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维普资讯 学兔兔 第1期 (总第146期) 机 械 工 程 与 自动 化 No．1 2008年 2月 MECHANlCAL ENGlNEERlNG ＆ AUT0MAT10N Feb． 文章编号：1672—6413(2008)O1一O196一O3 有限元分析方法在金属高速加工中的应用 王文凯 (1．东南大学机械．T-程学院，江苏 南京 211189；2．南京．T-业职业技术学院，江苏 南京 210046) 摘要：阐述了高速切削加工技术的优势与发展瓶颈，简述了有限元分析方法在机械工程上的应用，总结分析了 有限元分析方法在切削过程、切削加工表面残余应力计算、切削热和切削温度以及切屑形成机理等高速切削加 工方面的建模和模拟等方面所取得的研究成果及不足，展望了高速切削加工技术的研究方向。 关键词：有限元分析方法；金属高速加工；残余应力 中图分类号：TG3：TBll5 文献标识码：A l 高速切削加工技术的优势与发展瓶颈 分析。 机械加工的发展趋势是高效率、高精度、高柔性 3 有限元分析方法在金属高速加工中的应用 和绿色化，切削加工的发展方向是高速切削加工，它 J．S．Strenkowski预先设置一条分离线来对切屑 已成为切削加工的主流。高速切削加工具有效率高、精 和工件的分离进行建模 ]，Marusich and Ortiz使用显 度高、切削阻力小等优点。但是，随之出现的问题是： 式积分算法和网格自适应策略对高速切削建模H]，Z ①高速切削加工与节省能源之间的矛盾；②缺乏与高 Yang采用弹一刚性耦合有限元模型模拟高速切削过 速切削加工相适应的工艺设计；③高速切削加工中的 程 ]。前期有限元建模对刀具切屑接触、切削热传导等 安全保护措施。高速切削加工迄今仍有许多尚待开发 关键技术都进行了研究，但尚有部分环节的研究仍不深 的领域和亟待解决的课题，高速切削加工技术发展瓶 入，尤其是大变形中的材料本构关系、高速切削过程中 颈的具体化问题主要集中在切削热和切削温度的研 的切屑断裂机制等，这些不成熟的技术环节严重影响了 究、切削加工表面残余应力计算的研究、切削过程的 计算机的模拟精度，高速切削有限元模拟技术急需进一 研究和切屑形成机理研究等方面。 步的研究和完善。浙江大学杨勇等致力于有限元模拟所 2 有限元分析方法在机械工程上的应用 必需的关键技术研究，依据大变形理论和虚功原理对高 有限元法作为一个具有巩固理论基础和广泛应用 速切削过程进行分析，建立了基于拉格朗日描述的有限 效力的数值分析工具，是现代力学、计算数学和计算 元控制方程；通过研究材料动态本构关系、刀屑接触、切 机技术等学科相结合的产物。自2O世纪5O年代以来， 屑分离、切屑断裂和切削热动态耗散与传导等关键技术 有限元法的应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问 建立了正交切削有限元模型，提出材料本构关系建立方 题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定问题、动 法和切屑断裂能量解释观点 ]。 力问题和波动问题。分析的对象从弹性材料扩展到塑 3．1 切削过程的研究 性、粘弹性、粘塑性和复合材料等，从固体力学扩展 在机械制造的研究领域中，对金属切削过程的研 到流体力学、传热学等连续介质力学领域。在工程分 究一直是国内外研究的热点和难点。有限