基于Ansys的金属切削过程分析研究毕业设计(论文).docx
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1、江苏科技大学本科毕业设计(论文)江苏科技大学本 科 毕 业 设 计(论文)基于Ansys的金属切削过程分析研究Research on metal cutting process based on Ansys摘要 本文通过对金属切削过程进行深入的理论分析,以材料变形的弹塑性有限元理论为基础,建立了45号钢材料的正交切削有限元分析模型,借助大型商业有限元软件ANSYS强大的大变形分析功能,对45号钢材料正交金属切削过程进行了模拟分析。对切削过程中的两个重要部分:应力场、温度场进行模拟分析。由于在现有的ANSYS软件中,用于切削过程分析中的直接热结构耦合单元较少,且分析过程大多不稳定,难度较大,在本
2、文中分别采用不同的单元类型和分析类型将应力和热分开分析,得到更稳定直观的分析结果。在应力场分析中,讨论了工件的残余应力、残余应变、切削过程中工件、切屑、刀具的应力分布,以及工件与切屑的接触类型,切削分离等问题。在温度场分析中,单独考虑工件与刀具的接触类型,为相对滑动,因此建立了两者的滑动摩擦分析模型,通过模拟切削过程中的摩擦生热,分析了工件和刀具在切削过程中的温度场分布。通过对金属切削过程的模拟研究,能得到直观的变量数据,对深入研究切削机理、设计和选用相关的切削工艺参数提供重要的理论指导和参考依据。关键词:ANSYS;金属切削;有限元;应力场;温度场AbstractMetal cutting
3、process is theoretically analyzed in the paper,Based on the elastic-plastic finite element theory of material deformation,The FEA model of the orthogonal cutting of 45 steel materials is established,With the large commercial finite element software ANSYS powerful large deformation analysis function,
4、A simulation analysis of the orthogonal metal cutting process of the 45 steel material is carried out.Two important parts of cutting process: stress field and temperature field simulation analysis.Because of the existing ANSYS software, the direct thermal structure coupling unit is less, and the ana
5、lysis process is mostly unstable, and it is difficult to process.In this paper, the stress and heat of different element types and analysis types are separately analyzed, and more stable and intuitive results are obtained.In the analysis of stress field, and discusses the workpiece residual should f
6、orce, residual strain, cutting in the process of workpiece and cutting chip, tool stress distribution, and the workpiece and chip contact type, the cutting separation.In the temperature field analysis, the contact types of the workpiece and the cutter are considered separately, and the sliding frict
7、ion model is established,Through the simulation of friction heat in the cutting process, analyzes the distribution of workpiece and cutting tool in the cutting process the temperature field.Through the simulation study on the metal cutting process, intuitive variable data, in-depth study of cutting
8、mechanism, design and selection of the cutting parameters provide important theoretical guidance and reference for.Keywords: ANSYS;metal cutting;FEA;stress field; temperature field目 录第一章 绪论- 1 1.1 研究的目的和意义- 11.1.1研究目的-11.1.2研究意义-2 1.2金属切削过程有限元模拟的国内外研究现状-21.2.1国外研究现状-21.2.2国内研究现状-3 1.3金属切削模拟技术存在的问题-3
9、 1.4 ANSYS-41.4.1简介-41.4.2 ANSYS分析计算流程- 5 1.5本论文的主要工作-6第二章 金属切削理论基础- 7 2.1金属切削变形理论-72.1.1金属切削过程概述-72.1.2金属切削变形的三个变形区域-7 2.2切削力的来源-8 2.3金属切削过程中的应力-9 2.4金属切削温度场理论-112.4.1切削温度场的概述-112.4.2切削热的产生与传出-12第三章 金属切削过程的有限元建模与分析-14 3.1金属切削应力场的有限元分析-143.1.1建立几何模型-143.1.2材料属性及材料的本构关系-153.1.3建立有限元模型与网格划分-163.1.4定义接
10、触对-173.1.5求解设置-18 3.2金属切削温度场有限元分析-203.2.1建立几何模型-203.2.2定义材料属性-203.2.3建立有限元模型与网格划分-203.2.4定义接触对-213.2.5求解设置-22第四章 金属切削有限元分析结果-24 4.1金属切削应力场有限元分析结果-244.1.1切屑等效塑性应变分布-244.1.2切屑等效应力分布-264.1.3刀具的应力分布-29 4.2金属切削温度场有限元分析结果-32第五章 总结与展望-34 5.1总结-34 5.2未来展望-34致谢- 36参考文献- 37V第一章 绪论1.1研究的目的和意义1.1.1研究目的在机械制造行业中,
11、金属切削是一种非常重要的加工方式。数据表明,日本平均每年花费的切削加工相关费用为10000亿日元,美国每年花费在金属切削方面的为1000亿美元。目前,中国拥有各种类型的金属切削机床4000000多台,每年可生产高速钢刀具4.2亿件,在刀具制造过程中,硬质合金的使用量超过5300吨/年。由此可见,金属切削依然是目前世界上加工金属零件的重要手段。大约在1850年,科学家们把目光转移到研究金属切削的过程,逐渐开始了一系列的研究。因为金属切削的过程包含及其复杂的机械原理,其中,会运用到金属材料学、力学原理、物理学、弹-塑性理论、热力学、摩擦学等很多专业知识。而且大部分科学家在过去都会采取实验法来研究,
12、虽然这个方法得出的结论是有一定可信度的,但是由于采用这种方法的实验周期长、成本费用高、稳定性差,长期使用有一定的困难。综合上述原因,可以看出对金属切削过程的研究在国内外的研究中都是难点和重点。切削工艺是根据相关图纸规格,借助刀具在材料表面切除多余不符的材料层,来加工出尺寸大小、形状、表面光滑度与预期符合的工件的一种加工方法。如何充分利用各种数据关系来有效精准的控制加工过程一直是众多学者和工作者研究的重点和难点,随着计算机技术逐渐应用到各种生产工艺中的这一趋势,有限元将会使这项研究有一个突破性的进展。近年来,切削工艺和切屑形成的有限元模拟在切削工艺中的应用表明,有限元方法可以帮助我们有效的分析切
13、削机理,从而提高材料的切削精准度。随着时代的发展和非线性有限元技术的广泛应用,特别是在工程领域成功使用了的数值模拟技术后,使得工件切削过程的数值模拟也成为了可能。应用此方法可以得到比传统方法更为复杂的有限元计算模型。这些模型主要用于计算工件的残余应力、残余应变、温度分布以及预期的切削力等等。模拟切削的关键是切屑形成问题,通过ANSYS14.5中的粘结区模型(CZM),成功地解决了切削分离问题,且操作简便,对于切削分析具有借鉴意义。1.1.2研究意义本文运用相关理论对金属切削过程进行有效合理的分析研究,再通过在ANSYS软件中加入合理的参数进行实验,以材料变形的弹塑性有限元理论为基础,建立了45
14、号钢材料的正交切削有限元分析模型,借助大型商业有限元软件ANSYS强大的大变形分析功能,对45号钢材料正交金属切削过程进行了模拟分析。对切削过程中的两个重要部分:应力场、温度场进行模拟分析。目前,在分析金属成形时,可以用的有限元软件比较多,可是还都不能够直接地模拟出金属切削过程。ANSYS软件是一种通用性很强的有限元分析软件,它具有很强大的前处理、后处理以及求解功能,但是在ANSYS软件中依旧没有能直接用于分析金属切削过程的专用模拟分析模块。本文在实例模拟分析中使用粘结区模型(CZM),成功地解决了切削分离问题。随着ANSYS软件的开发,使用有限元分析来研究相关问题已经是一种趋势、一种公认的研
15、究方法。再加上实验设备种类多、费用大,不容易随意改变实验过程和数据。因此利用ANSYS软件在切削过程中对切削力和切削温度问题进行建模模拟和仿真研究是为研究切削问题提供了另一条简便且可行的途径。通过对金属切削过程的模拟研究,能收集到更真实可信的一系列数据,这样就方便了我们在生产过程中选用的切削工艺参数、设计工艺流程、研究切削机理。1.2金属切削过程有限元模拟的国内外研究现状1.2.1国外研究现状伊利诺伊大学的b.e.klameck(1973)通过大量的实验数据采集,根据大量前人的实验结果,在对金属切削过程的研究中首先提出了一个系统的讨论。同年,Lee和Kobayashi是最先把矩阵法和有限元数值
16、模拟技术运用于在金属塑性成形过程的。TayStevenson和Davis(1974)首次通过正交切削有限元方法计算切屑、工件的温度分布;Zienkiewicz(1979)提出了粘塑性有限元法,并推导出粘塑性高温形成问题的有限元分析函数。从1980年至今,将金属塑性成形过程利用计算机进行模拟,逼近真实实验效果,从开始的电脑演练已经发展到今天的实用阶段,在金属切削过程分析的研究领域里,世界各地的研究人员都对有限元在金属切削分析中的应用进行了大量的研究和实践。1992年,Enkowski和Moon提出了能应用于金属切削模型研究的Euler方程。人们通过应用该方程来建立了金属切削有限元模型并进行了分析
17、,其结果与实际切削过程中的测量值基本是吻合的。美国Ohio大学TAltan教授在塑性金属加工的研究实验和数据研究中,得到了不小的收获,目前该研究团队正致力于对刀具磨损机理和因素的有限元模拟分析。 Marusich和Ortizls(1994)用Lagrange模型对金属切削加工的过程进行了模拟仿真,并首次提到网格自动重划分技术在模拟金属切削过程中的应用,由其提出的方案能很好地解决模拟金属切削过程中网格畸变问题。2006年6月,美国俄亥俄州立大学的Altan带领其研究小组在CIRP举办的金属切削研究会议上,对金属切削的有限元模拟研究现状和成果做了详细的分析,并据此提出了金属切削未来的研究方向。1.
18、2.2国内研究现状随着国外的各类有限元分析软件被引进到国内,以及许多国内专家学者们针对有限元理论和应用软件的研究,国内在金属切削理论的研究和有限元模拟技术在金属切削过程中的应用等问题上都有了很大的进展。国内许多学者在金属切削有限元分析研究中都取得了明显的成果,清华大学的方刚等人把已有的针对金属切削的Lagrange和Euler理论方法运用到对切削加工的有限元模拟分析中,实验结果表明该种方法比单独用其中任意一个原理得到的结果更加完善和准确。董辉跃、孙云杰、王涛等人用有限元法对用于航空的大型整体结构元件的加工变形机理、标准校正和加工时的残余应力进行了分析研究,该研究为实际生产过程提供了非常有价值的
19、结果和参数。哈尔滨工业大学的庄文义、汤敬计等人用有限元法对精密微切削过程进行了分析研究,得到的结果与实际切削中的测量数据很相近,这就进一步证明了有限元法应用于金属切削分析研究的可行性。这些国内学者们的研究过程和成果极大地促进了国内金属切削有限元仿真模拟研究的发展,将已有的传统研究方法有限元法结合在一起,使我们对金属切削机理有了更深入的了解和认知,正是由于人们坚持不懈的分析研究,使当今的切削加工技术有了的飞跃发展和进步。1.3金属切削模拟技术存在的问题综合国内外关于有限元技术在模拟金属切削过程中应用的研究,得知其主要还存在以下问题:(1) 在进行金属切削加工过程的有限元模拟分析时,大多数人在建立
20、有限元模型的时候会设立工件与切屑的分离线来引导工件与切削的分离,虽然用这种方法操作简便且能得到很稳定的分析结果,但其实这是不符合实际情况的。(2) 综合现有的金属切削有限元仿真,我们发现大多数学者都是建立的正交切削模型,而在实际切削过程中,刀具与工件接触并且会相对移动,这使得刀具与工件并不总是正交的,因此这就要求我们要对有金属切削限元模型做进一步完善,使其能更逼真地模拟出实际切削加工的过程。(3) 为了切削加工有限元分析的顺利进行,在设定参数时,我们会提出了各种假设,将切削过程进行了简化,实际上就是简化了许多条件,但这些被简化忽略的因素在实际切削时是会对切削过程产生一些不可忽视的影响的,因此,
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