硬脆材料车削的三维有限元仿真分析
文献综述
摘要：有限元分析软件，是20世纪力学学科对科学技术的贡献之一。有限元分析技术作为重要的数值实验方法在工程科学技术的众多领域有着极其重要的用途，并且为传统实验方法所不能解决的一些极端条件下的实验课题研究提供了新方案。ABAQUS做为一款功能强大的用于工程模拟的有限元分析软件，其不仅可以解决简单的线性分析也可以解决非常复杂的非线性问题。除了解决大量的结构问题，还可以模拟典型工程材料的性能，包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料等，在金属切削过程的分析中应用广泛，能够有效地提高生产研发质量，缩短研发周期和节约研究成本，满足具有高度非线性行为CAE分析的要求。
关键词：有限元分析；工程科学技术；工程模拟；金属切削
金属切削是一种加工技术，它是利用包括道具、磨具等在内的切削工具，切除工件和胚料上的多余金属，从而使得工件达到需要的几何形状和尺寸或满足一定的表面质量等。金属切削是切削层金属在刀具前刀面推挤下发生以剪切滑移为主塑性变形,从而形成切屑的过程[1]。而在切削过程中，刀具和刀具角度的选择尤为重要，例如工件材料硬度较低时，应取较大前角，加工脆性材料时应取较小的前角。切削所使用刀具的性能将会直接影响零部件的好坏,不合适的刀具会造成零部件的精密度达不到要求或者是表面粗糙等,这会影响整个机器制造[2]。
在传统的加工实验方法中，对于金属和刀具的切削分析只能通过切削实验的方法，动手操作，不仅费时费力而且成本高，不利于后续工作的有效进行。此外，在传统切削仿真模型中, 工件或刀具模型设置为刚体, 不能有效反映切削过程中工件和刀具在热力耦合作用下的真实状态[3]。有限元分析技术的出现改变了这一状况，其强大的非线性仿真、多场耦合以及众多 CAE工具软件的协同工作的实现为解决复杂工程实际问题提供强有力的工具和方法。随着计算机技术的发展,引入有限元分析法来模拟切削加工过程,能够弥补传统方法的不足,对切削加工过程进行准确的评价和优化,从而提高不锈钢等难加工材料的加工效率和质量,为中国制造2025战略的实施提供支撑[4]。
1金属切削加工有限元仿真的关键技术
1.1材料模型的建立
在机械制造中，有多种获得零件的具体尺寸、形状和表面要求的方法，其中切削是最主要的方法之一，在金属切削的过程中，刀具和工件之间发生相对位移，通过车削、钻削、镗削、铣削、拉削和锯削等不同的工艺方法，切除多余的材料以达到要求。随着刀具和工件的相互作用，产生了大量的切削热和极大的应力，金属材料发生了变形，因此建立一个合适的模型是进行分析的关键。
