基于 ABAQUS 的切削殘余應(yīng)力仿真說(shuō)明書

基于 ABAQUS 的切削殘余應(yīng)力仿真說(shuō)明書,基于,abaqus,切削,殘余,殘存,應(yīng)力,仿真,說(shuō)明書,仿單 I基 于 ABAQUS 的 切 削 殘 余 應(yīng) 力 仿 真 摘 要切削是機(jī)械加工中應(yīng)用最廣泛的一種加工方式，而其加工過(guò)程中工件表面產(chǎn) 生的殘余應(yīng)力是影響加工件質(zhì)量的重要因素。本文針對(duì)切削加工中工件表面產(chǎn)生 的殘余應(yīng)力進(jìn)行研究。分析了切削加工過(guò)程中工件表面殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因及影響因素，根據(jù)切削 的加工的基本原理， 應(yīng)用 ABAQUS 軟件建立了切削的三維有限元仿真模型， 通過(guò)對(duì) 切削過(guò)程中材料變形與斷裂關(guān)系的分析，選擇了 Johnson—Cook 本構(gòu)模型，同時(shí) 完成了模型材料屬性、網(wǎng)格劃分、摩擦和邊界條件等參數(shù)的設(shè)置，建立了與實(shí)際 切削過(guò)程比較相近的有限元仿真模型。對(duì)切削過(guò)程進(jìn)行了有限元仿真，分析了切削過(guò)程中工件表面殘余應(yīng)力的分布 及變化規(guī)律；針對(duì)不同切削深度、不同切削速度時(shí)工件切削表面的殘余應(yīng)進(jìn)行了 分析，獲得了殘余應(yīng)力在各個(gè)方向的分布和變化規(guī)律，以及其沿著深度方向殘余 應(yīng)力的分布及變化規(guī)律。為有效控制切削工件表面及內(nèi)部殘余應(yīng)力分布，提高工 件表面質(zhì)量提供參考關(guān)鍵詞：切削，殘余應(yīng)力，有限元分析，ABAQUSAbstractCutting is one of the most widely used machining methods in machining, and the residual stress generated on the surface of workpiece during machining 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 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, 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 stress 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 change 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 analysis， ABAQUSIII目 錄摘 要 ............................................................................................................................................................IABSTRACT......................................................................................................................................................II1 緒 論..........................................................................................................................................................11.1 背景意義 ...........................................................................................................................................11.2 金屬切削加工概述 ............................................................................................................................11.3 有限元軟件 ABAQUS 的概述 .............................................................................................................21.4 本章小結(jié) ...........................................................................................................................................32 切 削 殘 余 應(yīng) 力 的 產(chǎn) 生 ...........................................................................................................................52.1 殘余應(yīng)力的定義 ...............................................................................................................................52.2 殘余應(yīng)力的分類 ................................................................................................................................52.3 殘余應(yīng)力產(chǎn)生的機(jī)理 ........................................................................................................................52.3.1 機(jī)械應(yīng)力引起的殘余應(yīng)力 ........................................................................................................62.3.2 熱應(yīng)力引起的殘余應(yīng)力 ............................................................................................................62.3.3 相變引起的殘余應(yīng)力 ................................................................................................................62.4 本章小結(jié) ............................................................................................................................................63 切 削 過(guò) 程 仿 真 模 型 的 建 立 ...................................................................................................................83.1 幾何模型 ...........................................................................................................................................83.1.1 材 料 本 構(gòu) 模 型 .........................................................................................................................83.1.2 材料失效準(zhǔn)則 ............................................................................................................................83.1.3 工件與刀具材料 .....................................................................................................................103.1.4 摩擦模型 .................................................................................................................................103.2 建立部件 .........................................................................................................................................113.2.1 創(chuàng)建部件 .................................................................................................................................113.2.2 創(chuàng)建切削平面 .........................................................................................................................113.2.3 創(chuàng)建刀具模型 .........................................................................................................................113.3 網(wǎng)格劃分 .........................................................................................................................................123.3.1 工件網(wǎng)格劃分 .........................................................................................................................123.3.2 刀具網(wǎng)格劃分 .........................................................................................................................133.3.3 創(chuàng)建網(wǎng)格部件 .........................................................................................................................143.4 創(chuàng)建材料 .........................................................................................................................................153.4.1 定義各零部件的材料參數(shù) .....................................................................................................153.4.2 設(shè)置截面屬性 .........................................................................................................................163.4.3 賦予截面材質(zhì) .........................................................................................................................163.5 模型裝配 .........................................................................................................................................163.6 定義分析步和定義輸出 .................................................................................................................173.6.1 定義分析步 .............................................................................................................................173.6.2 定義輸出項(xiàng) .............................................................................................................................173.7 定義表面和接觸 .............................................................................................................................183.7.1 定義接觸面 .............................................................................................................................183.7.2 定義接觸屬性 .........................................................................................................................183.7.3 定義刀具的剛體約束 .............................................................................................................193.8 定義邊界條件和載荷 .....................................................................................................................193.8.1 定義約束邊界條件 .................................................................................................................193.8.2 創(chuàng)建溫度預(yù)定義場(chǎng) .................................................................................................................203.9 提交作業(yè)并運(yùn)行計(jì)算 .....................................................................................................................203.9.1 創(chuàng)建數(shù)據(jù)檢查任務(wù) .................................................................................................................203.9.2 提交作業(yè) .................................................................................................................................213.10 本章小結(jié) ........................................................................................................................................214 模 擬 結(jié) 果 分 析 .....................................................................................................................................234.1 已加工表面殘余應(yīng)力的形成及分析 .............................................................................................234.2 加工參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響 .........................................................................................................234.2.1 切削速度對(duì)殘余應(yīng)力的影響 .................................................................................................234.2.2 切削深度對(duì)殘余應(yīng)力的影響 .................................................................................................264.3 本章小結(jié) ..........................................................................................................................................295 結(jié) 論 與 展 望 .........................................................................................................................................31參 考 文 獻(xiàn) ： ...............................................................................................................................................33致 謝 ..........................................................................................................................................................35附 錄 A RESIDUAL STRESSES.....................................................................................................................3711 緒 論1.1 背景意義從 18 世紀(jì)的工業(yè)革命開始之后， 由于 蒸汽機(jī)和現(xiàn)代機(jī)床的出現(xiàn)， 蒸汽機(jī)被用于切削加工的動(dòng)力。 在 19 世紀(jì)， 切削加工開始使用電力。 金屬切削原理和磨削原理在 19 世紀(jì)相繼被研究。之后就出現(xiàn)了各種各樣的新型材料。到了 19 世 紀(jì)末時(shí)， 高速鋼刀具的切削速度已經(jīng)是碳素工具鋼與合金工具鋼刀具的兩倍多。 然而硬質(zhì)合金刀具比高速鋼的切削速度又提升了兩倍，隨后又出現(xiàn)了金屬陶瓷 和超硬材料，再次提高了切削速度和加工精度。隨著機(jī)床和刀具的發(fā)展，不斷 對(duì)切削加工進(jìn)行了各方面的提高，使得切削加工的應(yīng)用范圍日益增大，更深層 次的促進(jìn)現(xiàn)代機(jī)械制造的完善、發(fā)展。由刀具對(duì)已加工表面的各種作用所造成的綜合作用下，在加工過(guò)程中。刀 具前刀面和切屑間的作用及刀具后刀面和已加工表面間的摩擦等組合作用下， 塑 性 變 形 和 相 變 [3]在 一 定 深 度 會(huì) 出 現(xiàn) 。 這 個(gè) 區(qū) 域 會(huì) 約 束 變 形 的 部 分 向 原 始 狀 態(tài) 恢復(fù)的過(guò)程。因此，殘余應(yīng)力就這樣在工件表層內(nèi)部產(chǎn)生了。這種應(yīng)力與工件 加工精度有非常重要的關(guān)系。零件表面由機(jī)械和熱應(yīng)力及相變引起的殘余應(yīng)力被分為兩種形式：殘余拉 應(yīng)力和殘余壓應(yīng)力。 其中 ， 殘余拉應(yīng)力會(huì)降低零件疲勞強(qiáng)度使得零件表面裂紋 擴(kuò)展速度加快，而殘余壓應(yīng)力會(huì)使零件疲勞強(qiáng)度提高，降低了零件表面裂紋擴(kuò) 展速率 [4]。 為 了 提 高 零 件 的 表 面 質(zhì) 量 和 保 證 工 件 的 使 用 壽 命 ， 所 以 對(duì) 金 屬 切 削 中已加工表面殘余應(yīng)力的產(chǎn)生及分布規(guī)律的研究是很重要的。本文中著重考慮 切削加工表面殘余應(yīng)力的研究， 這對(duì)于已加工表面的表面質(zhì)量有著重要的意義。1.2 金屬切削加工概述金屬切削加工就是為了得到某些形狀從而用工具對(duì)工件進(jìn)行加工。當(dāng)然， 該過(guò)程中要保證尺寸精度和表面質(zhì)量。切削有三個(gè)必要的條件：工件和刀具要 有相對(duì)運(yùn)動(dòng); 刀具材料一定要具備切削性能; 必須給予刀具適當(dāng)?shù)膮?shù)。金屬 切削是由機(jī)床或者手工進(jìn)行切削加工, 主要形式有車、鏜、銑、磨、鉆、刨、 齒輪加工、鉸孔、銼、鋸等等。雖然有非常多樣的形式, 但是這些形式在許多 地方都具有相同的現(xiàn)象和規(guī)律。這些現(xiàn)象和規(guī)律會(huì)讓學(xué)習(xí)各種方法變得更加的輕松。19 世紀(jì)人們開始了對(duì)金屬切削原理的研究。 1851 年， 法國(guó)人 M. Kokkilara 在進(jìn)行切割鑄鐵和其他材料時(shí)第一個(gè)測(cè)量了扭矩，并且說(shuō)出了這個(gè)過(guò)程中要去 做哪些必要的工作。 在 1864 年， 法國(guó)人羅素第一個(gè)對(duì)切削刀具的幾何參數(shù)進(jìn)行了 研 究 。 到 了 1870 年 ， 俄 國(guó) 人 ， 季 梅 對(duì) 切 屑 形 成 的 過(guò) 程 進(jìn) 行 了 解 釋 ， 并 且 提 出了金屬材料被切割的新概念。 直到 1896 年， 塑料變形的概念才被引入了金屬切 削當(dāng)中。 因此， 更加完善了對(duì)切屑的形成的解釋。 1904 年， 英國(guó)人 J.F.尼科爾 森 發(fā) 明 了 第 一 臺(tái) 三 向 測(cè) 力 儀 ， 使 切 削 力 的 水 平 向 前 邁 進(jìn) 了 一 大 步 。 1907 年 ， 美 國(guó) F.W. Taylor 就切削速度對(duì)刀具壽命的影響開始了研究，并且發(fā)表了非常有 名的泰勒公式。 在 1915 年， 俄羅斯 Usachov 將熱電偶插入到切削邊緣附近的小 孔中，測(cè)量工具表面的溫度(通常稱為人工熱電偶法)，就這一理論運(yùn)用大量的 實(shí)驗(yàn)來(lái)發(fā)現(xiàn)和驗(yàn)證溫度與切削條件之間的關(guān)系。從 1924 年到 1926 年，英國(guó)的 赫伯特，美國(guó)的 H. Shore，以及德國(guó) K. Kotvin，都使用該工具在工件之間自 然產(chǎn)生熱電勢(shì)(通常稱為自然熱電偶法)的原理，獨(dú)立地測(cè)量了平均溫度 [1]。從 1938 年到 1940 年， 美國(guó)的 H. Ernst 和 M.E. McCutchen 對(duì)切屑的形成過(guò) 程進(jìn)行了高速顯微鏡下的拍攝，從而找到并對(duì)間歇式切屑和連續(xù)切屑的形成機(jī) 制進(jìn)行了解釋，其主要是摩擦造成的。自 20 世紀(jì) 40 年代以來(lái)，各國(guó)學(xué)者對(duì)前 人的研究成果進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)和發(fā)展，充分利用了現(xiàn)代技術(shù)和先進(jìn)的檢測(cè)手 段，取得了許多新的成果，出版了大量的論文和專著。例如，美國(guó)的 S. Lamaringam 和 J.T. Blake 利用 SEM 在 1972 年使用微切割設(shè)備觀察切屑的形成， 并獲得了用位錯(cuò)力學(xué)解釋切屑形成的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ) [1]。金屬切削加工仍然會(huì)是第二十一世紀(jì)機(jī)械制造的主要處理方法, 以及當(dāng)代 許多領(lǐng)域都對(duì)精密零件提出了較高的要求。金屬切削是一種高溫、高壓、高應(yīng) 變率的復(fù)雜工藝, 在加工表面具有較大的殘余應(yīng)力 [2]。對(duì)于殘余拉應(yīng)力而言主 要會(huì)產(chǎn)生不好的影響，降低零件的疲勞強(qiáng)度，從而導(dǎo)致零件表面出現(xiàn)微裂紋， 這樣就會(huì)降低零件的使用壽命；而殘余壓應(yīng)力也有其造成不好影響的一面。所 以，使得其加工過(guò)程變得難以用解析法分析。1.3 有限元軟件 ABAQUS 的概述ABAQUS 有限元軟件的研發(fā), 被公認(rèn)為世界上最強(qiáng)大的之一, 其中一個(gè)非 線性有限元軟件可以分析各種機(jī)械系統(tǒng), 特別是處理復(fù)雜的力學(xué)和模擬高度非 線性問(wèn)題。 ABAQUS 的建模能力非常厲害還有其豐富多樣的庫(kù), 可以對(duì)任何形狀 進(jìn)行模擬分析。而且 ABAQUS 還有許多材料庫(kù), 可以對(duì)大多數(shù)材料的性能進(jìn)行3模擬, 此外還有其他的優(yōu)點(diǎn), 首先, 其強(qiáng)大的網(wǎng)格細(xì)分能力可以從復(fù)雜模型的 角度分裂成超單元, 然后可以進(jìn)一步劃分為理想的六面體。其次, 其強(qiáng)大的二 次開發(fā)能力與 47 位用戶界面聯(lián)系 , 可以根據(jù)需要編寫任何合適的用戶單元等, 也可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模。 最后, ABAQUS 還提供了一個(gè)非常龐大的模型庫(kù) , 如實(shí) 殼單元、體單元、梁?jiǎn)卧?、剛性單元和彈簧單元等。ABAQUS 有兩個(gè)主要的分析模塊 ABAQUS /Viewer 和 ABAQUS /CAE。在眾多的 分析模塊中， 常用的模塊只有 ABAQUS / CAE 和 ABAQUS / Viewer。 前者是 ABAQUS 的工作環(huán)境的融合，包含建模，互動(dòng)模式、提交作業(yè)和監(jiān)控操作過(guò)程及結(jié)果評(píng) 價(jià)功能，而 ABAQUS / CAE 則是一個(gè)子模塊，包含整個(gè)模型的所有后處理功能。ABAQUS/CAE 是 ABAQUS 交互式的一個(gè)圖形環(huán)境。對(duì)一個(gè)模型的分析過(guò)程大 致是：首先通過(guò)建模功能本身或由其他 CAD 軟件導(dǎo)入要分析的幾何模型，并對(duì) 其劃分網(wǎng)格，定義模型的材料特性參數(shù)，然后根據(jù)要求添加載荷和創(chuàng)建邊界條 件。ABAQUS 具有強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分功能， 而且可以檢驗(yàn)生成的幾何模型網(wǎng)格的正 確與否。生成模型后，然后就可以提交作業(yè)，并對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控和分析，根據(jù)自 己的需要對(duì)其設(shè)置就可以得到想要的結(jié)果。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，仿真軟件可以通過(guò)有限元模擬軟件模擬。要 實(shí)現(xiàn)最終的載體是通過(guò)有限元分析軟件技術(shù)集成的有限元分析，在眾多的有限 元分析軟件中， ABAQUS 非線性分析以其強(qiáng)大的功能和強(qiáng)大的建模功能贏得了廣 大企業(yè)、科技科學(xué)研究機(jī)構(gòu)和高等院校喜愛，逐漸成為軟件工程的第一選擇。 現(xiàn)在 ABAQUS 已經(jīng)在眾多的領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。1.4 本章小結(jié)本章節(jié)主要介紹了金屬切削加工的原理及發(fā)展，講述了切削加工的重要性 及切削件表面殘余應(yīng)力對(duì)加工件表面質(zhì)量的影響。還介紹了本文所用有限元軟 件 ABAQUS，該軟件由美國(guó) ABAQUS 公司研制開發(fā)，描述了該軟件的各種功能、 應(yīng)用及發(fā)展。2 切 削 殘 余 應(yīng) 力 的 產(chǎn) 生2.1 殘余應(yīng)力的定義殘余應(yīng)力就是在沒有外力作用下，物體內(nèi)部自己保持平衡的應(yīng)力。殘余應(yīng) 力有兩種形式，分為殘余拉應(yīng)力和殘余壓應(yīng)力。為了使物體表面殘余應(yīng)力得到 平衡，定義了物體表面的殘余應(yīng)力和內(nèi)部殘余應(yīng)力的符號(hào)正好相反。2.2 殘余應(yīng)力的分類殘余應(yīng)力根據(jù)其影響程度可以分為宏觀應(yīng)力和微觀應(yīng)力。 在 19 世紀(jì)， 宏觀 應(yīng)力被叫做第一類殘余應(yīng)力；而微觀應(yīng)力則被叫做第二類和第三類殘余應(yīng)力。 第一類殘余應(yīng)力是在比較大的范圍內(nèi)或者在材料內(nèi)部晶粒的范圍內(nèi)可以保持平 衡的，大小和方向都可以用機(jī)械和物理方法進(jìn)行檢測(cè)。第一類殘余應(yīng)力對(duì)加工 的工件影響較大，該工件的性能能否達(dá)到要求以及是否合格都會(huì)受到影響。因 此，在實(shí)際的生產(chǎn)中被研究的殘余應(yīng)力一般指第一類殘余應(yīng)力。這樣就可以根 據(jù)加工的需求來(lái)改變，從而讓殘余應(yīng)力更多的偏向有利的方面。殘余應(yīng)力由其產(chǎn)生的原因，可以分為體積應(yīng)力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力。物體由于受到 外部不均勻的機(jī)械作用、熱或者化學(xué)作用產(chǎn)生的應(yīng)力就是體積應(yīng)力。內(nèi)部組織 結(jié)構(gòu)均勻的物體也會(huì)產(chǎn)生這種殘余應(yīng)力。當(dāng)物體內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)不均勻時(shí)所產(chǎn) 生的應(yīng)力叫做結(jié)構(gòu)應(yīng)力，當(dāng)然就算是外部受到均勻的作用也可能出現(xiàn)這種殘余 應(yīng)力。根據(jù)表現(xiàn)的形式可以把殘余應(yīng)力分為拉應(yīng)力和壓應(yīng)力。工件在運(yùn)行時(shí)突然 受到來(lái)自外部的載荷時(shí)，工件承受的實(shí)際載荷就是外部載荷和內(nèi)部的殘余應(yīng)力 之和。這樣的話就會(huì)影響工件的實(shí)際承載能力，在使用過(guò)程中會(huì)造成過(guò)載斷裂 等情況，這樣的突然失效如果是發(fā)生在某些非常重要的部件就會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的后 果。此外，殘余拉應(yīng)力會(huì)使零件表面裂紋的生成和擴(kuò)展速率增快，降低零件的 抗疲勞強(qiáng)度、耐腐蝕性和尺寸穩(wěn)定性等。而殘余壓應(yīng)力在一定程度上則會(huì)提高 零件的抗疲勞強(qiáng)度和耐腐蝕性能。2.3 殘余應(yīng)力產(chǎn)生的機(jī)理5要分析殘余應(yīng)力產(chǎn)生的機(jī)理，在理論上來(lái)說(shuō)定量分析還是有困難，所以只 好對(duì)其進(jìn)行定性分析。造成切削過(guò)程中產(chǎn)生殘余應(yīng)力的關(guān)鍵：主要是由機(jī)械和 熱應(yīng)力所引起的塑性變形。2.3.1 機(jī) 械 應(yīng) 力 引 起 的 殘 余 應(yīng) 力刀具在切削工件材料的過(guò)程中， 與前刀面接觸的區(qū)域會(huì)產(chǎn)生壓縮塑性變形， 而與后刀面接觸的區(qū)域則會(huì)產(chǎn)生拉伸塑性變形。所以，這樣就會(huì)造成在刀具運(yùn) 動(dòng)方向形成殘余拉應(yīng)力。與此同時(shí)，由于刀具的后刀面對(duì)已加工表面的擠壓和 摩擦，這樣就會(huì)造成已加工表面形成了殘余壓應(yīng)力。實(shí)際上在加工過(guò)程中，機(jī) 械應(yīng)力產(chǎn)生的殘余應(yīng)力是由殘余拉應(yīng)力和殘余壓應(yīng)力的向量和。2.3.2 熱 應(yīng) 力 引 起 的 殘 余 應(yīng) 力金屬切削加工時(shí)會(huì)形成三個(gè)變形區(qū)域，由于摩擦和塑性變形的存在，使得 切削區(qū)域有都會(huì)產(chǎn)生大量的切削熱。這些熱量沒有在短時(shí)間內(nèi)散發(fā)掉，所以就 會(huì)造成工件表面會(huì)出現(xiàn)受熱膨脹的現(xiàn)象。但是由于表面的熱膨脹會(huì)受到來(lái)自基 體的束縛從而就會(huì)產(chǎn)生壓縮塑性變形。當(dāng)工件加工完成后，切削熱逐漸散發(fā)， 工件冷卻到室溫，此時(shí)產(chǎn)生壓縮塑性變形的表層區(qū)域就會(huì)在工件表面形成殘余 拉應(yīng)力。2.3.3 相 變 引 起 的 殘 余 應(yīng) 力如果工件在切削過(guò)程中產(chǎn)生的切削熱的溫度高于材料自身的相變溫度，這 個(gè)時(shí)候工件表層就會(huì)在冷卻的時(shí)候發(fā)生相變從而導(dǎo)致工件體積的變化，最終就 會(huì)形成殘余應(yīng)力。然而實(shí)際加工中， 工件表面最終的殘余應(yīng)力都是這幾種殘余應(yīng)力的向量和。 一般情況下，如果刀具切削工件的速度比較低時(shí)，切削完成后冷卻也比較好， 切削時(shí)的溫度也不是太高， 這時(shí)對(duì)殘余應(yīng)力的產(chǎn)生起主要作用的就是機(jī)械應(yīng)力。 當(dāng)?shù)毒咔邢鞴ぜ乃俣缺容^高、切削時(shí)的溫度也較高，這時(shí)候起主要作用的就 是工件表面的熱塑性變形。當(dāng)?shù)毒咚俣冗M(jìn)一步增大，切削的時(shí)溫度達(dá)到了材料 的相變溫度，這時(shí)候?qū)堄鄳?yīng)力起主要作用的就是相變。所以說(shuō)，工件表面殘 余應(yīng)力的產(chǎn)生是有多種形式的，但是最終的大小都是多種應(yīng)力的向量和。2.4 本章小結(jié)本章主要講述了殘余應(yīng)力的分類與產(chǎn)生的機(jī)理，殘余應(yīng)力由于其不同的形 式而有不同的叫法，其中在不同情況下起主要作用的殘余應(yīng)力也不同。殘余應(yīng) 力主要有三部分產(chǎn)生：機(jī)械應(yīng)力產(chǎn)生的殘余應(yīng)力、熱應(yīng)力產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和相 變導(dǎo)致體積變化所造成的殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力最終的大小都是各種情況下的向 量和。73 切 削 過(guò) 程 仿 真 模 型 的 建 立3.1 幾何模型3.1.1 材 料 本 構(gòu) 模 型材料的力學(xué)性能用材料本構(gòu)模型來(lái)表述，并且在變形過(guò)程中表征了其動(dòng)力 響應(yīng)。這些因素的任何改變都會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)壓力發(fā)生重大變化。因此, 材料本構(gòu) 模型一般表示為流動(dòng)應(yīng)力與變形參數(shù) (如應(yīng)變、應(yīng)變速率和溫度) 之間的數(shù)學(xué) 函數(shù)關(guān)系 [5]。材料本構(gòu)模型是非常重要的，所以建立一個(gè)材料本構(gòu)模型是很有 必要的。在現(xiàn)代塑性加工力學(xué)的塑性有限元分析中, 材料的流動(dòng)應(yīng)力是輸入中 的一個(gè)重要參數(shù), 其精度也是提高理論分析可靠性的關(guān)鍵 [5]。對(duì)切削數(shù)值進(jìn)行 模擬、預(yù)測(cè)是零件切削變形的一個(gè)重要依據(jù), 只有在大變形的情況下建立應(yīng)變 速率和溫度變化的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系, 能夠準(zhǔn)確地描述材料在加工過(guò)程中的塑性 變形規(guī)律, 這反過(guò)來(lái)在某些邊界條件下又可以與切削部變形的大小和趨勢(shì)的負(fù) 荷預(yù)測(cè)。在切削過(guò)程中, 切削的應(yīng)變、應(yīng)變速率和溫度都是是不均勻分布的，當(dāng)工 件處于應(yīng)變、高溫、塑性變形時(shí)。因此，本構(gòu)方程可以反映應(yīng)變，應(yīng)變率和溫 度對(duì)材料流動(dòng)應(yīng)力的影響的切削模擬具有重要意義。 只有 Johnson-Cook 模型描 述了高應(yīng)變率下熱粘塑性變形的行為。Johnson—Cook 模型可以表明該材料的 許多特性，Johnson—Cook 模型表達(dá)式如下：? ????? ???????????????(A?????n ) ????1??C ln ??????1???? r ??? （ 3.1）? ?0 ??? ???m ???r ??上述表達(dá)式中，A,B,n,C,m 都是常數(shù)，是由其自身材料性質(zhì)決定的； ?m 為材料 的熔點(diǎn)； ?r 為室溫 ； ?0 為參考應(yīng)變速率。3.1.2 材 料 失 效 準(zhǔn) 則運(yùn)用剪切失效模型來(lái)達(dá)到切屑分離。剪切失效模型對(duì)應(yīng)于等效塑性應(yīng)變， 在其積分點(diǎn)上的值就相當(dāng)于前者的效果，當(dāng)損傷參數(shù)達(dá)到 1 時(shí)，網(wǎng)格單元就會(huì) 失效，失效表達(dá)式如下：??pl pl?0 ? ??pl （3.2）?fpl pl pl式中： ?就是失效參數(shù)， ?0 是 塑 性 應(yīng) 變 的 初 始 值 ， ??pl是塑性應(yīng)變的增量， ?f是失效時(shí)的應(yīng)變值。 失效應(yīng)變值 ?0 的定義如下： 根據(jù)塑性應(yīng)變率， 對(duì)其壓應(yīng)力和偏心應(yīng)力的比 p/q(p 為壓應(yīng)力，q 為 Mises 應(yīng)力)。圖 3.1 是該材料遭到應(yīng)力應(yīng)變破壞的特征圖。彈塑性材料在各方面都強(qiáng)化的情況下有兩種破壞形式：彈性的軟化和屈服應(yīng)力的退化，圖 3.1 中顯示的實(shí) 線代表了已經(jīng)被破壞的應(yīng)力應(yīng)變的材料響應(yīng)，而虛線就沒有破壞時(shí)候的應(yīng)力應(yīng) 變響應(yīng)。pl圖 3.2 中 ?y 0 和 ?0pl圖 3.1 損傷退化應(yīng)力應(yīng)變?yōu)椴牧祥_始損傷時(shí)的屈服應(yīng)力和等效塑性應(yīng)變。失效的pl等 效 塑 性 應(yīng) 變 是 ?f 。 材 料 失 效 時(shí) 的 等 效 塑 性 應(yīng) 變 ?f 依賴于單元的特征長(zhǎng)度，不能作為描述材料損傷演化的準(zhǔn)則。相反，材料損傷演化的準(zhǔn)則又等效塑性位pl移 u 或者斷裂耗散能量 Gf 決定。當(dāng)材料開始破壞，應(yīng)力-應(yīng)變曲線不能準(zhǔn)確地描述材料的行為。這種應(yīng)力- 應(yīng)變曲線繼續(xù)應(yīng)用導(dǎo)致應(yīng)變集中，且變化太依賴于網(wǎng)格的建模繪制，使消耗的 能量隨網(wǎng)格變得致密。 采用應(yīng)力-位移響應(yīng)曲線的分析來(lái)減少對(duì)電網(wǎng)的依賴特征 的破壞過(guò)程是 Hillerborg 能 量 衰 竭 的 方 法 。 脆 性 斷 裂 的 概 念 是 用 來(lái) 定 義 能 GF 的 材料參數(shù)。這樣的損傷軟化效果的應(yīng)力位移響應(yīng)而不是脅迫的響應(yīng)。破壞能量 有下式表示：pl? f L??d pl plpl ???u f ??du （3.3）Gf ??pl y ? ?0 y?0pl表達(dá)式中的 u 為等效塑性位移， 描述了損傷裂紋開始后屈服應(yīng)力的變化， 在損pl pl pl傷開始之前 u =0.在損傷開始之后 u = L???，積分點(diǎn)相關(guān)單元的損傷特征長(zhǎng)度L， 單元特征長(zhǎng)度基于所設(shè)定的單元形狀的定義， 平面單元長(zhǎng)度是積分點(diǎn)單元區(qū) 域面積的平方根，對(duì)于立方體單元長(zhǎng)度則是積分點(diǎn)區(qū)域體積的立方根。基于有??10?效塑性位移定義損傷演化用 Linear 方法定義即如下圖所示：圖 3.2 線性損傷演化pl plL? upl pl （3.4）u f u fpl pl該準(zhǔn)則使有效塑性位移達(dá)到 u = u f 時(shí)， 材料的剛度完全喪失， 模型的失效網(wǎng)格自動(dòng)被刪除，也就是材料會(huì)在此時(shí)斷裂，切屑開始形成。3.1.3 工 件 與 刀 具 材 料工 件 材 料 為 Ti6Al4v 鈦 合 金 ， 密 度 ?=4.43?10-9t/mm3 泊 松 比 μ =0.33 其 他 參 數(shù) 如 表 2.1 所 示 。 刀 具 使 用 的 是 碳 化 鎢 ， 密 度 ?=1.19?10-8t/mm3，泊松比μ=0.25 其它參數(shù)如下表表 3.1Johnson-Cook模型材料參數(shù)材料 A(MPa)B(MPa)n m熔化溫度(K)Ti6Al4V 10981092 0.93 1.1 1630楊氏模量 (MPa)表 3.2 刀具材料參數(shù)比熱泊松比(J/g?K)導(dǎo)熱率 (W/mm?K)6.5×105 0.25 1.5×109 353.1.4 摩 擦 模 型在金屬切削刀具前刀面的摩擦狀態(tài)中的處理是很復(fù)雜的，常常前刀面摩擦d ?11分為粘合區(qū)和滑動(dòng)區(qū)，粘合區(qū)摩擦狀態(tài)與材料的臨界剪切應(yīng)力相關(guān)聯(lián)，滑動(dòng)區(qū) 域可以被認(rèn)為到恒定的摩擦系數(shù)下式可以使用：?c ??min???n ,?s ? (3.5)式中： ?c 為接觸面的滑動(dòng)剪切應(yīng)力； ?為摩擦系數(shù)； ?n 為接觸面上的壓力； ?s 為材料的臨界屈服壓力。3.2 建立部件3.2.1 創(chuàng) 建 部 件打開 ABAQUS 軟件， 在主菜單中選擇部件， 下拉菜單選擇創(chuàng)建。 在彈出的對(duì) 話框中模型空間選擇三維空間，類型選擇可變形，基本特征選擇實(shí)體拉伸，近 似尺寸 100。 點(diǎn)擊繼續(xù)進(jìn)入繪制草圖步驟。 (本文仿真過(guò)程中單位默認(rèn)為 mm、 N、 s)在隨后出現(xiàn)的草圖繪制模塊中， 建立一個(gè) 30mm×10mm 的四邊形， 點(diǎn)擊完成 輸入拉伸深度 5mm,然后完成工件的創(chuàng)建。3.2.2 創(chuàng) 建 切 削 平 面在主菜單選擇工具，在下拉菜單中選擇分區(qū)，如圖 3.3 在出現(xiàn)的對(duì)話框中 選擇邊然后輸入?yún)?shù)，選擇部件的三條豎直邊分割出三個(gè)點(diǎn)，然后根據(jù)三點(diǎn)確 定一個(gè)平面把工件分區(qū)，分割出切削區(qū)域。圖 3.3 工件創(chuàng)建分區(qū)3.2.3 創(chuàng) 建 刀 具 模 型12按 照 以 上 方 法 再 次 創(chuàng) 建 一 個(gè) 三 維 可 變 形 模 型 ， 近 似 尺 寸 選 擇 50。 進(jìn) 入 草 繪 繪 制 模 板 中 ， 按 照 圖 所 示 3.4 尺 寸 繪 制 ， 然 后 拉 伸 深 度 3mm,完成后對(duì)刀具進(jìn)行 倒角，倒角半徑 0.05mm。刀具如圖 3.5 所示。圖 3.4 刀具草圖 圖 3.5 刀具模型3.3 網(wǎng)格劃分3.3.1 工 件 網(wǎng) 格 劃 分在模塊中選擇網(wǎng)格，為邊布種，選擇上下四條長(zhǎng)邊，選擇按個(gè)數(shù)布種，種 子數(shù)為 150，完成后用同樣的方法給上下四條短邊布種，種子數(shù) 25。切削層上 邊的四條豎直短邊種子數(shù)為 10， 切 削 層 下 邊 四 條 豎 直 邊 偏 移 選 擇 單 精 度 ， 尺 寸 控制單元數(shù) 8，偏心率 10，確定后點(diǎn)擊為部件劃分網(wǎng)格選擇是完成對(duì)工件的網(wǎng) 格劃分，如圖 3.6 所示。圖 3.6 工件網(wǎng)格化13在主菜單界面中選擇網(wǎng)格，選擇下拉菜單中的控制屬性選項(xiàng)，在彈出的選 項(xiàng)中選擇六面體，技術(shù)選擇結(jié)構(gòu)，點(diǎn)擊確定完成控制屬性的設(shè)置。下一步的重 要步驟是單元類型的設(shè)定。在菜單欄中選擇網(wǎng)格，然后選擇類型，框選整個(gè)零 件后點(diǎn)擊確認(rèn)。彈出圖 3.7 所示的對(duì)話框，在元素庫(kù)中選擇溫度一位移藕合的 元素族形式，幾何次數(shù)選擇線性。選擇六面體，分析類型三維應(yīng)力，其余設(shè)置 為默認(rèn)，點(diǎn)擊確認(rèn)按鈕完成元素類型設(shè)定。圖 3.7 單元類型設(shè)置3.3.2 刀 具 網(wǎng) 格 劃 分在網(wǎng)格模塊的 Part 下拉菜單中選擇調(diào)入刀具零件， 如圖 3.8 所示前刀面和 后刀面使用按尺寸撒種， 其他邊采用均勻撒種。 對(duì)刀具的底邊和斜邊進(jìn)行布種， 然后點(diǎn)擊為部件劃分網(wǎng)格，完成對(duì)刀具的網(wǎng)格劃分?？刂茖傩院蛦卧愋透?件一致。14圖 3.8 刀具布種3.3.3 創(chuàng) 建 網(wǎng) 格 部 件選擇工件，在菜單中選擇網(wǎng)格，在下拉菜單中選擇創(chuàng)建網(wǎng)格部件，點(diǎn)擊確 定完成工件網(wǎng)格部件的創(chuàng)建， 如圖 3.9 所示， 同理創(chuàng)建刀具網(wǎng)格部件， 如圖 3.10 所示。圖 3.9 工件網(wǎng)格部件圖 3.10 刀具網(wǎng)格部件153.4 創(chuàng)建材料3.4.1 定 義 各 零 部 件 的 材 料 參 數(shù)進(jìn)入屬性模塊，選擇創(chuàng)建一個(gè)新的材料。新材料取名為 Ti6Al4V， 在 通 用 選項(xiàng)中， 輸入密度 4.43×10-9t/mm3。 在力學(xué)彈性選項(xiàng)中 ， 分別設(shè)置楊氏模量和泊 松比的值為 1.1×105t/mm3 和 0. 33。 選擇力學(xué)， 在塑性選項(xiàng)中選擇 Johnson-Cook， 這個(gè)選項(xiàng)代表金屬材料塑性行為的本構(gòu)方程。不同本構(gòu)方程的結(jié)果會(huì)有很大不 同 ， 所 以 要 根 據(jù) 自 己 的 仿 真 選 擇 合 適 的 選 項(xiàng) 。 按 照 圖 3.11 所示的數(shù)據(jù)行輸入各項(xiàng) 參 數(shù) ;點(diǎn) 擊 圖 3.11 中的子選項(xiàng)按鈕，在彈出的下拉菜單中選擇依賴于變化率， 同樣在硬化選項(xiàng)中選擇 Johnson-Cook,然 輸 入 C 的值 0.014，Epsilon dot zero 的 值 1，這些參數(shù)設(shè)定了應(yīng)變率對(duì)材料性能的影響。圖 3.11 工件材料塑性設(shè)置選擇力學(xué)，延性金屬損傷，復(fù)選 Johnson Cook 損傷，如圖 3.12 輸入?yún)?shù)， 然后選擇如圖 3.12 所 示 的 子 選 項(xiàng) ， 點(diǎn) 選 損 傷 演 化 ， 破 壞 位 移 填 寫 0.2mm。 然 后 將比熱 6.7×108 J/g?K， 熱傳導(dǎo)率 6.6 W/mm?K， 膨脹系數(shù) 9×10-6/K 依次都填寫完 成。 點(diǎn)擊確定， 完成材料 Ti6Al4V 的參數(shù)設(shè)定。 同樣的辦法創(chuàng)建一個(gè)新的材料， 將密度 1.19×108t/mm3， 比 熱 1.5×109 J/g?K， 傳 導(dǎo) 率 35， 楊 氏 模 量 6.5×105MPa， 泊松比 0.25 輸入完成刀具材料的創(chuàng)建。16圖 3.12Johnson Cook 損 傷3.4.2 設(shè) 置 截 面 屬 性打開屬性模塊然后選擇創(chuàng)建截面，在類別選項(xiàng)中選擇實(shí)體，在 T 類型選項(xiàng) 中選擇均質(zhì)，然后繼續(xù)。在材料選項(xiàng)中選擇金屬材料 Ti6Al4V,點(diǎn)擊確定完成此 截面的設(shè)置。用以上同樣的方法創(chuàng)建一個(gè)新的截面名稱為 Section2， 唯 一 不 同 的設(shè)置是在材料選項(xiàng)中選擇金屬材料 WC。 點(diǎn) 擊 確 定 完 成 此 截 面 的 設(shè) 置 。 此 時(shí) 打開截面管理器，應(yīng)該看到有兩個(gè)已定義的截面如圖 3.13 所示。圖 3.13 截面設(shè)置3.4.3 賦 予 截 面 材 質(zhì)在屬性模塊中點(diǎn)擊部件 work-mash-1，點(diǎn)擊指派截面，框選整個(gè)工件，點(diǎn) 確定出現(xiàn)對(duì)話框，在截面中選擇 Ti6Al4V 確定，完成截面指派。同樣的步驟， 在截面選擇 WC，完成刀具截面的指派。3.5 模型裝配17在裝配模塊中點(diǎn)擊 Create Instance 對(duì)話框中選中刀具和零件的網(wǎng)格部件， 確定后刀具和工件就會(huì)出現(xiàn)在主窗口中，然后根據(jù)平移、旋轉(zhuǎn)等操作完成對(duì)刀 裝配工作，如圖 3.14 所示。圖 3.14 裝配圖3.6 定義分析步和定義輸出3.6.1 定 義 分 析 步進(jìn)入分析步模塊， 選擇創(chuàng)建分析步， 選擇分析步類型為通用, 動(dòng)力， 溫度- 位移;點(diǎn)擊繼續(xù)進(jìn)入編輯分析步設(shè)置時(shí)間為 0.01，其它選項(xiàng)全部設(shè)置為默認(rèn)， 點(diǎn)擊 OK 完成編輯分