机械制造专业毕业设计英文翻译

摘要

利用数值模拟技术和有限元软件ANSYS,对金属切削加工过程进行了二维的数值仿真,验证了理论分析的正确性。并且对二维的金属切削过程的方法进行了分析和介绍。然后,收集每一次时间间隔的金属切削过程的计算结果,把金属切削加工过程中得到的切削力试验结果与实际的经验结果比较,验证仿真结果的有效性。该方法是新的而且独特的。它的应用将有助于了解动态切削力的起始阶段, 预测力的变化,分析切削工具的抗疲劳、磨损和振动的强度。

关键词：金属切削加工、有限元分析、切削力

1前言介绍

基于现代数学、力学和新颖的数值计算方法,并结合计算机技术，一种新型的数值模拟方法出现了。它被广泛地应用于很多领域，极好地加速了现代工程科学的发展和形成。近年来这项技术在金属切削领域被广泛关注，此技术对金属切削刀具的发展和研究有重要作用。为了研究刀具的切削性能，可以通过仿真分析金属切削的过程的方法获得大量的数据。这不仅使切削刀具的研究和发展 更精确,更可靠,而且也缩短了开发新型刀具的时间降低了制造刀具的成本和实验设备的费用[1]。

在对切削工具研究的初级阶段采用有限元分析方法,但只不过是有限的研究了稳定的金属切削阶段。那也就是说，在分析的几何形状和维切薄片和其他力学边界条件的过程中，金属切削加工过程是稳步的[2]。在实践中,对金属切削过程的分析采用高效率的有限元方法分析应该更好于从普通的一开始就对刀具切削到形成稳定的切割片分析。在开始阶段,加工层将被转化为切薄片而且切削过程将成为一个稳定的塑料流动过程[3]。根据这一理念,这篇文章采用数值模拟金属切削，模拟了从开始切削到稳定切削的过程，分析了刀具上金属切削力的变化情况。

2数学建模、计算基本原则

这个金属切削过程仿真要处理许多地方。但它主要包括以下三个方面：首先,在切削过程中要消减材料的弹性和塑性变形。材料首先开始弹性变形,然后开始塑性变形,最后它会被撕裂,从切割表面被切下形成切谐。整个的切削过程是一个复杂的非线性问题。对于非线性标准模型的屈服准则，流动规则和硬化规则应考虑[4]。这个一般的准则是米塞斯（Von.Mises）屈服准则。它可以被描述成：当材料处于塑性状态时，等效应力为恒定值。也可以用下面的公式给出：

公式中：=等效应力

材料的第一、第二、第三主应力

处于塑性状态的材料将要进入流动状态，对单一应变和的应变方向是由流动规则决定的。公式如下给出：       

公式中：材料的塑性应变

塑性比例系数

应力势函数

    这两个强化规则都是适用的：各向同性强化和随动强化。

在前者强化时，屈服的表面仍然是保持中心的，但是它内部的中心线和扩大的程度会随着塑性剪切应变发展而发展。随动强化假设屈服表面在大小上是保持恒定的，而且在应力空间表面转换渐进性屈服。在这篇文章中多线性各向同性硬化（Multilinear Isotropic Hardening Option）的选择是合理的。MIHO可以由下面的公式给出：

                 公式中：Y=各向同性函数 

除此之外,在切薄片的元素构成上，元素的变化方向和位移将会改变整体模型的刚度。这涉及的几何非线性的资料，几何非线性指的是非线性结构或组件。那也就是说，刚度[K]是位移{U}的一个函数。刚度变化是由于形状变化和/或材料的旋转。他们包括大应变和大挠度。相应于大应变的数学关系式是：

公式中：表示矢量的位移;

 表示变形后的矢量

     表示未发生变形的矢量

与其相应的大挠度的数学关系式是：

            公式中：    表示工程应变

表示应变矩阵

表示单位矩阵

对切削刀具的研究的背景实在几何非线性的条件下,一个正确的解决方案可能源自上述大应变方程(4)和大挠度计算方程(5)。

2.1创建有限元实体模型

因为在加工过程中，刀具的硬度远远高于工件的硬度，刀具和工件几乎被视为分别在变形体内部的刚体模型。在弹性状态刀具材料变形是被的,工件材料的变形涵盖了弹性和塑性变形。所以,在工件的弹塑性模型元素处于大应变时分析其弹性塑性变形,而且在刀具弹性原理适合分析其弹性变形。因为摩擦不仅仅存在与前刀面和切屑之间、主后刀面和工件之间，而且不同的摩擦形式对节点接触表面的切削工具的等效剪切应力是不同的。目标单元和接触单元每一次接触后都会选择模拟，并且控制其摩擦形式。除此之外，模拟切屑的形成过程通过有限元模拟一开始切屑和加工表面的接触，这应该建立在建模的基础上。切屑的脱离条件也应该给出。

为了得到正确的模拟结果，材料模型的建立是非常重要的。通过机械性能实验改变纳米TiN-AlN得到金属陶瓷车刀。它的弹性模量（E）是550Gpa。泊松比(u)是0.3，并且它的抗弯强度是1150~1350Mpa。工件的材料是碳素钢A3，其杨氏模量（E）是210Gpa，泊松比是0.3，抗拉强度（）是520Mpa，屈服点是320Mpa，最大应变 是20%，屈服应变（）是1500u。

以正交切削方法进行单刃切削，创建一个二维有限元切削模型，如图1所示：

图1.二维有限元模型                    图2. 等效应力轮廓显示

  Fig.1. Two-dimensional FEM model for      Fig.2.   Equivalent stress contour display

2.2加载和计算

向左边的位移应用于右边的切削刀具，因此刀具在不同的位移界限条件下以给定的速度移动，这就模拟了切削过程，计算可由有限元软件进行。

起初,对应耦合节点之间的切屑和加工表面被连接在一起，米塞斯的标准被选择作为准则。与刀具的位移联系到一起，塑性应变产生于刀具前端的一个耦合节点上。在每一次的时间间隔内，在耦合节点上的应变都会被计算。当塑性等效应力的值和切除的值相等时，那个节点节点就业被去除了。正式因为耦合节点不断的被切除，切削过程才能模拟出来。

3.分析计算和实验结果

3.1切削力的计算

 通过后处理器和时间推移处理器在有限元软件（ANSYS）中的对比，每一步的计算结果可以被列出。对切削刀具等效应力轮廓的显示如图2所示。并且在刀具和切屑的接触节点区域的等效应力如图3所示：

图3.刀具、切屑接触节点的等效应力             图4.切削力的变化过程

Fig.3 The Equivalent Stress of Nodes in the Tool-chip  Fig.4 Variational Process of Cutting

在正交切削过程的变形,可视为平面应变。主切削力Fc 就是各力合成之后运动方向的切削力。为了获得力Fc的模拟，它的值是由前刀面与切屑之间的力和侧刀面与加工表面之间的力组成的。因此，在切削过程的某个时间段内，刀面上每一个节点运动方向的等效应力都可以叠加到一起来表示主切削力。　　

根据以上设计的方法，切削过程中每一次时间间隔的模拟结果都可以计算，并且每一次时间间隔的切削力都可以用曲线描绘出来，如图4所示的切削过程，切削力线性的由零增加到最大值，然后缓慢的减小值到处于稳定的状态。其主要原因是在初步的切削时，刀具接近工件是逐渐增加的，相应的增加切削长度，而且刀具要克服工件塑性变形。当工件处于塑性变形时，会变得柔软，刀具克服塑性变形消耗的工件要比克服弹性变形消耗工件少的多。这就是切削力逐渐增加的原因，最后切削过程保持稳定，切削力也保持恒定。这个值是平均切削力。理论分析和实验结果表明,用有限元法分析瞬时切削力在初步加工过程中是可以估计的。

3.2实验证明

3.2.1实验条件

切削刀具参数：前角角度12度，后角角度9度，刃前角角度0度。工件的形状是圆柱体。外径是70.6mm，内径是66.55mm，工件的旋转速度是12.5r/min,刀尖距离切削边缘0.5mm。切削过程要在同一个满足正交切削条件的机床上进行。测力器要抵抗应变的。抗应变的仪器的型号是Y60-3A，示波器的型号是SC16。其连线图如图5所示：

图6.实验获取切削力的变化模式

Fig.5 Dynamometer connecting diagram    Fig.6 Variational Pattern of Cutting force obtained through Experiment

3.2.2实验步骤

首先，通过切削刀具将圆柱表面加工平整、光滑.

第二，依靠已经给出的校准曲线对测功器进行调整，校准至标准。

最后，测量切削力，获得切屑力的变化草图。

3.2.3实验结果

实验过程中切削力的变化如图6所示：横轴代表时间，纵轴代表是切削力。切削力变化的显著特征是力的值是从m增加到最大的，然后减少一点。最后保持在一个相对比较稳定的范围内，这样的变化模式和有限元模拟的结果是相似的。

4.结论

切削力在金属的切削过程中是一个重要的参数，计算通常是在稳定的切削学条件下，否则无法观察它的变化。在这篇文章中，以有限元方法模拟金属加工的过程，成功的计算了开始切削时的切削力，仿真的结果通过了实验验证。通过计算结果和实验结果对比，这种计算方法被证明是高效率的。这篇文章明确的研究了从开始切削至稳定切削的全过程，通过这次研究可已估计更多的切削参数，并且有益于对切削力变化、刀具磨损和切削震动的预测。

参考文献

1.工具技术，第10期(2001年),16 ~ 18

2.ANSYS公司，非线性分析手册，1998

3.国外金属切削，9（1998），41~52.

4.金属切削实验技术，中国机械工业出版社，1992.

5.力学切削，中国机械工业出版社，1992.

6.金属切削原理，中国机械工业出版社，1985.