CN105975728A - 一种基于deform的切削仿真模型应变率验证方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于DEFORM的切削仿真模型应变率验证方法，该方法通过比较切削实验与切削仿真中切屑的应变率值，判断用于DEFORM软件的切削仿真模型的准确性，为降低理论计算误差，利用DEFORM软件对切削仿真中切屑的应变率进行直接测量的同时，进行理论计算，获得计算值与测量值的比值作为理论计算结果的校正系数，在切削实验中，通过理论计算方法获得切屑中应变率值，乘以校正系数作为最终计算结果，通过与切削仿真中的应变率测量值相比较，进而对切削仿真模型的准确性进行验证，该方法通过校正系数，消除了理论公式带来的计算误差，提高了模型验证的准确性，且切削实验中切屑中的应变率的计算相对简单，切削仿真中应变率的获得相对方便，使得该方法具有较好的可操作性。

Description

一种基于DEFORM的切削仿真模型应变率验证方法

技术领域

本发明涉及计算机仿真技术领域，更具体地，特别涉及一种基于DEFORM的切削仿真模型应变率验证方法。

背景技术

金属切削加工是一个复杂的非线性问题，涉及到弹性力学、断裂力学、摩擦学、塑性力学等，实际的切削塑性变形区的实时应变、应变率、应力和温度等情况极为复杂，车削实验和解析力学方法都难以直接求解。随着计算机技术的进步，对切削过程进行有限元仿真成为重要的研究方法。DEFORM是一套基于有限元的工艺仿真系统，用于分析金属成形及其相关工业的各种成形工艺和热处理工艺，其中切削模块，可以对车削、铣削、镗削等进行有限元仿真模拟，并可以分析复杂的三维材料流动模型，操作简单，模拟结果准确。但是，对切削过程进行有限元仿真的前提条件是获得准确的切削仿真模型，因此对有限元仿真切削模型准确性进行验证成为有限元仿真前的关键步骤。

目前，切削仿真模型准确性的验证可通过切削温度、切削力等方式进行。切削热及切削温度是金属切削过程中的重要物理现象，可以通过研究切削过程中切削温度场分布及变化规律，判断切削模型仿真过程是否与实际切削过程相吻合。切削温度测量可分为接触式和非接触式，其中接触式测量准确，但实际测量操作过程非常复杂；非接触式较为简单，通过红外测量等都可以实现，但测量准确性不高；切削温度还可以通过热源法进行理论计算，但误差较大，且计算较为复杂。切削力验证需要测量仪，安装校正过程繁琐，且受到切削平台的限制。

发明内容

本发明是针对切削仿真模型验证过程中存在的不便，提出一种基于DEFORM的切削仿真模型应变率验证方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，利用DEFORM软件可以测量材料切屑变形区应变率的功能，通过对切削仿真中切屑的应变率进行测量及理论计算，并把理论计算值与实际测量值相比较，作为校正系数，表示理论计算存在的误差。然后通过理论计算实际切削实验中切屑的应变率值，乘以校正系数作为切削实验中，切屑中应变率值的最终结果，然后与切削仿真中切屑的应变率相比较，验证切削仿真模型的准确性，具体地，包括以下步骤：

1）把需要验证的切削仿真模型导入在DEFORM软件中，设置相应的切削加工参数。

2）对导入的切削模型进行有限元切削加工仿真，通过软件后处理功能，获得切削加工中切屑中的应变率值测量值。

3）测量切削加工仿真中切削厚度（即背吃刀量）a _c 、切屑厚度a _ch 等，利用下述方法对切削加工中切屑中的应变率进行理论计算。

①切削时假定为单一剪切面，r ₀ 为刀具前角，为切削加工中的剪切角，背吃刀量为a _c ，则切削过程中，切削材料的变形系数为：

②根据上述设置的剪切平面，建立其与剪切角的几何关系：

③根据切削速度v、切屑沿前刀面流出速度v _c 、沿剪切面的剪切速度v _s 三个向量构成的封闭三角形，建立之间的联系，由此可得：

④在切削过程中，切屑形成是一个稳定的连续过程，在切屑中会发生较为均匀的剪应变，当切削刃向前移动，切削层中材料中发生剪切应变，其平均值为：

或

或

⑤将上述计算获得的变形系数及应变值代入下式：

即可得到切屑中应变率的平均值：

式中—两滑移平面之间的距离，其值很小。

4）把2）中切屑中应变率的测量值与3）切屑中应变率的理论计算值相比较，获得一个比值，作为校正系数。

5）对相应材料进行切削加工，获得相应切屑，利用显微镜等测量切屑厚度，并根据已知的切削厚度，基于3）中应变率的计算方法，对切削实验中切屑中的应变率进行理论计算，获得应变率的的计算值，并乘以4）中的校正系数，作为最终切削加工切屑中应变率的理论计算值。

6）把2）中获得的切屑中应变率的测量值与5）中获得的切屑中应变率的理论计算值相比较，验证切削仿真模型的准确性。

本发明的优点在于：通过对切屑中应变率的比较，为DEFORM切削仿真模型的验证，提供了一种新的验证方法；通过引入校正系数，消除了理论计算应变率时，因公式原因导致的计算误差，解决了DEFORM切削仿真模型验证的准确性问题；并且该方法借助DEFORM软件功能，通过对切屑厚度及切削厚度的测量，对切屑中的应变率进行理论计算，然后与有限元切削仿真中应变率值进行比对，具有较好的可行性及可操作性。

附图说明

图1是本发明方法步骤流程图。

图2是实施例中DEFORM切削仿真模型在仿真过程切屑中应变率值变化情况。

图3是实施例中切削角度、切屑厚度a _ch 与切削厚度a _c 的关系图。

图4是实施例中剪应变计算式中参数关系图。

图5是实施例中DEFORM切削仿真模型在仿真过程切屑厚度测量情况。

图6是实施例中获得的切屑利用游标卡尺测量厚度。

图7切削仿真中切屑中应变率计算值与测量值。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

下面以铝合金7050-T7451的DEFORM车削模型准确性验证为实施例，对本发明实施步骤做具体说明，

包括以下步骤：

1）把需要验证的切削仿真模型导入在DEFORM软件中，设置相应的切削加工参数。

2）对导入的切削模型进行有限元切削加工仿真，通过软件后处理功能，获得切削加工中切屑中的应变率值测量值，如图2所示。

3）测量切削加工仿真中切削厚度（即背吃刀量）a _c 、切屑厚度a _ch ，利用下述方法对切削加工中切屑中的应变率进行理论计算，其理论基础如图3、图4所示。

①切削时假定为单一剪切面，r ₀ 为刀具前角，为切削加工中的剪切角，背吃刀量为a _c =0.5，通过测量切屑厚度分别为：0.27mm、0.28mm、0.29mm，则切屑平均厚度为0.28mm，则切削过程中，切削材料的变形系数为：

②根据变形系数、切削厚度a _c 与切屑厚度a _ch 及剪切平面及剪切角Φ的几何关系，计算剪切角Φ值，其中r _o 为刀具前角15°。

通过上述两式计算获得剪切角Φ=73°。

③如图4所示，切削速度v、切屑沿前刀面流出速度v _c 、沿剪切面的剪切速度v _s 三个向量根据连续条件，必然构成一个封闭三角形，由此可得：

连续切屑形成是一个稳定的连续过程，在切屑中引起或不均匀的剪应变率，当切削刃从C移至O，切削层中COAB便发生剪切应变率，而成为OAFE，平均剪应变为：

④根据公式

当切削速度为300m/min，式中 —两滑移平面之间的距离，取0.01m。

计算平均应变率速度为

5）同理，在切屑中每相隔10mm，取一个点，利用上述步骤进行计算，共取10个点，理论计算获得切屑中应变率值如表1所示。

表1 切削仿真理论计算值

6）对仿真结果进行处理，可测量切屑中每一点处应变率测量值，如图2所示，获得切削仿真测量值如表2所示，与5）中通过理论计算的计算值相比，获得比值，作为修正系数。

表2 切削仿真测量值

7）获得10组修正系数，如表3所示，取其平均值作为最终修正系数结果，本实施例中的修正系数为0.98。

表3 修正系数

8）对相应材料进行切削加工，利用游标卡尺对切屑厚度进行测量，如图6所示，获得切屑厚度，按照步骤3）对切屑中的应变值进行计算，获得切削加工中切屑中应变率的理论计算值，如表4所示，获得的应变率值乘以修正系数，即为切屑中应变率的实际值。

表3 切削加工中切屑中应变率值

9）把6）中仿真测量值与8）中切削加工中理论计算修正值相比较，，如图7所示比较结果取平均值，可获得切削仿真模型准确性，本实施例中切削仿真模型准确性为89%。

Claims (1)

1.一种基于DEFORM的切削仿真模型应变率验证方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）把需要验证的切削仿真模型导入在DEFORM软件中，设置相应的切削加工参数；

2）对导入的切削模型进行有限元切削加工仿真，通过软件后处理功能，获得切削加工中切屑中的应变率值测量值；

3）测量切削加工仿真中切削厚度（即背吃刀量）a _c 、切屑厚度a _ch 等，利用下述方法对切削加工中切屑中的应变率进行理论计算；

①切削时假定为单一剪切面，r ₀ 为刀具前角，为切削加工中的剪切角，背吃刀量为a _c ，则切削过程中，切削材料的变形系数为：

②根据上述设置的剪切平面，建立其与剪切角的几何关系：

③根据切削速度v、切屑沿前刀面流出速度v _c 、沿剪切面的剪切速度v _s 三个向量构成的封闭三角形，建立之间的联系，由此可得：

④在切削过程中，切屑形成是一个稳定的连续过程，在切屑中会发生较为均匀的剪应变，当切削刃向前移动，切削层中材料中发生剪切应变，其平均值为：

或

或

⑤将上述计算获得的变形系数及应变值代入下式：

即可得到切屑中应变率的平均值：

式中—两滑移平面之间的距离，其值很小；

4）把2）中切屑中应变率的测量值与3）切屑中应变率的理论计算值相比较，获得一个比值，作为校正系数；

5）对相应材料进行切削加工，获得相应切屑，利用显微镜等测量切屑厚度，并根据已知的切削厚度，基于3）中应变率的计算方法，对切削实验中切屑中的应变率进行理论计算，获得应变率的的计算值，并乘以4）中的校正系数，作为最终切削加工切屑中应变率的理论计算值；

6）把2）中获得的切屑中应变率的测量值与5）中获得的切屑中应变率的理论计算值相比较，验证切削仿真模型的准确性。