1、基于 ABAQUS 的切削残余应力仿真 摘要切削是机械加工中应用最广泛的一种加工方式，而其加工过程中工件表面产 生的残余应力是影响加工件质量的重要因素。本文针对切削加工中工件表面产生 的残余应力进行研究。分析了切削加工过程中工件表面残余应力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，分析了切削过程中工件表面残余
2、应力的分布 及变化规律；针对不同切削深度、不同切削速度时工件切削表面的残余应进行了 分析，获得了残余应力在各个方向的分布和变化规律，以及其沿着深度方向残余 应力的分布及变化规律。为有效控制切削工件表面及内部残余应力分布，提高工 件表面质量提供参考关键词：切削，残余应力，有限元分析，ABAQUSIAbstractCutting is one of the most widely used machining methods in machining, and the residual stress generated on the surface of workpiece during mach
3、ining is an important factor that affects the quality of machined parts. This paper studies the residual stress generated on the surface of the workpiece during cutting.The causes and influencing factors of surface residual stress in cutting process are analyzed. according to the basic principles of
4、 cutting, ABAQUS software is applied to establish a three-dimensional finite element simulation model of cutting. by analyzing the relationship between material deformation and fracture in cutting process, Johnson- cook constitutive model is selected, and parameters such as model material properties
5、 mesh division, friction and boundary conditions are set up at the same time, and a finite element simulation model which is relatively similar to the actual cutting process is established.Finite element simulation of cutting process is carried out, and the distribution and change law of residual s
6、tress on the surface of workpiece during cutting process are analyzed. The residual stress on the cutting surface of the workpiece at different cutting depths and speeds should be analyzed, and the distribution and change law of residual stress in all directions, as well as the distribution and chan
7、ge law of residual stress along the depth direction are obtained. Provide reference for effectively controlling the distribution of residual stress on the surface and inside of the cutting workpiece and improving the surface quality of the workpiece.Keywords:Cutting，Residual stress，Finite element an
8、alysis，ABAQUS目录摘要IABSTRACTII1绪论11.1 背景意义11.2 金属切削加工概述11.3 有限元软件 ABAQUS 的概述21.4 本章小结32切削残余应力的产生52.1 残余应力的定义52.2 残余应力的分类52.3 残余应力产生的机理52.3.1 机械应力引起的残余应力62.3.2 热应力引起的残余应力62.3.3 相变引起的残余应力62.4 本章小结63切削过程仿真模型的建立83.1 几何模型83.1.1 材 料 本构 模 型83.1.2 材料失效准则83.1.3 工件与刀具材料103.1.4 摩擦模型103.2 建立部件113.2.1 创建部件113.2.2
9、创建切削平面113.2.3 创建刀具模型113.3 网格划分123.3.1 工件网格划分123.3.2 刀具网格划分133.3.3 创建网格部件14III3.4 创建材料153.4.1 定义各零部件的材料参数153.4.2 设置截面属性163.4.3 赋予截面材质163.5 模型装配163.6 定义分析步和定义输出173.6.1 定义分析步173.6.2 定义输出项173.7 定义表面和接触183.7.1 定义接触面183.7.2 定义接触属性183.7.3 定义刀具的刚体约束193.8 定义边界条件和载荷193.8.1 定义约束边界条件193.8.2 创建温度预定义场203.9 提交作业并运
10、行计算203.9.1 创建数据检查任务203.9.2 提交作业213.10 本章小结214模拟结果分析234.1 已加工表面残余应力的形成及分析234.2 加工参数对残余应力的影响234.2.1 切削速度对残余应力的影响234.2.2 切削深度对残余应力的影响264.3 本章小结295结论与展望31参考文献：33致谢35附录 ARESIDUAL STRESSES371绪论1.1 背景意义从 18 世纪的工业革命开始之后，由于蒸汽机和现代机床的出现，蒸汽机被用于切削加工的动力。在 19 世纪，切削加工开始使用电力。金属切削原理和磨削原理在 19 世纪相继被研究。之后就出现了各种各样的新型材料。到
11、了 19 世 纪末时，高速钢刀具的切削速度已经是碳素工具钢与合金工具钢刀具的两倍多。 然而硬质合金刀具比高速钢的切削速度又提升了两倍，随后又出现了金属陶瓷 和超硬材料，再次提高了切削速度和加工精度。随着机床和刀具的发展，不断 对切削加工进行了各方面的提高，使得切削加工的应用范围日益增大，更深层 次的促进现代机械制造的完善、发展。由刀具对已加工表面的各种作用所造成的综合作用下，在加工过程中。刀 具前刀面和切屑间的作用及刀具后刀面和已加工表面间的摩擦等组合作用下， 塑性变形和相变3在一定深度会出现。这个区域会约束变形的部分向原始状态 恢复的过程。因此，残余应力就这样在工件表层内部产生了。这种应力与
12、工件 加工精度有非常重要的关系。零件表面由机械和热应力及相变引起的残余应力被分为两种形式：残余拉 应力和残余压应力。 其中，残余拉应力会降低零件疲劳强度使得零件表面裂纹 扩展速度加快，而残余压应力会使零件疲劳强度提高，降低了零件表面裂纹扩 展速率4。 为了提高零件的表面质量和保证工件的使用寿命，所以对金属切削 中已加工表面残余应力的产生及分布规律的研究是很重要的。本文中着重考虑 切削加工表面残余应力的研究，这对于已加工表面的表面质量有着重要的意义。1.2 金属切削加工概述金属切削加工就是为了得到某些形状从而用工具对工件进行加工。当然， 该过程中要保证尺寸精度和表面质量。切削有三个必要的条件：工
13、件和刀具要 有相对运动; 刀具材料一定要具备切削性能; 必须给予刀具适当的参数。金属 切削是由机床或者手工进行切削加工, 主要形式有车、镗、铣、磨、钻、刨、 齿轮加工、铰孔、锉、锯等等。虽然有非常多样的形式, 但是这些形式在许多 地方都具有相同的现象和规律。这些现象和规律会让学习各种方法变得更加的7轻松。19 世纪人们开始了对金属切削原理的研究。1851 年，法国人 M. Kokkilara 在进行切割铸铁和其他材料时第一个测量了扭矩，并且说出了这个过程中要去 做哪些必要的工作。在 1864 年，法国人罗素第一个对切削刀具的几何参数进行了研究。到了 1870 年，俄国人，季梅对切屑形成的过程进
14、行了解释，并且提出了金属材料被切割的新概念。直到 1896 年，塑料变形的概念才被引入了金属切 削当中。因此，更加完善了对切屑的形成的解释。1904 年，英国人 J.F.尼科尔 森发明了第一台三向测力仪，使切削力的水平向前迈进了一大步。1907 年，美 国 F.W. Taylor 就切削速度对刀具寿命的影响开始了研究，并且发表了非常有 名的泰勒公式。在 1915 年，俄罗斯 Usachov 将热电偶插入到切削边缘附近的小 孔中，测量工具表面的温度(通常称为人工热电偶法)，就这一理论运用大量的 实验来发现和验证温度与切削条件之间的关系。从 1924 年到 1926 年，英国的 赫伯特，美国的 H
15、 Shore，以及德国 K. Kotvin，都使用该工具在工件之间自 然产生热电势(通常称为自然热电偶法)的原理，独立地测量了平均温度1。从 1938 年到 1940 年，美国的 H. Ernst 和 M.E. McCutchen 对切屑的形成过 程进行了高速显微镜下的拍摄，从而找到并对间歇式切屑和连续切屑的形成机 制进行了解释，其主要是摩擦造成的。自 20 世纪 40 年代以来，各国学者对前 人的研究成果进行了系统的总结和发展，充分利用了现代技术和先进的检测手 段，取得了许多新的成果，出版了大量的论文和专著。例如，美国的 S. Lamaringam 和 J.T. Blake 利用 SEM
16、在 1972 年使用微切割设备观察切屑的形成， 并获得了用位错力学解释切屑形成的实验基础1。金属切削加工仍然会是第二十一世纪机械制造的主要处理方法, 以及当代 许多领域都对精密零件提出了较高的要求。金属切削是一种高温、高压、高应 变率的复杂工艺, 在加工表面具有较大的残余应力2。对于残余拉应力而言主 要会产生不好的影响，降低零件的疲劳强度，从而导致零件表面出现微裂纹， 这样就会降低零件的使用寿命；而残余压应力也有其造成不好影响的一面。所 以，使得其加工过程变得难以用解析法分析。1.3 有限元软件 ABAQUS 的概述ABAQUS 有限元软件的研发, 被公认为世界上最强大的之一, 其中一个非 线
17、性有限元软件可以分析各种机械系统, 特别是处理复杂的力学和模拟高度非 线性问题。ABAQUS 的建模能力非常厉害还有其丰富多样的库, 可以对任何形状 进行模拟分析。而且 ABAQUS 还有许多材料库, 可以对大多数材料的性能进行模拟, 此外还有其他的优点, 首先, 其强大的网格细分能力可以从复杂模型的 角度分裂成超单元, 然后可以进一步划分为理想的六面体。其次, 其强大的二 次开发能力与 47 位用户界面联系, 可以根据需要编写任何合适的用户单元等, 也可以实现参数化建模。最后, ABAQUS 还提供了一个非常庞大的模型库, 如实 壳单元、体单元、梁单元、刚性单元和弹簧单元等。ABAQUS 有
18、两个主要的分析模块 ABAQUS /Viewer 和 ABAQUS /CAE。在众多的 分析模块中，常用的模块只有 ABAQUS / CAE 和 ABAQUS / Viewer。前者是 ABAQUS 的工作环境的融合，包含建模，互动模式、提交作业和监控操作过程及结果评 价功能，而 ABAQUS / CAE 则是一个子模块，包含整个模型的所有后处理功能。ABAQUS/CAE 是 ABAQUS 交互式的一个图形环境。对一个模型的分析过程大 致是：首先通过建模功能本身或由其他 CAD 软件导入要分析的几何模型，并对 其划分网格，定义模型的材料特性参数，然后根据要求添加载荷和创建边界条 件。ABAQU
19、S 具有强大的网格划分功能，而且可以检验生成的几何模型网格的正 确与否。生成模型后，然后就可以提交作业，并对其进行监控和分析，根据自 己的需要对其设置就可以得到想要的结果。随着计算机技术的飞速发展，仿真软件可以通过有限元模拟软件模拟。要 实现最终的载体是通过有限元分析软件技术集成的有限元分析，在众多的有限 元分析软件中，ABAQUS 非线性分析以其强大的功能和强大的建模功能赢得了广 大企业、科技科学研究机构和高等院校喜爱，逐渐成为软件工程的第一选择。 现在 ABAQUS 已经在众多的领域被广泛应用。1.4 本章小结本章节主要介绍了金属切削加工的原理及发展，讲述了切削加工的重要性 及切削件表面残
20、余应力对加工件表面质量的影响。还介绍了本文所用有限元软 件 ABAQUS，该软件由美国 ABAQUS 公司研制开发，描述了该软件的各种功能、 应用及发展。2切削残余应力的产生2.1 残余应力的定义残余应力就是在没有外力作用下，物体内部自己保持平衡的应力。残余应 力有两种形式，分为残余拉应力和残余压应力。为了使物体表面残余应力得到 平衡，定义了物体表面的残余应力和内部残余应力的符号正好相反。2.2 残余应力的分类残余应力根据其影响程度可以分为宏观应力和微观应力。在 19 世纪，宏观 应力被叫做第一类残余应力；而微观应力则被叫做第二类和第三类残余应力。 第一类残余应力是在比较大的范围内或者在材料内
21、部晶粒的范围内可以保持平 衡的，大小和方向都可以用机械和物理方法进行检测。第一类残余应力对加工 的工件影响较大，该工件的性能能否达到要求以及是否合格都会受到影响。因 此，在实际的生产中被研究的残余应力一般指第一类残余应力。这样就可以根 据加工的需求来改变，从而让残余应力更多的偏向有利的方面。残余应力由其产生的原因，可以分为体积应力和结构应力。物体由于受到 外部不均匀的机械作用、热或者化学作用产生的应力就是体积应力。内部组织 结构均匀的物体也会产生这种残余应力。当物体内部的组织结构不均匀时所产 生的应力叫做结构应力，当然就算是外部受到均匀的作用也可能出现这种残余 应力。根据表现的形式可以把残余应
22、力分为拉应力和压应力。工件在运行时突然 受到来自外部的载荷时，工件承受的实际载荷就是外部载荷和内部的残余应力 之和。这样的话就会影响工件的实际承载能力，在使用过程中会造成过载断裂 等情况，这样的突然失效如果是发生在某些非常重要的部件就会带来严重的后 果。此外，残余拉应力会使零件表面裂纹的生成和扩展速率增快，降低零件的 抗疲劳强度、耐腐蚀性和尺寸稳定性等。而残余压应力在一定程度上则会提高 零件的抗疲劳强度和耐腐蚀性能。2.3 残余应力产生的机理要分析残余应力产生的机理，在理论上来说定量分析还是有困难，所以只 好对其进行定性分析。造成切削过程中产生残余应力的关键：主要是由机械和 热应力所引起的塑性
23、变形。2.3.1 机械应力引起的残余应力刀具在切削工件材料的过程中，与前刀面接触的区域会产生压缩塑性变形， 而与后刀面接触的区域则会产生拉伸塑性变形。所以，这样就会造成在刀具运 动方向形成残余拉应力。与此同时，由于刀具的后刀面对已加工表面的挤压和 摩擦，这样就会造成已加工表面形成了残余压应力。实际上在加工过程中，机 械应力产生的残余应力是由残余拉应力和残余压应力的向量和。2.3.2 热应力引起的残余应力金属切削加工时会形成三个变形区域，由于摩擦和塑性变形的存在，使得 切削区域有都会产生大量的切削热。这些热量没有在短时间内散发掉，所以就 会造成工件表面会出现受热膨胀的现象。但是由于表面的热膨胀会
24、受到来自基 体的束缚从而就会产生压缩塑性变形。当工件加工完成后，切削热逐渐散发， 工件冷却到室温，此时产生压缩塑性变形的表层区域就会在工件表面形成残余 拉应力。2.3.3 相变引起的残余应力如果工件在切削过程中产生的切削热的温度高于材料自身的相变温度，这 个时候工件表层就会在冷却的时候发生相变从而导致工件体积的变化，最终就 会形成残余应力。然而实际加工中，工件表面最终的残余应力都是这几种残余应力的向量和。 一般情况下，如果刀具切削工件的速度比较低时，切削完成后冷却也比较好， 切削时的温度也不是太高，这时对残余应力的产生起主要作用的就是机械应力。 当刀具切削工件的速度比较高、切削时的温度也较高，
25、这时候起主要作用的就 是工件表面的热塑性变形。当刀具速度进一步增大，切削的时温度达到了材料 的相变温度，这时候对残余应力起主要作用的就是相变。所以说，工件表面残 余应力的产生是有多种形式的，但是最终的大小都是多种应力的向量和。2.4 本章小结本章主要讲述了残余应力的分类与产生的机理，残余应力由于其不同的形 式而有不同的叫法，其中在不同情况下起主要作用的残余应力也不同。残余应 力主要有三部分产生：机械应力产生的残余应力、热应力产生的残余应力和相 变导致体积变化所造成的残余应力。残余应力最终的大小都是各种情况下的向 量和。3切削过程仿真模型的建立3.1 几何模型3.1.1 材料本构模型材料的力学性
26、能用材料本构模型来表述，并且在变形过程中表征了其动力 响应。这些因素的任何改变都会导致流动压力发生重大变化。因此, 材料本构 模型一般表示为流动应力与变形参数 (如应变、应变速率和温度) 之间的数学 函数关系5。材料本构模型是非常重要的，所以建立一个材料本构模型是很有 必要的。在现代塑性加工力学的塑性有限元分析中, 材料的流动应力是输入中 的一个重要参数, 其精度也是提高理论分析可靠性的关键5。对切削数值进行 模拟、预测是零件切削变形的一个重要依据, 只有在大变形的情况下建立应变 速率和温度变化的应力-应变关系, 能够准确地描述材料在加工过程中的塑性 变形规律, 这反过来在某些边界条件下又可以
27、与切削部变形的大小和趋势的负 荷预测。在切削过程中, 切削的应变、应变速率和温度都是是不均匀分布的，当工 件处于应变、高温、塑性变形时。因此，本构方程可以反映应变，应变率和温 度对材料流动应力的影响的切削模拟具有重要意义。只有 Johnson-Cook 模型描 述了高应变率下热粘塑性变形的行为。JohnsonCook 模型可以表明该材料的 许多特性，JohnsonCook 模型表达式如下：e T - T s = (A + Ben ) 1+ C ln 1- r （3.1）e0 Tm - Tr 上述表达式中，A,B,n,C,m 都是常数，是由其自身材料性质决定的； Tm 为材料 的熔点； Tr 为
28、室温；e0 为参考应变速率。3.1.2 材料失效准则运用剪切失效模型来达到切屑分离。剪切失效模型对应于等效塑性应变， 在其积分点上的值就相当于前者的效果，当损伤参数达到 1 时，网格单元就会 失效，失效表达式如下：plplw=e0 +Depl（3.2）efplplpl式中：w就是失效参数，e0是塑性应变的初始值，Depl是塑性应变的增量，ef是失效时的应变值。失效应变值e0的定义如下：根据塑性应变率，对其压应力和偏心应力的比 p/q(p 为压应力，q 为 Mises 应力)。图 3.1 是该材料遭到应力应变破坏的特征图。弹塑性材料在各方面都强化的情况下有两种破坏形式：弹性的软化和屈服应力的退化
29、图 3.1 中显示的实 线代表了已经被破坏的应力应变的材料响应，而虚线就没有破坏时候的应力应 变响应。pl图 3.2 中sy 0 和e0pl图 3.1 损伤退化应力应变为材料开始损伤时的屈服应力和等效塑性应变。失效的pl等效塑性应变是ef。材料失效时的等效塑性应变ef依赖于单元的特征长度，不能作为描述材料损伤演化的准则。相反，材料损伤演化的准则又等效塑性位pl移 u 或者断裂耗散能量 Gf 决定。当材料开始破坏，应力-应变曲线不能准确地描述材料的行为。这种应力- 应变曲线继续应用导致应变集中，且变化太依赖于网格的建模绘制，使消耗的 能量随网格变得致密。采用应力-位移响应曲线的分析来减少对电网
30、的依赖特征 的破坏过程是 Hillerborg 能量衰竭的方法。脆性断裂的概念是用来定义能 GF 的 材料参数。这样的损伤软化效果的应力位移响应而不是胁迫的响应。破坏能量 有下式表示：epl=f Ls dplplpl = u f s du（3.3）Gf ply e0ye0pl表达式中的 u 为等效塑性位移，描述了损伤裂纹开始后屈服应力的变化，在损plplpl伤开始之前 u =0.在损伤开始之后 u = Le ，积分点相关单元的损伤特征长度L，单元特征长度基于所设定的单元形状的定义，平面单元长度是积分点单元区 域面积的平方根，对于立方体单元长度则是积分点区域体积的立方根。基于有效塑性位移定义损伤
31、演化用 Linear 方法定义即如下图所示：图 3.2 线性损伤演化19plpld =Leuplpl（3.4）u fu fplpl该准则使有效塑性位移达到 u = u f时，材料的刚度完全丧失，模型的失效网格自动被删除，也就是材料会在此时断裂，切屑开始形成。3.1.3 工件与刀具材料工件材料为 Ti6Al4v 钛合金，密度 r=4.43?10-9t/mm3 泊松比=0.33 其他 参数如表 2.1 所示。刀具使用的是碳化钨，密度 r=1.19?10-8t/mm3，泊松比=0.25 其它参数如下表材料表 3.1Johnson-Cook模型材料参数A(MPa)B(MPa)nm熔化温度(K)Ti6A
32、l4V109810920.931.11630杨氏模量 (MPa)表 3.2 刀具材料参数比热泊松比(J/gK)导热率 (W/mmK)6.51050.251.5109353.1.4 摩擦模型在金属切削刀具前刀面的摩擦状态中的处理是很复杂的，常常前刀面摩擦分为粘合区和滑动区，粘合区摩擦状态与材料的临界剪切应力相关联，滑动区 域可以被认为到恒定的摩擦系数下式可以使用：tc = min(msn ,ts )(3.5)式中：tc 为接触面的滑动剪切应力；m为摩擦系数；sn 为接触面上的压力；ts 为材料的临界屈服压力。3.2 建立部件3.2.1 创建部件打开 ABAQUS 软件，在主菜单中选择部件，下拉菜
33、单选择创建。在弹出的对 话框中模型空间选择三维空间，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。(本文仿真过程中单位默认为 mm、N、 s)在随后出现的草图绘制模块中，建立一个 30mm10mm 的四边形，点击完成 输入拉伸深度 5mm,然后完成工件的创建。3.2.2 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 3.3 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，分割出切削区域。图 3.3 工件创建分区3.2.3 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
34、择 50。进入草绘 绘制模板中，按照图所示 3.4 尺寸绘制，然后拉伸深度 3mm,完成后对刀具进行 倒角，倒角半径 0.05mm。刀具如图 3.5 所示。 图 3.4 刀具草图图 3.5 刀具模型3.3 网格划分3.3.1 工件网格划分在模块中选择网格，为边布种，选择上下四条长边，选择按个数布种，种 子数为 150，完成后用同样的方法给上下四条短边布种，种子数 25。切削层上 边的四条竖直短边种子数为 10，切削层下边四条竖直边偏移选择单精度，尺寸 控制单元数 8，偏心率 10，确定后点击为部件划分网格选择是完成对工件的网 格划分，如图 3.6 所示。图 3.6 工件网格化在主菜单界面中选择
35、网格，选择下拉菜单中的控制属性选项，在弹出的选 项中选择六面体，技术选择结构，点击确定完成控制属性的设置。下一步的重 要步骤是单元类型的设定。在菜单栏中选择网格，然后选择类型，框选整个零 件后点击确认。弹出图 3.7 所示的对话框，在元素库中选择温度一位移藕合的 元素族形式，几何次数选择线性。选择六面体，分析类型三维应力，其余设置 为默认，点击确认按钮完成元素类型设定。图 3.7 单元类型设置3.3.2 刀具网格划分在网格模块的 Part 下拉菜单中选择调入刀具零件，如图 3.8 所示前刀面和 后刀面使用按尺寸撒种，其他边采用均匀撒种。对刀具的底边和斜边进行布种， 然后点击为部件划分网格，完成
36、对刀具的网格划分。控制属性和单元类型跟工 件一致。图 3.8 刀具布种3.3.3 创建网格部件选择工件，在菜单中选择网格，在下拉菜单中选择创建网格部件，点击确 定完成工件网格部件的创建，如图 3.9 所示，同理创建刀具网格部件，如图 3.10 所示。图 3.9 工件网格部件图 3.10 刀具网格部件3.4 创建材料3.4.1 定义各零部件的材料参数进入属性模块，选择创建一个新的材料。新材料取名为 Ti6Al4V，在通用 选项中，输入密度 4.4310-9t/mm3。在力学弹性选项中，分别设置杨氏模量和泊 松比的值为 1.1105t/mm3 和 0. 33。选择力学，在塑性选项中选择 Johns
37、on-Cook， 这个选项代表金属材料塑性行为的本构方程。不同本构方程的结果会有很大不 同，所以要根据自己的仿真选择合适的选项。按照图 3.11 所示的数据行输入各项参数;点击图 3.11 中的子选项按钮，在弹出的下拉菜单中选择依赖于变化率， 同样在硬化选项中选择 Johnson-Cook,然输入 C 的值 0.014，Epsilon dot zero 的 值 1，这些参数设定了应变率对材料性能的影响。图 3.11 工件材料塑性设置选择力学，延性金属损伤，复选 Johnson Cook 损伤，如图 3.12 输入参数， 然后选择如图 3.12 所示的子选项，点选损伤演化，破坏位移填写 0.2m
38、m。然后 将比热 6.7108 J/gK，热传导率 6.6 W/mmK，膨胀系数 910-6/K 依次都填写完 成。点击确定，完成材料 Ti6Al4V 的参数设定。同样的办法创建一个新的材料， 将密度 1.19108t/mm3，比热 1.5109 J/gK，传导率 35，杨氏模量 6.5105MPa， 泊松比 0.25 输入完成刀具材料的创建。图 3.12Johnson Cook 损伤3.4.2 设置截面属性打开属性模块然后选择创建截面，在类别选项中选择实体，在 T 类型选项 中选择均质，然后继续。在材料选项中选择金属材料 Ti6Al4V,点击确定完成此 截面的设置。用以上同样的方法创建一个新
39、的截面名称为 Section2，唯一不同 的设置是在材料选项中选择金属材料 WC。点击确定完成此截面的设置。此时 打开截面管理器，应该看到有两个已定义的截面如图 3.13 所示。图 3.13 截面设置3.4.3 赋予截面材质在属性模块中点击部件 work-mash-1，点击指派截面，框选整个工件，点 确定出现对话框，在截面中选择 Ti6Al4V 确定，完成截面指派。同样的步骤， 在截面选择 WC，完成刀具截面的指派。3.5 模型装配在装配模块中点击 Create Instance 对话框中选中刀具和零件的网格部件， 确定后刀具和工件就会出现在主窗口中，然后根据平移、旋转等操作完成对刀 装配工作
40、如图 3.14 所示。图 3.14 装配图3.6 定义分析步和定义输出3.6.1 定义分析步进入分析步模块，选择创建分析步，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设置时间为 0.01，其它选项全部设置为默认， 点击 OK 完成编辑分析步。3.6.2 定义输出项打开输出项管理器。在主菜单中选择输出 ，选择场输出请求，在弹出的场 输出请求管理器中选择需要的输出变量选项。打开 F- Output-1 的子项状态，出 现如图 3.15 所示的场输出请求编辑界面。在场输出管理器中除了需要的输出选 项外其他的都用默认项，然后确认输出请求。随后定义一个 H- Output-1，
41、选择 好需要的输出选项，然后退出输出项管理器。图 3.15 场输出设置3.7 定义表面和接触3.7.1 定义接触面选择相互作用模块，创建相互作用，选择表面与表面接触然后继续，进入 如图 3.16 所示页面，点选工件切削层和刀具的前后刀面，力学约束选择罚接触 方法，滑移公式选择有限滑移，然后确认完成设置。图 3.16 刀具与工件的相互作用3.7.2 定义接触属性点击创建相互作用接触属性，选择接触后进入新的对话框，点击选择力学，切向行为，摩擦公式选择罚，摩擦系数为 0.1。3.7.3 定义刀具的刚体约束点击创建刚体约束，选择刚体继续，进入约束编辑，区域类型选择体，拾 取整个刀具，参考点选择 RP
42、点，如图 3.17 所示。图 3.17 刀具刚体化设置3.8 定义边界条件和载荷3.8.1 定义约束边界条件在载荷模块中，选择创建边界条件，名称命名为 fix，类别选择力学，分 析步类型选择对称反对称完全固定，然后继续编辑边界条件，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 3.18 所示，点击确定完成工件的边界设定，如图 3.19 所示。 图 3.18 工件的边界条件设置图3.19 工件被约束重复上一步的创建边界条件，选择速度角速度，区域拾取刀具的 RP 点， 参数如图 3.20 所示。幅值 Amp-1 参数设置如图 3.21 所示。 图 3
43、20 刀具速度设定图 3.21 幅值设置3.8.2 创建温度预定义场在载荷模块中点创建预定义场，类别选择其他，分析步选择温度，然后继 续选中整个刀具和工件进入编辑对话框，如图 3.22 所示，完成预定义场的创建。图 3.22 温度场3.9 提交作业并运行计算3.9.1 创建数据检查任务在主菜单进入作业模块。在主菜单中选择创建作业，在弹出的对话框中选 择继续进入编辑任务对话框，在作业类型选项卡中选择完全分析，其它选项全 部默认然后确认完成创建任务。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。273.9.2 提交作业提交完作业后，在作业管理器中，在状态一栏显示了当
44、前任务执行的程度， 当任务执行完毕并且没有错误发生时就可以选择结果进行进一步分析，如图 3.23 所示。图 3.23 作业管理3.10 本章小结本章节详细介绍了材料本构模型的选择以及材料失效准则的原理叙述，然 后介绍了本文仿真模型所用材料的参数，从创建部件开始到提交作业，详细的 讲述了整个切削过程仿真模型的建立。4模拟结果分析4.1 已加工表面残余应力的形成及分析工件表面残余应力分为两种形式：残余拉应力和残余压应力，其产生的机 理主要由机械和热应力以及相变引起的。其中，残余拉应力会使零件疲劳强度 降低，加快零件表面裂纹扩展速率，而残余压应力则会让零件疲劳强度增大， 降低零件表面裂纹扩展速率。在
45、金属切削中，为了提高零件表面质量和保证工 件使用寿命对于已加工表面残余应力的产生及分布规律的研究是非常有必要 的。切削加工完成后，不受外力作用而保持平衡的应力，就是残余应力。切削 加工过程中，工件与刀具接触的地方局部应力非常高如图 4.1 所示。当切削加 工完成后，因为边界条件和热应力依旧存在，工件表面的残余应力值还很高， 并且分布的不太均匀。所以可以通过约束转换把所有接触条件和边界条件都去 除，经过一段时间的冷却之后，工件表面残留的残余应力得到了一定程度的释 放，这时残余应力下降且趋于均匀。图 4.1 切削过程中的应力变化4.2 加工参数对残余应力的影响4.2.1 切削速度对残余应力的影响切削深度为 1.25mm 不变，刀具前刀角和后刀角都为 10 ，切削速度 w 为3000mm/s 时，切削残余应力如图 4.2 云图所示，已加工表面残余应力开始较小， 中间较大，在加工快要结束时，残余应力又开始降低，整体应力变化幅度小， 频率快。开始时残余应力主要集中分布在加工区域与未加工区域的分界线上， 临近结束时比较均匀的分布在已加工面上，未加工区域几乎没有残余
