犁削-擠壓成形模擬研究

李明 包麗 李東升 周鑫磊 臧鳳吉

【摘 要】文章通過模擬犁削-擠壓成形刀具單齒切削來實(shí)現(xiàn)犁削-擠壓成形的簡化，通過對(duì)犁削-擠壓成形刀具結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)刀具的有限元模型。在UG交互式CAD/CAM系統(tǒng)內(nèi)將犁削-擠壓成形刀具實(shí)體進(jìn)行系列參數(shù)化三維造型，然后借助交互接口實(shí)現(xiàn)實(shí)體造型數(shù)據(jù)的傳遞，并且借助ANSYS Workbench的分析功能最終得到該刀具在工作狀態(tài)中受力的總應(yīng)變和等效彈性應(yīng)變。

【關(guān)鍵詞】犁削-擠壓;刀具設(shè)計(jì);三維有限元仿真;ANSYS Workbench

【中圖分類號(hào)】TG699 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2019）02-0083-03

0 引言

微熱管的吸液芯結(jié)構(gòu)一方面主要決定該熱管的傳熱性能，另一方面微溝槽吸液芯結(jié)構(gòu)的微熱管吻合了電子器件領(lǐng)域短而薄的發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)，加工微精細(xì)溝槽吸液型芯的關(guān)鍵技術(shù)是先進(jìn)的刀具技術(shù)，刀具技術(shù)對(duì)機(jī)械加工質(zhì)量、加工效率有關(guān)鍵性的影響。因此，運(yùn)用犁削-擠壓成形開發(fā)一種具有良好毛細(xì)壓力的吸液芯結(jié)構(gòu)具有重要意義。

1 有限元基礎(chǔ)理論及ANSYS Workbench概述

有限元方法（ Finite Element Method，F(xiàn)EM）是運(yùn)算力學(xué)中的一種常用、重要方法，它首次出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代末至60年代早期，它是一個(gè)綜合了現(xiàn)代經(jīng)典力學(xué)，應(yīng)用性數(shù)學(xué)及計(jì)算機(jī)交互科學(xué)等多門應(yīng)用科學(xué)的學(xué)科。它是由美國教授R.W.Clough于1943年率先提出的。在初期階段，變分性原理是有限元的基礎(chǔ)方法，并以其為核心逐步發(fā)展而來。當(dāng)時(shí)的技術(shù)工程師們率先將有限元應(yīng)用于靜力結(jié)構(gòu)分析中，隨后工程師們便認(rèn)識(shí)到了此種技術(shù)的可延伸性，便將有限元應(yīng)用到全部工程領(lǐng)域，這種延伸涵蓋了從線型系統(tǒng)問題到系統(tǒng)非線性的問題，從靜力剛體平衡到動(dòng)力非平衡問題，從固體彈性力學(xué)拓展到流體動(dòng)力學(xué)、電磁力學(xué)、傳熱力學(xué)等領(lǐng)域。諸多復(fù)雜的實(shí)地工程難題的解決歸功于有限元方法廣泛性和深層次地應(yīng)用。

1.1 有限元法的問題處理思維

有限元法是將三維實(shí)體的模型數(shù)據(jù)（即處理對(duì)象）分散化為有限個(gè)、按有規(guī)律的序列相互聚合的單元組合，以此來一步一步仿真現(xiàn)實(shí)的物體。這樣可以運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，用離散成的有限個(gè)自由度方法來仿真原有的、連續(xù)性的、無限自由度數(shù)的問題，化簡連續(xù)性的、無限的、自由度的分析，最終總結(jié)出的一種數(shù)值分析方法。在待分析的物體建模數(shù)據(jù)離散之后，可以通過分析建模每個(gè)元素來一步一步達(dá)到分析全部物體建模的目的。網(wǎng)格劃分使模型的離散化得以實(shí)現(xiàn)，分離出來的元素模塊被稱為單元。獨(dú)立單元之間用節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)彼此的連接和關(guān)聯(lián)，節(jié)點(diǎn)直接決定了單元體的形狀。作用在單元節(jié)點(diǎn)上的結(jié)構(gòu)作用內(nèi)力被稱為節(jié)點(diǎn)力，作用于節(jié)點(diǎn)處的集中力荷、分布力荷等外部力荷被稱為節(jié)點(diǎn)載荷。

1.2 ANSYS Workbench概述

ANSYS軟件結(jié)合了多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域分析的技術(shù)成果，它們分別是聲場、結(jié)構(gòu)、流體、電磁場域及耦合場分析模塊。同時(shí)，ANSYS能夠?qū)崿F(xiàn)諸多CAD方面的軟件之間的接口交互通信，即使數(shù)據(jù)元的共享和交換得以實(shí)現(xiàn)，是當(dāng)下最先進(jìn)高端的CAD產(chǎn)品之一。ANSYS Workbench擁有ANSYS整體核心產(chǎn)品評(píng)估評(píng)價(jià)的先進(jìn)功能，同時(shí)應(yīng)用先進(jìn)的項(xiàng)目規(guī)劃思想實(shí)現(xiàn)工程過程的監(jiān)控管理，可以應(yīng)用圖表流程的思維實(shí)現(xiàn)構(gòu)造系統(tǒng)分析，使相應(yīng)的應(yīng)用性程序得以激活，各相關(guān)性應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)接口都是獨(dú)立的，Workbench數(shù)據(jù)庫與相關(guān)性應(yīng)用邏輯數(shù)據(jù)庫是能夠通信的。操作者一般是在經(jīng)典Workbench界面下應(yīng)用ANSYS分析軟件，熟練ANSYS的操作者對(duì)于該問題會(huì)有一定領(lǐng)悟，在該模式情況下，處理交換外部數(shù)據(jù)例如CAD交互模型并不是很方便，將工程技術(shù)領(lǐng)域復(fù)雜性3D模型放入ANSYS中，往往由于幾何交互模型失效進(jìn)而使分析計(jì)算無法實(shí)現(xiàn)，而ANSYS軟件構(gòu)建模型功能遠(yuǎn)低于主流的CAD建模軟件，這是ANSYS Workbench軟件后續(xù)產(chǎn)品應(yīng)解決的問題。

2 模擬仿真分析步驟

有限元方法解決問題的基本策略是“位移法”，即以模型的彈性體構(gòu)點(diǎn)位移的法向分量作為最基本求解量的方法。通過求得構(gòu)點(diǎn)的位移法向分量后，再用幾何方程求得應(yīng)變法向分量，最后應(yīng)用物理方程求解得到應(yīng)力法向分量。一般有限元方法求解的步驟大體由整體化分析、單元體分析、結(jié)構(gòu)性離散化3個(gè)方面構(gòu)成。

2.1 整體化分析

整體化分析目的是為了求解整體性剛度矩陣，在導(dǎo)入邊界約束條件之后用以求解出節(jié)點(diǎn)的位移，主要包含下面兩個(gè)方面的研究內(nèi)容。

（1）使整個(gè)節(jié)點(diǎn)向量載荷集成，在離散結(jié)構(gòu)以后，僅僅依靠節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)單元之間的內(nèi)力的交互傳遞，載荷全部集中作用于節(jié)點(diǎn)之上。所以有限單元方法用于結(jié)構(gòu)分析時(shí)，全部作用于單元體上的表面積力、體積作用力、集中作用力必須同效地移動(dòng)到節(jié)點(diǎn)上，相應(yīng)地轉(zhuǎn)化為單元體的對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)荷載，再依照全部節(jié)點(diǎn)的邏輯順序?qū)⑺泄?jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)化成整體的節(jié)點(diǎn)向量載荷。

（2）創(chuàng)建剛度整體矩陣方程，使整體動(dòng)態(tài)平衡方程得以建立。為了得到整體結(jié)構(gòu)的剛度矩陣方程K，需將各單元體的剛度系數(shù)矩陣依照單元體在坐標(biāo)系全局中的布置完成疊加排列，再將作用在各單元體的節(jié)點(diǎn)法向載荷矩陣列組歸納為整體集中載荷陣列組P，最后依照單一節(jié)點(diǎn)的法向受力平衡列出節(jié)點(diǎn)的平衡方程，建立結(jié)構(gòu)的整體平衡方程：

2.2 獨(dú)立單元體矩陣分析

依靠對(duì)獨(dú)立單元體力學(xué)穩(wěn)態(tài)的結(jié)構(gòu)分析，實(shí)現(xiàn)單元體的動(dòng)態(tài)剛度矩陣組Ke的建立。

2.3 整體結(jié)構(gòu)的離散化模型建立

整體結(jié)構(gòu)模型離散化是把整體結(jié)構(gòu)拆分離散成有限化數(shù)量級(jí)的微細(xì)單元，由單元-單元、節(jié)點(diǎn)-單元和彼此之間邊界線連接。離散化是有限元分析方法解決問題的關(guān)鍵步驟，單元網(wǎng)格越精細(xì)，對(duì)應(yīng)的計(jì)算處理精度等級(jí)越高，反之計(jì)算效率一般也會(huì)相應(yīng)地降低。所以，整體結(jié)構(gòu)的離散化處理會(huì)影響到計(jì)算結(jié)果的精度等級(jí)和計(jì)算完成效率。

3 仿真模型的構(gòu)建

犁削-擠壓成形刀具切削加工過程中，因?yàn)閱锡X加工刀具的主切削面位于中心線分布對(duì)稱，在前刀面的反向作用力下，位于前刀面的金屬會(huì)發(fā)生塑性形變，而且會(huì)沿著阻力值最小的方向流動(dòng)，因此位于前刀面附近的接合處，即沿中間切削刃流出的金屬流可能與加工完成表面產(chǎn)生相互接觸或干涉作用，消除干涉作用的有效方法是使切削金屬流沿中間切削刃被拆分流開。

3.1 切削刀具幾何建立

系統(tǒng)選用了UG作為刀具三維造型軟件，通過選用刀具的基本參數(shù)，進(jìn)行優(yōu)化性三維建模，選取犁削-擠壓成形刀具一個(gè)刀齒為分析研究對(duì)象，通過UG中間文件格式，導(dǎo)入ANSYS Workbench進(jìn)行切削模擬分析。

3.2 切削刀具材料定義

刀具材料選用常用的高速鋼材料W18Cr4V，該材料密度是8 260 kg/m3，拉壓彈性模量是225 000 MPa。依照材料全部物理屬性，在有限元Data Engineering界面下定義材料全部物理屬性。

3.3 單元網(wǎng)格精細(xì)劃分

本文應(yīng)用自動(dòng)區(qū)域網(wǎng)格劃分方式（Automatic）對(duì)犁削-擠壓成形刀具單齒進(jìn)行單元網(wǎng)格精細(xì)劃分，有限元軟件自動(dòng)識(shí)別三維模型的復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格精細(xì)化。

3.4 邊界控制條件的加載

刀具刀齒三維模型為簡化后的犁削-擠壓加工成形刀具的單齒建模，載荷主要集中分布于刀刃處，分別為垂直于刀齒方向和平行于刀齒方向的力，依照犁削加工最苛刻的條件（Fx，F(xiàn)z整體集中作用在切削刃處）進(jìn)行切削情況模擬加載。在加載過程中，要在刀齒模型內(nèi)部施加全法向固定性約束。

4 結(jié)論

本文通過模擬實(shí)地犁削-擠壓成形刀具單齒切削來實(shí)現(xiàn)犁削-擠壓成形的簡化和成形加工過程的有限元仿真，總結(jié)歸納出如下3個(gè)重要結(jié)論。

（1）在原有切削模型的前提下，采取模擬犁削-擠壓成形刀具單齒切削來實(shí)現(xiàn)犁削-擠壓成形切削的簡化，大大降低了切削的復(fù)雜性，提高了仿真效率，可結(jié)合仿真結(jié)果進(jìn)行多次仿真方案優(yōu)化，為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)刀具提供必要的理論支撐。

（2）切削刃附近等效應(yīng)變較大，最大值達(dá)0.016 56 mm，說明切削刃附近集中作用的犁削-擠壓力值較大，刀尖處和切削刃附近的強(qiáng)度能夠滿足加工要求。

（3）在刃頂處犁削-擠壓并性較大，最大值可達(dá)0.008 1 mm，這是由于刃頂處單元體處于三向受壓應(yīng)力狀態(tài)，但最值小于許用值，說明刃頂變形不會(huì)對(duì)加工精度等級(jí)造成影響，刀齒也不可能發(fā)生局部的韌性斷裂。

參 考 文 獻(xiàn)

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[責(zé)任編輯：鐘聲賢]