基于正交切削模型的刀具前角对主切削力及切削温度的影响.doc

基于正交切削模型的刀具前角对主切削力及切削温度的影响 合肥工业大学材料科学与工程学院合肥，230009 摘要：在金属切削过程中，刀具的形状直接影响金属切削质量。近年来，有限元方法在切削加工模拟中得到了越来越广泛的应用，在研究切削工艺参数及切屑成形机理方面有着不可替代的作用。本文利用商业化软件DEFORM 2D建立了二维弹塑性金属正交切削有限元模型，自动对畸变网格进行重划分，通过用不同的刀具前角对金属刀具切削过程进行了数值模拟，分析总结结果，得出刀具切削过程中在不同切削前角时，主切削力、刀具与工件的温度的分布情况。模拟结果与相关研究的实验数据吻合，对选用刀具形状，提高切削表面质量提供了理论依据。本文的研究为后期研制新的刀具材料提供了理论模型，降低实验成本。最后，还对切削工艺有限元数值模拟的发展方向作了探讨。 关键字：弹塑性 有限元 刀具前角 数值模拟 正交切削 Abstract: The geometrical shape of tool has a direct effect on the quality of workpiece in the process of metal cutting. Recently, the finite element method (FEM) has been widely applied in cutting process, and plays an important role in the investigations of technical parameters and chip mechanism. A 2 dimensional elasto-plastic finite element model of metal oblique cutting is developed with a DEFORM 2D in this study .An automatic remesh technique is used to remesh the distortion mesh; a couple of numerical simulations have been developed on the metal oblique cutting process with different tool rake angles, some conclusions are obtained according to the simulation results: the variational rule of cutting force and the temperature distribution of tool-workpiece. Theory foundations are provided to the selection of tool geometry and to improve the surface quality of workpiece. Our study has provided a theorical model for future development of new tool material and could also reduce the cost of experiment. At last, the new trends of FEM simulation for cutting process are predicted. Key words: elasto-plastic finite element model rake angle numerical simulation orthogonal cutting 1 绪论 1．1简介 随着现代机械制造技术的发展，提高切削质量，降低切削成本成为市场竞争的前提。切削过程是一个很复杂的工艺过程，不需要的金属层被不断去除以形成切屑，最终留下与设计精度及尺寸要求相符的产品。切削过程不但涉及到弹性力学、塑性力学、断裂力学，还有热力学、摩擦学等，而且切削质量受到刀具形状、切屑流动、温度分布、热流和刀具磨损等影响[1]。但是，利用传统的解析方法，很难对切削机理进行定量的分析和研究。切削操作人员和刀具制造商往往都是利用试错法(trial-and-error Method)来获取一些经验值，既费时费力，又增加了生产成本，严重阻碍了切削技术的发展[2]。 计算机技术的飞速发展使得利用数值模拟方法来研究切削加工过程以及各种参数之间的关系成为可能。近年来，有限元方法在切削工艺中的应用表明，切削工艺和切屑形成的有限元模拟对了解切削机理，提高切削质量是很有帮助的。这种数值模拟方法适合于分析弹塑性大