有限元法应用于切削加工过程的研究现状.docVIP

有限元法应用于切削加工过程的研究现状 传统方法研究金属材料的切削加工技术是依赖于实验分析的，这一方法虽然在数值上接近于实际数值，但是无法从微观上观察和理解切削变形、切屑形成或者刀具磨损等机理，为了弥补此缺陷，随之而来的便是虚拟制造技术[29]。应用有限元仿真方法可以观察加工过程中的物理现象，通过物理或数学模型来模拟实际系统，实现了对参数如温度、应力、变形、磨损量等数值的可视化，还可用来预测材料加工中的表面缺陷，指导刀具的设计与刀具参数的优化，优化切削加工工艺参数等，因此有限元技术的出现对切削过程的研究有十分重大的意义[30]。 为了研究复合材料的切削机理，有限元技术被应用于复合材料切削过程的模拟。国外学者Arola和Ramulu把单向复合材料的切削过程简化为基于有限元理论的正交切削模型，对仿真所得切削力的值与实验值进行了比较，经验证仿真结果与实验结果相近[31]。Mahdi和Zang等人分别建立了复合材料切削二维、三维有限元模型，把其等效为各向同性的金属材料，分析了切削力与纤维方向之间的关系[32,33]。随后，Mahdi和Zang又提出了一种利用ADINA软件研究复合材料加工的准静态方法，切削刀具被视为刚性，工件材料被假定为一个等效的均匀各向异性材料，不考虑摩擦因素[34]。针对颗粒增强复合材料切削过程的研究，悉尼大学Pramanik等人建立了刀具和工件材料二维切削的有限元模型，模拟了切削的变形和刀具与增强材料的相互作用，得出结论：切削加工的表面质量和刀具的磨损的影响因素主要是其增强材料[35]。对于颗粒增强复合材料的表面损伤和切削过程中切削力的研究，Chinmaya等人应用有限元仿真软件建立了工件的三维有限元切削模型，完整的模拟了切削过程，得出的仿真结果与实际结果高度近似[36]。 有关纤维增强复合材料的有限元技术，Budan和Vijayarangan建立了一个有限元模型来预测纤维含量对切削力和分层的影响[37]。GopalaRao等人在模拟复合材料的切削及建模时进行如下假设：假定刀具是刚性的，纤维材料是各向同性的弹性材料，基体材料同样具有弹塑性特征，摩擦因数取值为0.3，为了方便计算，研究者使被加工表面在不干涉的前提下无限接近刀具[38]。为了研究碳纤维复合材料钻削过程中的缺陷，Ozden Isbilir等人利用Abaqus仿真软件建立了三维钻削的有限元模型，该模型提出了破坏和分层的综合模型，主要目的是比较钻头的几何形状对加工孔的缺陷和表面质量的影响[39]。 图1-3 CFRP钻削三维有限元模型 图1-4碳纤维复合材料二维切削模型 Fig. 1-3 3D-FEM drilling model of CFRP Fig. 1-4 2D-FEM cutting model of CFRP 近几年随着钻削模型的发展，钻削模型被应用于机械加工和有限元分析，Chandrasekharan和Gong Ehmann分别建立了钻削加工的模型[40]。西北工业大学的学者针对碳纤维复合材料板，应用Deform-3D仿真软件进行钻削过程的仿真研究，得出了钻削过程中切削力和扭矩的变化规律[41]。V. A. Phadnis等人对碳纤维复合材料板进行三维建模，如图1-3建立了材料的本构模型，对材料进行铺层建模，模拟了麻花钻头钻削碳纤维材料板的过程，应用Abaqus仿真软件进行动力学的仿真，预测了钻削过程轴向力的变化并通过实验与其结果进行对比[42]。Carlos Santiuste 等人对航空用的长纤维复合材料建立了二维切削的有限元模型，主要包括碳纤维复合材料和玻璃纤维复合材料，通过有限元计算分析了在切削加工过程中，纤维方向对轴向力的影响和对加工的表面质量的影响，并通过实验进行验证如图1-4所示[43]。 在我国对复合材料切削加工机理等研究的重点方向仍然是依靠实验手段，特别是碳纤维复合材料，应用有限元技术研究分析切削过程中切削力和扭矩变化还处于起步阶段，然而有限元仿真技术对于复合材料的加工机理的理解和促进其高效、高质量、高精度加工有深远的意义，我国未来的研究方向将从试验手段逐渐转移到有限元仿真技术上[44]。