基于ANSYS/LS-DYNA的切削過程有限元模擬

楊洪波，胡三恩，李秀全，李明娜（甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，甘肅蘭州730000）

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基于ANSYS/LS-DYNA的切削過程有限元模擬

楊洪波，胡三恩，李秀全，李明娜
（甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，甘肅蘭州730000）

摘要：金屬切削過程是一個非常復(fù)雜的彈塑性變形過程。本文運用有限元分析理論及彈性力學(xué)理論，充分考慮到材料的本構(gòu)關(guān)系、切屑與材料的分離準(zhǔn)則以及切屑與刀具間的接觸與摩擦，運用數(shù)值仿真軟件LS-DYNA（一款非線性顯式動力學(xué)分析軟件）對切削過程進行有限元分析。結(jié)果表明：切屑的形成過程是材料受到刀具擠壓產(chǎn)生剪切滑移的過程；最大等效應(yīng)力在切削起初迅速增大直至一定值附近波動，此時進入切削穩(wěn)定狀態(tài)；最大等效應(yīng)力隨著切削速度的增大而減小；切削厚度越大，最大等效應(yīng)力越大。

關(guān)鍵詞：金屬切削；本構(gòu)關(guān)系；數(shù)值仿真；最大等效應(yīng)力；剪切滑移

金屬切削加工是切除毛坯件上多余材料的一種機械加工技術(shù)，隨著計算機仿真技術(shù)的發(fā)展，學(xué)者們提出了各種切削模型，并利用仿真軟件切削過程進行有限元分析，得到了切削過程中的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度分布以及刀具鈍角半徑對切削過程的影響[1]，為研究切削機理提供了重要手段。隨著商業(yè)化有限元分析軟件的陸續(xù)上市，免掉了試驗人員編程浪費的寶貴時間[2]，分析更加方便快捷，且具有通用性。

本文利用非線性顯式動力學(xué)分析軟件LS-DYNA仿真不同切削條件下的切削過程，分析切屑速度、切削厚度與最大等效應(yīng)力之間的關(guān)系。

1　有限元模型

1.1幾何模型建立

對于本文中的模型建立使用2維實體單元PLANE162，在ANSYS/LS-DYNA中有Lagrange、Euler和ALE3種算法，其中Lagrange法可使物體結(jié)構(gòu)形狀和單元網(wǎng)格的變化保持一致，材料不會在單元與單元之間發(fā)生流動。建立幾何模型如圖1所示，采用單位制g-cm-μs，取工件長度為15e-2cmX5e-3cm。

圖1　切削幾何模型

1.2材料模型建立

其中刀具為Rigid模型，刀具材料為；工件選用Johnson-cook模型，Johnson-Cook材料模型是一個能反映應(yīng)變率強化效應(yīng)和溫升軟化效應(yīng)的理想剛塑性強化模型[3~6]，工件材料為45鋼，材料參數(shù)見表1。Johnson-cook本構(gòu)方程如下[4~8]：

式中，A、B、n、C、m為材料參數(shù)；σ為vonMises流動應(yīng)力；ε為等效塑性應(yīng)變；為相對等效塑性應(yīng)變率；為等效塑性應(yīng)變率；為準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變率，取0.001s-1。Tm為材料熔點；Tr為室溫。由文獻可知，A= 507MPa；B=320MPa；C=0.28；n=0.064;m=1.06;

Johnson-Cook失效準(zhǔn)則為：

式中，D1、D2、D3、D4和D5為材料參數(shù)；為無量綱塑性應(yīng)變率；p為靜水壓應(yīng)力；σeff為von Mises等效應(yīng)力。

由文獻可知D1 =0.15;D2 =0.72;D3 =1.66;D4 = 0.005;D5=-0.84。

表1　工件和刀具材料參數(shù)

1.3建立有限元模型

在切削刃附近以及工件表面應(yīng)力和應(yīng)變都較其它地方集中，應(yīng)該采用較密的網(wǎng)格劃分，將工件劃分為上下兩部分，上半部分為切削區(qū)。對工件進行網(wǎng)格劃分，得到1875個單元，刀具劃分為50個單元。

1.4加載邊界條件

在切削仿真過程中，工件固定，刀具以某一速度沿某一方向做直線進給，因此對工件有限元模型左端施加X向約束，對工件底部施加X和Y向約束，對刀具則約束其頂端Y方向的位移。刀具與工件接觸類型選用LS-DYNA軟件提供的侵蝕（ES-TS）接觸類型，該接觸需要定義目標(biāo)面與接觸面，其中靜、動摩擦系數(shù)分別為0.15和0.10。假設(shè)工件固定不動，刀具以速度v沿X軸負(fù)方向相對工件運動了極短的時間t，刀具與工件的相對位置決定了在Y方向上的切深a，兩者的相對運動使材料發(fā)生破壞并產(chǎn)生切屑，據(jù)此侵徹模型來模擬切削過程，進行應(yīng)力分析。

2　結(jié)果分析和討論

2.1切屑形成過程

1）對于塑性金屬進行切削加工時，切屑的形成過程就是切削層金屬發(fā)生剪切滑移的變形過程。由仿真結(jié)果圖可見，工件受到刀具切削刃的擠壓，處于剪切滑移線左側(cè)的切削層金屬被擠壓產(chǎn)生彈性變形，而位于剪切滑移線右側(cè)的及其剪切滑移線上的金屬產(chǎn)生不可回復(fù)的塑性變形，隨著切削的進行，塑性變形的材料由切削刃帶離工件表面，形成切屑。由此分析，可以將切削過程劃分為三個過程：1）彈性變形階段；2）塑性變形階段；3）切屑形成階段。

彈性變形階段：刀具剛與工件表面開始接觸，切削層材料被壓縮，發(fā)生彈性變形，如果刀具退出，變形亦可回復(fù)。此階段產(chǎn)生的最大等效應(yīng)力主要集中在刀尖接觸區(qū)，如圖2所示。

圖2　彈性變形階段應(yīng)力云圖

2）塑性變形階段：刀具繼續(xù)前進，切削層材料被進一步壓縮并沿切削刃向上隆起，此時應(yīng)力繼續(xù)增大，逐漸達到彈性極限，材料發(fā)生不可回復(fù)的塑性變形，如圖3所示。

圖3　塑性變形階段應(yīng)力云圖

3）切屑形成階段：刀具繼續(xù)前移，最初發(fā)生剪切滑移的材料在刀具與后續(xù)進入第一變形區(qū)域[1]的工件材料共同擠壓下形成切屑，此時刀尖將隆起的切削層材料帶離工件表面，形成已加工平面。如圖4，5所示，此時最大等效應(yīng)力達到峰值，而后此值將趨于穩(wěn)定，表明金屬切削進入穩(wěn)定切削狀態(tài)。

圖4　穩(wěn)定切削階段應(yīng)力云圖

圖5　最大等效應(yīng)力變化曲線圖

如圖6所示，由仿真結(jié)果得到，切削的結(jié)果得到的是帶狀切屑，這是由于切削厚度較小，切削速度較高，刀具前角較大。根據(jù)試驗情況，改變切削條件也可以得到崩碎狀切屑和擠裂狀切屑。

圖6　帶狀切屑

2.2不同切削深度的最大等效應(yīng)力變化情況

在分析金屬切削過程時，我們?nèi)」ぜ砻嬉韵虏煌疃鹊腁單元和B單元（其中B單元處于A單元以下），分析它們是否具有不同的最大等效應(yīng)力，如圖7所示，圖中A單元和B單元分別具有不同的切削深度，它們的最大等效應(yīng)力都是急劇增大到某一值（迅速進入屈服階段），進入穩(wěn)定切削階段，此后，最大等效應(yīng)力值將穩(wěn)定處于此值附近波動，經(jīng)比較，結(jié)果顯而易見，B單元的應(yīng)力平均值明顯低于A單元。

圖7　不同深度單元應(yīng)力變化曲線

2.3不同切削速度對于最大等效應(yīng)力的影響

在切削仿真中，我們引入不同的切削速度，以此仿真其對最大等效應(yīng)力的影響。經(jīng)過仿真發(fā)現(xiàn)，如圖8所示，隨著切削速度的增大，切削區(qū)的最大等效應(yīng)力顯著增大。

圖8　不同切削速度應(yīng)力變化曲線

3　結(jié)論

1）切屑的形成包括三個階段，即彈性變形階段、塑性變形階段、剪切滑移階段。

2）切屑的分離機理是工件上處于刀尖兩側(cè)的較大的且方向相反的剪切力迫使切屑與工件分離。

3）切削初始，最大等效應(yīng)力急劇增大至材料的屈服極限，隨著切削過程的繼續(xù)，切削層材料被帶離工件表面，達到穩(wěn)定切削狀態(tài)時，最大等效應(yīng)力穩(wěn)定于某一固定值附近。

4）切削深度增大時，最大等效應(yīng)力將相應(yīng)的增大。

5）切削速度越大，最大等效應(yīng)力越大。

6）有限元仿真可以模擬各種工況的切削變形過程，且直觀明了。

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中圖分類號：TG115.6+6