基于有限元法的刀具切削过程的应力应变分析

王娟娟 续富琴

摘  要：刀具切削金属是机械加工中不可或缺的一种加工方式。该技术是每个國家机械加工实力的重要标志，是加工制造业的关键步骤，并且对制造业发展有着至关重要的作用。该文在有限元仿真软件ANSYS的帮助下，建立一套以YT类硬质合金钢切削铝合金的工件为基础的二维直角切削模型，进行数值模拟分析，获得了工件在不同分析步时间长度的应力应变的分布，揭示了整个加工过程中工件应力场、应变等变化规律。

关键词：切削加工  计算机仿真  有限元  应力应变

中图分类号：TG506.5    文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）08（b）-0056-02

刀具切削金属是机械加工中不可或缺的一种加工方式。该技术是每个国家机械加工实力的重要标志，是加工制造业的关键步骤，并且对制造业发展有着至关重要的作用[1]。

该课题基于刀具切削机理，利用有限元分析软件ANSYS，对金属切削过程中不同分析步时间阶段中工件和刀具的应力应变变化进行分析。通过确定材料性能参数，建立工件和刀具的二维直角金属切削材料模型，进而对材料模型施加约束、载荷，通过ANSYS软件进行计算求解，之后选择应力应变云图，通过分析云图得出刀具切削过程中的工件的应力应变变化情况。该方法不仅所需的成本低、效率高，而且可以得到由实验测不出的一些数据结果，比如工件的应力、应变场在每个时间段的变化。

1  建立有限元模型

1.1 建立材料模型

以前角25°、后角8°的位置放YT类硬质合金刀具切削铝合金，从长为4cm，宽为1cm的工件上切削厚度为2mm的切屑为基础，来建立二维正交切削模型。工件采用塑性应变大的VISCO106单元类型模拟铝合金材料，设置弹性模量E=72GPa、泊松比?=0.32;刀具选用PLANE182单元类型模拟YT类硬质合金，设置弹性模量E=600GPa、泊松比?=0.3[2]。

1.2 网格划分

如图1所示的是通过网格划分后的模型，将模型中的工件沿着切削线分成上下两部分，上部划分成100个单元，下部划分成500个单元网格，将刀具分成50个单元[3]。

1.3 定义接触对

定义合理的接触类型、参数是有限元计算准确性的主要因素之一，该课题对通过单面接触的方式对接触条件定义，一般设置两对接触：（1）刀具的前刀面与切屑的底层;（2）工件的已加工表面和刀具的后刀面之间[4]。但工件在前刀面的强烈挤压作用下，切屑底层会被拉长，为了确保仿真模拟更加符合实际情况，因此加入了第三个接触对，即切削线处得切屑底层与已加工表面间的接触。

1.4 施加约束和载荷

为了更好地模拟刀具切削过程，于是要约束工件左端和底部的X和Y方向，约束位移为0，来阻止工件受到刀具运动的影响而移动;另外，由于要模拟刀具水平向左运动，因此只要约束刀具Y方向，使刀具不能沿着Y方向移动，随后在刀具上施加一个向负X方向移动的位移，要想将多余材料切除，所以要使刀具水平移动0.025m，即施加约束为-0.025m，以此来模仿刀具切削工件的动作。

2  结果分析

如图2所示，工件在Time=0.1、Time=1的分析步时间长度的应力应变情况。

图2的（a）（b）分别表示的是在切削过程中的Time=0.1、Time=1分析步时间长度的应力应变分布，颜色的深浅变化程度代表应力应变的变化，图（a）中，工件的最大等效应力为460MPa，最大应变为0.006594;图（b）中，工件的最大等效应力为455MPa，最大应变为0.006532。通过对比分析（a）（b）两幅图的颜色的变化，可以看到较高的应力分布在刀尖附近位置和第一变形区域。这种现象是因为工件在刀具的挤压、摩擦的作用下，第一变形区有较大变形程度造成的。应力从刀尖和工件发生碰撞的地方开始，之后沿着切削线快速扩展，且在第一变形区域形成应力带，该应力带也会随着刀具的运动沿切削线移动，并一直处于切屑上;等效应力也以第一变形区为主，之后向外围逐渐减小。且工件上的最大等效应力主要集中在450～460MPa。

应变同应力云图一样，较大应变也主要在刀尖附近区域和工件的第一变形区，在切屑底部也会形成很大的应变。这是由于刀具和切屑碰撞时，刀具与切屑之间发生剧烈的摩擦，再加上工件受到刀具强烈的挤压作用引起的。另外，工件在接触刀具时，应变从碰刀点处开始产生，随着刀具的切入，切削角向切屑层扩展，形成等效塑性应变层;除此之外，可以发现工件材料的应变变化相对较小。

3  结语

该课题研究了工件的应力、应变场的变化规律。在带状切屑形成的过程中，在刀尖附近区域或第一变形区出现最大等效应力和应变，且等效应力以第一变形区为中点逐渐向四周递减;其在扩展的同时会在第一变形区形成最大的等效应力带;另外，在切屑底部也会形成很大的应变。

铝合金材料在日常有广泛的应用，具有广阔的应用前景，所以对于该材料的加工方法和加工质量的研究将成为今后研究的重点。

参考文献

[1] 吴勃.金属切削加工过程的有限元建模与仿真[D].江苏大学，2016.

[2] 朱江新，夏天，阳平，等.基于ANSYS的金属切削过程模拟[J].广西大学学报，2010，32（11）：106-109.

[3] 舒平生.基于ABAQUS的A357铝合金正交切削加工有限元仿真及其实验研究[J].组合机床与自动化加工技术，2015，23（3）：168-172.

[4] 董丙闯.淬硬钢高速切削有限元分析及刀具参数研究[D].昆明理工大学，2012.