且价格昂贵。新刀具材料对于加工情况不适应也就使得新材料不是那么普遍的被应用。目前的情况就是切削加工行业仍处于大量使用高速钢与硬质合金的时代。而在19世纪到20世纪初，想要加工这些材料是根本不可能做到的。我们了解刀具材料的发展历史可以预测更难加工的工件材料以后还会不会出现，并对刀具提出更高的要求以至于再出现更为优质的刀具材料。刀具对于被加工工件从适应到不适应，再从不适应到适应，这样交替发展，就会不断推动切削加工技术向前发展，这就是切削加工的历史规律8。 1.3刀具磨损理论刀具磨损则是切削加工中最基本
18、的问题之一。只要深入了解刀具磨损，就可以帮助用户延长刀具的寿命。刀具磨损传统意义上可分为磨粒磨损、扩散磨损、氧化磨损、疲劳磨损和粘结磨损。刀具磨损机理指的是在金属切削加工过程中，能量的表现形式为产生的热量和摩擦。刀具因为很高的表面负荷和切屑沿刀具前刀面高速滑移而产生的热量和摩擦处于一种极具挑战性和极危险的加工环境中。此时切削力的大小通常会发生上下波动，主要取决于不同的加工条件(如工件材料中存在硬质成分，或进行断续切削)。所以，为了在切削的高温情况下保持它的强度，就要求刀具应该具有一些基本的特性，包括极好的韧性、良好的耐磨性以及较高的硬度。刀具的磨损并不是由一种磨损机理可以决定的，而是几种磨损机
19、理相互共同作用的结果。粘结磨损是刀具磨损中最常见的一种磨损情况，指的是工件的加工表面与刀具之间接触处产生粘结点的情况，通常粘结点是在温度和压力等因素下影响下产生的。在加工过程中，粘结点会逐渐脱落并带走刀具的多余材料，从而就会产生磨损11。一般来说刀具所受到的应力大小会影响刀具的磨损情况，那么就应该对刀具的应力进行研究，这样才能深度了解刀具的切削参数对刀具磨损的具体影响。目前来说，现有的研究是针对无磨损的刀具，然而忽略了刀具在切削过程中会发生塑性变形的问题。那么，如今就应该研究已经磨损的刀具应力变化规律对于刀具磨损产生的影响。1.4本章小结本章主要讨论了ABAQUS软件的国内外情况以及我们进行本
20、次研究的意义，并详细介绍了切削加工技术的发展状况。从古代到近代再到现代切削加工发展的速度十分迅猛。最后紧扣本次研究的主题，介绍了刀具磨损理论的形成与发展，为后面的切削过程中分析刀具磨损的任务做好理论基础。2 切削过程有限元模型的建立2.1工件和刀具的基本设置与装配首先创建工件和刀具模型，再创建一个钢板模型，以推动刀具运动。设置参数完毕将部件网格化再进行装配。打开ABAQUS软件，在主菜单中选择部件，下拉菜单选择创建。如图2.1所示在弹出的对话框中模型空间选择三维，类型选择可变形，基本特征选择实体拉伸，近似尺寸100。点击继续进入绘制草图步骤。图2.1创建部件2.1.1创建工件模型在随后出现的草
21、图绘制模块中，建立一个35mm15mm的四边形，点击完成输入拉伸深度8mm,然后完成工件的创建即可。2.1.2 创建切削平面在主菜单选择工具，在下拉菜单中选择分区，如图2.2在出现的对话框中选择边然后输入参数，选择部件的三条竖直边分割出三个点，然后根据三点确定一个平面把工件分区。如图2.3所示。 图2.2工件模型 图2.3创建分区2.1.3 创建刀具模型按照以上方法再次创建一个三维可变形模型，近似尺寸选择50。进入草绘绘制模板中，按照图所示2.4尺寸绘制，拉伸深度设为3mm,完成后对刀具进行倒角设置，倒角半径0.05mm。刀具如图2.5所示。图2.4刀具尺寸绘制图2.5刀具模型2.1.4 创建
22、动力块模型按照以上方法创建一个三维可离散刚性模型，近似尺寸选择200，如图2.6所示。然后绘制草图即可，按照图所示2.7尺寸绘制。就得到动力块模型。图2.6创建动力块部件图2.7动力块尺寸设置 2.1.5装配点开模块中的装配选项，将已经创建好的工件、刀具以及钢板导入装配界面进行装配。确定后刀具和工件就会出现在主窗口中，然后根据平移、旋转等操作完成装配，如图2.8所示即为装配好的效果图。图2.8装配图2.2工件和刀具对应参数的设置2.2.1工件的材料与参数设定工件的材料选用钛合金材料，Ti6AI4V等新兴材料经常被应用到飞机制造、军工业等各行各业中。应用传统的试验方法来研究切削加工中各种参数以及
23、优化的方法费时又费力，而且很多实验的数据都不准确。所以运用有限元分析的方法构建切削模型具有很重要的现实意义。Johnson-Cook材料模型能够很好地反映出材料加工中各因素的综合效应。因此可以选用Johnson-Cook材料模型作为Ti6Al4V切削加工的材料模型。编辑材料各项性能。编辑弹性类型为各向同性，杨氏模量设为110000MPa，泊松比设为0.33。图2.9工件弹性参数设置点击选择热学选项中的比热，比热类型选择常体积，场变量个数默认为0，比热值设为670000000 J/(g)。图2.10工件比热参数设置热膨胀指的是固体材料在受热以后，固体内部晶格不断振动加剧所引起的容积膨胀，然而晶格
24、振动的激化则会导致热运动能量的增大。当升高了单位温度，能量的增量即表示为比热容。因此热膨胀系数与比热容值十分密切相关，并与热容有着相似的规律。热膨胀类型依旧选择各向同性，膨胀系数设为9E-006。图2.11工件膨胀系数设置当金属的形变超过了一定限度时，这个时候即使去掉了外力的作用，物体也不能完全恢复原来的形状，这个限度叫做弹性限度，当形变超过了这个限度时，物体发生的形变就叫做塑性形变。塑性的硬化类型选择Johnson-Cook，具体数据如下图所示。图2.12工件塑性参数设置 图2.13塑性温度参数设置固体材料的密度一般不会随着温度和压力的改变而改变，一般为固定值。点击通用选项下的密度，分布一致
25、质量密度设为4.4310-9t/mm即可。图2.14密度参数设置材料可以直接传导热量的能力称为热传导率，热传导率的定义指的是单位截面和单位长度的材料在单位温差下和单位时间内直接传导的热量的能力。传导率的类型依旧为各向同性，传导率数值设为6.6J/(gk)。图2.15工件传导率设置依旧是选择热学中的非弹性热份额，它的百分比设为0.9。图2.16非弹性热份额JC模型一般假设材料为各向同性，对于材料会产生大变形的问题，我们可以假设材料在变形的过程中，塑性功的任意百分比会在变形材料中产生热量。Johnson-Cook损伤的具体数据如下图所示。图2.17损伤系数设置 图2.18 熔点与转变温度2.2.
26、2刀具的材料与参数设定常见的刀具材料有硬质合金、金刚石以及高速钢。此次刀具的材料为碳化钨，它的硬度与金刚石相差不多，是电、热的良好导体。碳化钨的化学性质比较稳定，主要应用于硬质合金生产材料。碳化钨的具体参数如表2-1所示。表2-1碳化钨的物理参数密度 弹性模量泊松比显微硬度熔点热传导率6.510-9 g/mm6500000MPa0.2517800MPa287035接下来按照编辑工件材料属性的步骤编辑刀具材料属性。刀具的质量密度设为6.510-9 g/mm，密度分布一致。刀具弹性类型依旧为各向同性，模量时间尺度选择长期。杨氏模量设置成6500000 MPa，泊松比设为0.25。传导率的类型为各向
27、同性，传导率数据为35。最后再设置比热类型为常体积，数值为15000000000 J/(g)。2.3定义分析步的主要步骤2.3.1创建分析步进入分析步模块，选择左侧创建分析步图标，接受在初始分析步之后插入本步，选择分析步类型为通用，动力，温度-位移;点击继续进入编辑分析步，时间长度设为0.015秒，它与切削速度有关，默认几何非线性为打开状态，点击OK完成编辑分析步。增量类型为自动，稳定增量步估计选择全局，最大时间增量步为无限制，时间缩放系数为1，具体数据如图2.19所示。图2.19增量设置质量缩放传统意义上指的是在用显式求解器求解准静态问题时候，它是用于提高计算效率的一种数值手段。在显式分析中
28、稳定时间增量与单元的尺度以及材料的固有频率有关，直接的反应就是单元最小尺寸越大，时间增量步越大，材料密度越大，稳定时间增量越大。因此为了提高稳定时间增量，认为的加大局部材料的密度。但是前提是必须保证准静态的前提，加载速率不能大。质量缩放选择整个模型，运算速度加快300倍。图2.20质量缩放其他的设置有线性体积粘性参数为0.06，二次体积粘性参数为1.2。图2.21粘性参数2.3.1创建场输出ABAQUS会提供默认的输出项，因此应先打开输出项管理器。在左侧图标中选择输出场编辑输出请求，选中F- Output-1后着状态，出现如图2.22所示的场输出请求编辑界面。因为场输出指的是被分析体随着时间
29、的各种场变量（位移、速度、应力、温度等）的显示状态，场变量输出一般会随时间变化而变化。因为应力、应变、位移、能量与热学等都与时间有关。所以在输出变量选项中除了默认输出选项外将作用域、频率、定时选中，点击确认输出请求。再次定义一个H- Output-1让他的作用点选择在刀具的参考点上，点击退出输出项管器。图2.22编辑场输出2.4编辑相互作用选择相互作用模块，创建相互作用，力学约束选择罚接触，滑移公式选择有限滑移，拾取切削表面即可。选择表面与表面接触然后继续，点选工件切削层和刀具的前后刀面，点击确认完成设置。图2.23刀具与工件表面相互作用点击左侧图标中的相互作用属性管理器，接触属性选项为切向行
30、为，创建接触属性，选择罚接触，摩擦系数为0.1。图2.24接触属性2.5创建载荷相关属性选择载荷模块，点击左侧的创建边界条件图标，名称为BC-2，类别选择力学，分析步的类型选择对称反对称完全固定，继续后编辑边界条件，区域选择工件底面，坐标系选择完全固定(U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0)，如图2.25所示，点击确定完成工件的边界设定。图2.25边界条件拾取所固定的区域即工件底面，即可看到创建边界条件后的效果图。图2.26效果图继续点击左侧的创建预定义场图标，拾取所要定义的区域并设置基本的参数。图2.27预定义场设置完之后即可看到预定义场的效果图。图2.28预定义场效果图2.6编辑提
31、交作业并运行计算在主菜单进入作业模块，在左侧图标中选择创建作业，在弹出的对话框中点击继续进入编辑任务对话框，如图2.29所示。在作业类型选项卡中选择完全分析，默认其它选择后点击确认完成创建任务。在主菜单中选择作业管理器，在弹出的任务管理器对话框可以进行数据检查、监控。2.29编辑作业在作业管理器中选择提交选项，等待任务执行完毕，看是否会有错误，如有错误，则需要返回修改错误的部分再次提交作业即可，如图2.30所示。2.30提交作业2.7本章小结本章主要介绍了建模的主要流程，包括在部件中画出草图并定义尺寸，然后将刀具与工件网格化。随后是定义刀具以及工件的材料属性，一般来说刀具材料要选择较硬的材料，
32、否则就会出现刀具太软导致切削平面不平整的情况。设定分析步时，要注意时间长度的设定需要与边界条件中的切削速度保持一致。两者相乘需等于工件的总长度。相互作用中的力学接触全部选择罚接触，工件与刀具的接触选择表面与表面接触即可。最后创建载荷相关属性并提交作业就可以看到仿真的具体结果。3 加工件的切削及其加工过程的仿真与分析3.1加工件的切削参数加工件的切削参数包括切削深度为2mm、切削速度为2000mm/s、刀具倒角半径为0.05mm以及刀具前后倒角度数。在载荷模块中选择编辑边界条件图标，切削速度设为2000mm/s，V1方向即是刀具切削的方向。图3.1切削速度在部件模块下找到刀具模型，点击左侧编辑特
33、征图标，设置半径为0.05mm即可，最后点击确定设置倒角半径完成。依旧是部件模块下，点击左侧的编辑草图，就会显示出刀具的尺寸以及前后的倒角度数，度数均设置为10。图3.2倒角半径3.2模拟结果仿真与分析点击可视化模块，即可看到模拟结果如图3.3所示。刀具后面的钢板推动刀具不断向前运动，使得切削过程得以进行。在切削过程中刀具也会产生一定的磨损消耗，刀具的倒角处会发生一定的形变，此时就要注意刀具的硬度设置。如果刀具材料过软，就会使得切削平面不平整，出现坑坑洼洼的现象。此外也可研究不同切削速度、不同温度下以及不同切削深度对工件的影响。这篇文章所建立的三维切削模拟仿真是简化了之后的物理模型。在剪切区，
34、金属材料会发生很大的塑性变形，随即产生很大的切削热，刀具继续地深入使得切屑右侧出现最高温度。在高速切削的过程中，当切屑脱离工件时，在短时间内只会传递给刀具少部分的切削热，其余大部分切削热都会被切屑带走。刀具后刀面和已加工的工件表面之间摩擦产生的部分切削热来不及扩散，便会产生残余应力，以至于导致已经加工的工件表面质量发生改变。切削热由切屑、工件以及刀具带走或者传出，在这中间切屑带走的热量是最大的。切削温度也会对加工工件的表面质量产生重要影响，如果想要计算刀具磨损量，那么久需要得到准确的节点温度。那么就应该设置切削过程仿真热传导系数为合理值。图3.3有限元分析3.2.1从X方向分析刀具应力选择应力
35、选项，先将工件和动力块删除，即可更直观地看出刀具所受应力的大小。如图3.4所示，即为刀具在X方向所受应力的大小，从图中可以看出X方向上刀具尾部受力比较大，而前刀面和后刀面相对受力较小，是因为X的负方向是刀具切削的方向，刀具因为很高的表面负荷和切屑沿刀具前刀面高速滑移而产生的热量和摩擦使得刀具上表面所受到的应力较大。图3.4 X方向刀具受力3.2.2从Y方向分析刀具应力接下来观察Y方向刀具受力情况，Y方向即为垂直于刀具切削的方向，由图3.5可以看出只有刀具前刀面靠近刀刃处有较大的应力分布，而其他刀面应力分布显示为绿色即基本不受任何力。说明在刀具的切削过程中，前刀面刀刃附近所受到的摩擦和阻力都比较
36、大，导致该处磨损比较严重。图3.5 Y方向刀具受力3.2.3从Z方向分析刀具应力最后再观察Z方向上刀具应力分布图，就会很容易发现应力主要集中在前刀面与后刀面靠近刀刃处。这是因为在切削工件时，刀具只切削了工件外面的一部分，而工件内侧没有被切到的部分仍然会对刀具产生磨损。随着切削过程的进行，工件内侧会产生热量以及损耗，进而影响刀具的前进，所谓Z方向的应力就集中于刀刃两侧。3.6 Z方向刀具受力3.3本章小结本章主要介绍了加工件的基本切削参数以及仿真结果以及分析，从切削仿真图可以明显地看到一切数据，比如应力，作用力与反作用力等。单从应力方面来分析，可以分为三个方向来具体分析刀具所受到的应力变化。通过
37、研究分析即可得到刀具受到磨损与切削过程中哪些因素有关。4 切削过程中刀具受力情况进行分析切削过程中刀具的受力情况主要就是分析切削力的大小。切削力是切削过程中十分重要的一个参数，它能直接反映出切削的难易程度。通常情况下来说，刀具的前角增大，随之切削力会减小；而摩擦系数增大，切削力也会增大；切削速度以及切削深度都与切削力的大小成正比。当然，还要考虑温度以及应变率对材料造成的不同影响，否则切削实验将会有一定的误差。另外，所选的刀具强度一定要满足加工过程中的强度要求，这样才能逐渐提高加工精度。对切削过程中的刀具受力及变形进行有效的分析可以更有利地选择刀具，并且可以根据分析对刀具的几何参数进行优化，随之
38、提高刀具的使用寿命。所以应该对刀具本身进行系统的研究分析，这样才能提高准确性和说服力27。一般来说，切削力会随着切削时间长短而变化，当切削时间越长，切削力合力则会越来越大。在切削过程中刀具会产生很大的磨损，从而切削力随时间增大而增大。刚开始切削的时候，刀刃十分锋利，切削力比较小，相对应地刀具的磨损也可以忽略不计。但是随着切削时间的延长，刀具的后刀面磨损量会慢慢变大，切削力和切削温度也会随之增大。当刀具达到剧烈磨损的时候，刀具前后刀面磨损到了一定的程度并且刀具口也会发生突变。4.1刀具受力计算主切削力可由单位切削力与切削面积计算得出，计算公式为FZ=PKfpAD FZ指的是主切削力（N），P指的
39、是单位切削力（N/mm2），Kfp则指的是单位切削力的修正系数，AD指的是切削面积（mm2）。进给量f对单位切削力的修正系数对应值如表4-1所示。表4-1进给量对应的修正系数f0.10.150.20.250.30.350.40.450.50.6Kfp1.181.111.161.031.00.970.960.940.9250.94.2刀具变形分析刀具在切削过程中，主要受到的力就是切削力。通过对刀具外圆的有限元分析得到了刀具在切削过程中刀具的内应力以及变形情况。并且了解到了在刀具进行切削时，刀尖的角度在合理范围内，受力和变形情况才会有好转。27刀具的刚性比较脆弱，并且它在切削力的作用下会产生变形，
40、从而偏离了原来的切削位置，并使得切削厚度发生改变。一般可将刀具简化成悬臂梁的结构，作用在刀具的z方向的切削力使刀具产生压缩或者拉伸变形，作用在刀具x，y方向的切削力会使刀具产生弯曲变形。但是一般来说刀具的刚性是一定的，所以弯曲变形相对于压缩和拉伸变形要大得多，所以我们可以主要研究刀具的弯曲变形28。4.3本章小结本章从理论上对刀具受力进行了进一步的分析，比如刀具的几何参数，切削时间，进给量等。这样就可以结合仿真更深入地了解刀具受力情况以及磨损的程度。而刀具的变形也正是因为受到了切削力或者磨损等一系列因素所导致的，切削厚度以及工件的切削表面也会随着刀具受力而发生变化。5 结论与展望5.1结论本文
41、运用ABAQUS软件对切削过程中刀具磨损进行仿真，并采用了有限元分析方法有效地模拟分析出不同的参数对刀具磨损所产生的影响。我们可以结合实际具体情况，对比得到最为优良的设计结果。仿真过程中的切削深度对最高切削温度、刀具倒角半径对切削力的影响进行分析以及研究，可得到一些结论。比如，在其它条件不变的情况下，切削温度与切削深度正相关。而当刀具倒角半径不变时，实际的切削深度与最小切削深度在尺寸上相差不多时，切削温度会随着切削深度增加而减小。而在切削深度不发生改变的时候，切削力会随着刀具的倒角半径增大而增大，它对切削力的影响也会更加的明显。本文建立了切削加工过程仿真模拟，通过对结果的分析，确定了这种方法的
42、可行性。5.1.1切削参数对刀具磨损的影响在刀具切削加工工件的过程中，刀具切削的速度和进给量的影响比较明显，而切削的深度的影响相对来说较弱。那么，为了使实验更加有目的性和针对性并且站在节约时间的角度上，实验主要通过改变切削的速度和进给量来研究对刀具磨损产生的影响。图5.1表示的是在不同的切削速度下刀具磨损的变化情况，由图像可知刀具磨损随着切削速度的增大而增大，并且时间越长上升趋势就越明显。然而当切削速度比较低时，连续不断的切屑从刀具的前刀面飞出来，造成刀具与工件接触时粘结，即为冷焊现象的产生。另外在刀具和工件的接触表面的粘结点处会受到拉应力和剪应力，从而造成粘结磨损。在切削时接触区域收到了很大
43、的切削力，这样接触面积就会增大，工件以及切屑移动时与刀具的前后刀面产生摩擦，此时就会造成刀具摩擦磨损。当然，当切削速度逐渐增大了，刀具表面会受到压力、接触应力以及摩擦力，此时工件与刀具间的温度也会升高，最终导致刀具的材料化学活性增大，也就产生了氧化磨损和扩散磨损。图5.2是在给定切削深度的情况下，不同的切削速度以及不同的进给量刀具的寿命变化图。由图可知，切削速度和进给量与刀具的使用寿命成反比。而且相对于进给量来说，切削速度对刀具寿命的影响更大一些13。 图5.1不同速度对刀具磨损的影响 图5.2刀具寿命随切削参数的变化5.1.2刀具后角对刀具磨损的影响刀具后角对刀具磨损也会产生一定的影响，如果
44、要研究影响的规律，其他的切削参数应保持不变，只改变刀具后角即可。由实验可知，刀具的后角越小的话，磨损的程度反而越大。当后角角度很小时，工件与刀具的接触面积比较大，从而后刀面所受到的摩擦力也比较大，所以刀具磨损程度就会增大。相反，当后角增大到10时，接触面积变小了于是摩擦随之也变小，磨损的程度也就没有那么严重了。所以增大后角角度可以改善刀具磨损的程度。刀具磨损实验的具体情况如图5.3所示。图5.3刀具后角改变对刀具磨损的影响5.2展望本文通过模拟分析过程，使我们了解到金属切削研究方面所应具备的一些条件。现在随着科学技术的发展，有限元分析软件已经成为涉及工学领域科学研究和工程技术不可或缺的工具。此
45、外，在现代力学、结构力学以及高等数学等学科的促动下，有限元分析法已经成为一个具有巩固理论基础和广泛应用的良好数值分析工具。我们应该合理运用这些工具，学以致用，研究分析出我们所需要探索的问题。今后有限元切削仿真一定会不断地向前发展，并且实现能够代替理论计算、代替实验目标。有限元分析是由变分原理和加权余量法当作基础发展演变而来的科学分析方法，并且可以在连续体的基础上分析计算21。对于切削加工过程中刀具磨损的有限元分析模拟，国内外的研究还比较少，特别是三维的切削仿真。本次研究虽然取得了一定的成果，但是由于时间紧急，实验次数不够多，仍有许多工作需要改进和完善并进行更深一步地研究19。三维刀具磨损仿真模型的建立，忽略了很多因素。比如材料的组织应变以及材料的去除过程，那么建立一个更为实际的模型是十分重要的。需要我们进一步研究来提高刀具磨损量预测的准确性。为了更加接近现实，应该改进切削载荷的附加方式，这样才能更好地深入研究切削过程中的刀具磨损。
