CN109783968B - 基于多工步的金属切削加工过程的三维有限元仿真方法 - Google Patents

Abstract

一种基于多工步的金属切削加工过程的三维有限元仿真方法，包括以下步骤：(1)建立工件和刀具的三维模型并进行装配；(2)设置动态热力耦合分析步及重启动参数；(3)对模型进行网格划分；(4)设置第一工步中切削的接触属性和边界条件；(5)模型第一次提交运算，提取切削力和切削温度；(6)将第一次运算的结果导入模型，作为第一工步中卸载过程初始条件；(7)设置刀具与工件卸载时的分析步、重启动参数、接触属性和边界条件，并进行重启动计算；(8)提取第一个工步的残余应力；(9)将上一步的计算结果导入模型，作为第二工步的初始条件；(10)提取第二个工步切削力、切削温度和残余应力。该方法仿真精度高，计算速度快，大幅度降低切削实验成本。

Description

基于多工步的金属切削加工过程的三维有限元仿真方法

技术领域

本发明涉及一种金属切削加工过程的仿真分析方法，属于机械加工技术领域。

背景技术

金属切削是机加工领域中至关重要的加工过程，切削加工的质量在很大程度上决定着零件的使用性能。在加工之前，要确定合理的加工参数，改善切削时的切削力、切削温度以及切削后的残余应力等指标，从而获得较优的加工质量。

加工参数确定的传统方法采用的是试切法，该方法要进行大量的切削实验，周期长，效率慢，并会造成资源的浪费，而有限元仿真的方法能很好地解决这些问题。

目前的切削仿真大多数都将切削过程简化为二维平面应变问题，并且只针对单一工步进行仿真。而金属切削过程是一种高度的几何非线性、材料非线性及接触非线性问题，并且伴随着高温、高压以及高应变率的塑性变形。因此，单一工步的二维仿真并不能很好地反应金属切削过程中各项参数的复杂变化。

由于ABAQUS软件在仿真三维切削时，对于有多个分析步的模型容易发生计算不收敛的问题，且软件并不会给出计算错误的提示信息，查找起来十分麻烦。

所以，迫切需要一种既保证了计算过程的准确性又减少了计算时间的基于多工步的三维切削仿真方法，用于模拟和预测切削过程中切削力、切削温度和残余应力等参数的变化规律，从而指导切削加工过程，确定合理的加工参数。

发明内容

本发明针对现有三维切削仿真技术存在的不足，提供一种仿真精度高、能够大幅度降低切削实验成本的基于多工步的金属切削加工过程的三维有限元仿真方法。

本发明的基于多工步的金属切削加工过程的三维有限元仿真方法，包括以下步骤：

(1)根据被加工工件的几何参数和切削参数建立工件的三维模型，切削参数包括进给量(mm/r)和切削深度(mm)；根据工件材料的特性设置工件的材料参数，包括密度、弹性模量、泊松比、热导率、比热容、热膨胀系数、非弹性热份额以及工件的JC本构模型和JC损伤失效模型。

所述JC本构模型：

式中：A为材料在参考应变率和参考温度下的屈服强度；B和n为应变强化系数；C为应变率敏感系数；m为温度软化系数；σ_eq为等效应力；ε_eq为等效应变；

为无量纲等效塑性应变率，

为参考应变率；T^*＝(T-T_r)/(T_m-T_r)，为无量纲温度，T_r、T_m分别为参考温度和材料的熔点，T为当前温度。

所述JC损伤失效模型：

式中：D为损伤参数，D＝0～1，初始时D＝0，当D＝1时材料失效，Δε_p为一个时间步的塑性应变增量；ε_f为当前时间步的应力状态、应变率和温度下的破坏应变，破坏应变ε_f的表达式为：

为无量纲等效塑性应变率，

为参考应变率；T^*＝(T-T_r)/(T_m-T_r)，为无量纲温度，T_r、T_m分别为参考温度和材料的熔点，T为当前温度，D₁、D₂、D₃、D₄、D₅为材料参数，σ^*为应力三轴度。

(2)根据刀具参数建立不同刀具的三维模型，刀具参数包括前角γ₀、后角α₀、切削刃钝圆半径r(mm)，以及刀具的长a(mm)、宽b(mm)、高c(mm)，并将刀具设置为刚体。

(3)将所建立的工件和不同刀具的三维模型按照实际加工条件进行装配，移动工件和刀具到合适的相对位置。

(4)设置第一工步中刀具切削工件过程的分析步，采用动态热力耦合分析，根据切削速度和工件长度设置切削时间，对切削力和切削温度的输出参数进行设置，设置重启动的相关参数。

(5)对建立的模型进行网格划分，其中工件的三维模型采用六面体网格，单元类型为C3D8RT；刀具的三维模型采用四面体网格，单元类型为C3D4T；对工件的被切削部分和刀具的刀尖部分进行网格加密。

对工件的被切削部分进行网格加密是使网格尺寸小于0.05mm。对刀具的刀尖部分进行网格加密是使网格尺寸小于0.02mm。

工件和刀具不参加切削的部分可以采用较大的网格尺寸，以保证计算效率。

(6)设置第一工步中刀具切削工件过程中的接触属性和边界条件。

切削时的接触属性包括刀具与工件的切向接触、法相接触、热生成和导热率。切削时的边界条件包括工件的固定约束、刀具的速度约束以及刀具和工件的温度场。

(7)将模型第一次提交运算，保存计算结果，从中提取切削时的切削力和切削温度。

(8)将第一次运算的结果导入模型，作为第一工步中卸载过程的初始条件；

(9)设置第一工步中刀具与工件卸载时的分析步、重启动参数、接触属性和边界条件，卸载时刀具与工件不发生接触，边界条件保持工件固定，设置刀具速度约束，使刀具退出，将模型提交进行重启动计算；

(10)将上一步的计算结果再次导入模型，作为第一工步中刀具与工件冷却过程的初始条件，设置刀具与工件冷却时的分析步、重启动参数、接触属性和边界条件；接触属性中设置切屑、工件、和刀具表面与空气间的对流换热；边界条件中去除工件的固定约束；将模型提交进行重启动计算，保存计算结果，提取第一个工步的残余应力。

(11)将上一步的计算结果导入模型，作为第二工步中切削过程的初始条件；

(12)设置第二工步中刀具切削工件时的分析步、重启动参数、接触属性和边界条件，除刀具速度和进给量改变外，其它设置条件同步骤(6)，将第二工步的模型提交进行重启动计算，重复步骤(7)-(10)，提取第二个工步切削力、切削温度和残余应力。

上述方法运用有限元仿真技术，建立了工件和刀具的三维模型，考虑了材料的弹塑性本构关系和损伤演化关系。根据切削加工的实际情况，将加工过程分为粗加工和精加工，设立了多个工步，又在每一工步中设置了切削、卸载和冷却的过程，实现了切削加工过程的三维精确仿真。

本发明利用ABAQUS的重启动功能，每个步骤只设置一个分析步，并且可以省略掉二维切削仿真中的“约束转换”分析步，提交运算后将结果文件导入下一步骤，进行重启动运算。这样，既保证了计算过程的准确性，又减少了计算时间，大大提高了仿真的效率。

附图说明

图1是本发明方法的流程图。

图2是本发明中提取的精加工工步的仿真切削力云图与曲线。

图3是本发明中提取的精加工工步的仿真切削温度云图。

图4是本发明中提取的精加工工步的仿真残余应力云图。

具体实施方式

本发明的基于多工步的金属切削加工过程的三维有限元仿真方法，基于ABAQUS有限元软件支持，如图1所示，具体包括以下步骤：

1.根据被加工工件的几何参数和切削参数建立工件的三维模型。

工件长L＝6mm，宽W＝0.8mm，高H＝2mm，粗加工切削层的厚度h1＝0.4mm，精加工切削层的厚度h2＝0.2mm。

根据工件材料的特性，设置工件的材料参数，工件材料为7075铝合金，密度为2.83g/cm³、弹性模量为70.3GPa、泊松比为0.33、热导率157J/m/K、比热容为860J/Kg/K、热膨胀系数为23.5μm/m/K、非弹性热份额为0.9，工件的JC本构模型和JC损伤失效模型如下。

JC本构模型：

(1)式中，A为材料在参考应变率和参考温度下的屈服强度；B和n为应变强化系数；C为应变率敏感系数；m为温度软化系数；σ_eq为等效应力；ε_eq为等效应变；

为无量纲等效塑性应变率，

为参考应变率；T^*＝(T-T_r)/(T_m-T_r)为无量纲温度，T_r、T_m分别为参考温度和材料的熔点，T为当前温度。

其相关参数的值如表1所示：

表1，7075铝合金的JC本构模型参数。

JC损伤失效模型：

(2)式中，D为损伤参数，D＝0～1，初始时D＝0，当D＝1时材料失效，Δε_p为一个时间步的塑性应变增量；ε_f为当前时间步的应力状态、应变率和温度下的破坏应变。破坏应变的表达式为：

D₁、D₂、D₃、D₄、D₅为材料参数，σ^*为应力三轴度。

其相关参数的值如表2所示：

表2，7075铝合金的JC损伤模型参数。

模型参数	D<sub>1</sub>	D<sub>2</sub>	D<sub>3</sub>	D<sub>4</sub>	D<sub>5</sub>
						值	0.059	0.246	-2.41	-0.1	0.147

2.根据刀具参数建立刀具的三维模型，其中刀具前角γ₀＝15°、后角α₀＝9°、切削刃钝圆半径r＝0.02mm，以及刀具的长a＝1mm、宽b＝1mm、高c＝1.4mm，并将刀具设置为刚体。

3.将所建立的工件和刀具的三维模型按照实际加工条件进行装配，其中刀具装配两次，分别作为粗、精加工的刀具，调整工件和刀具的相对位置，使刀尖的底部与工件被切削层的底部在同一水平线上。

4.设置第一工步中刀具切削工件的分析步，包括粗加工和精加工两个工步，每个工步都包括切削、卸载和冷却三个步骤，每个步骤均采用动态热力耦合分析，根据切削速度和工件长度设置切削时间，对切削力和切削温度的输出参数进行设置；设置重启动的相关参数。

5.对建立的模型进行网格划分，其中工件的三维模型采用六面体网格，单元类型为C3D8RT；刀具的三维模型采用四面体网格，单元类型为C3D4T。对工件的被切削部分进行网格加密，网格尺寸小于0.05mm，对刀具的刀尖部分进行网格加密，网格尺寸小于0.02mm，而工件和刀具不参加切削的部分采用较大的网格尺寸，以保证计算效率。

6.设置粗加工工步中刀具与工件切削时的接触属性和边界条件。切削时的接触属性包括刀具与工件的切向接触、法相接触、热生成和导热率，其中切向接触为罚接触，法向接触为硬接触；刀具与工件的接触方式为通用接触；切削时的边界条件包括固定工件的底部，刀具粗加工的切削速度为200m/min，刀具和工件的初始温度设为室温。

7.将模型第一次提交运算，得到粗加工工步中切削过程的仿真结果，计算结果保存在.ODB文件中，从中提取切削时的切削力和切削温度。

8.将第一次运算的结果重新导入模型，作为粗加工工步中卸载过程的初始条件。

9.设置粗加工中刀具与工件卸载时的分析步、重启动参数、接触属性和边界条件，依然采用动态热力耦合分析，卸载时刀具与工件不发生接触，边界条件保持工件固定，设置刀具退出速度为600m/min。将模型提交进行重启动计算。

10.将上一步的计算结果再次导入模型，作为粗加工工步中冷却过程的初始条件，设置刀具与工件冷却时的分析步、重启动参数、接触属性和边界条件。依然采用动态热力耦合分析，接触属性中设置切屑、工件、和刀具表面与空气间的对流换热；边界条件中去除工件的固定约束，刀具速度为0。将模型提交进行重启动计算，计算结果保存在.ODB文件中，提取粗加工工步的残余应力。

11.将上一步的计算结果再次导入模型，作为第二工步-精加工工步中切削过程的初始条件。

12.设置精加工工步中刀具与工件切削时的分析步、重启动参数、接触属性和边界条件，除刀具速度变为300m/min外，其他设置条件同步骤f。将模型提交进行重启动计算，重复步骤7-10，提取精加工工步的切削力、切削温度和残余应力。图2是给出了提取的仿真切削力云图与曲线。图3给出了提取的仿真切削温度云图。图4给出了提取的仿真残余应力云图。

Claims (7)

1.一种基于多工步的金属切削加工过程的三维有限元仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据被加工工件的几何参数和切削参数建立工件的三维模型，切削参数包括进给量和切削深度；根据工件材料的特性设置工件的材料参数，包括密度、弹性模量、泊松比、热导率、比热容、热膨胀系数、非弹性热份额以及工件的JC本构模型和JC损伤失效模型；

(2)根据刀具参数建立不同刀具的三维模型，刀具参数包括前角γ0、后角α0、切削刃钝圆半径r以及刀具的长a、宽b、高c，并将刀具设置为刚体；

(3)将所建立的工件和不同刀具的三维模型按照实际加工条件进行装配，移动工件和刀具的相对位置；

(4)设置第一工步中刀具切削工件过程的分析步，采用动态热力耦合分析，根据切削速度和工件长度设置切削时间，对切削力和切削温度的输出参数进行设置，设置重启动的相关参数；

(5)对建立的模型进行网格划分，其中工件的三维模型采用六面体网格，刀具的三维模型采用四面体网格，对工件的被切削部分和刀具的刀尖部分进行网格加密；

(6)设置第一工步中刀具切削工件过程中的接触属性和边界条件；

(7)将模型第一次提交运算，保存计算结果，从中提取切削时的切削力和切削温度；

(8)将第一次运算的结果导入模型，作为第一工步中卸载过程的初始条件；

(9)设置第一工步中刀具与工件卸载时的分析步、重启动参数、接触属性和边界条件，卸载时刀具与工件不发生接触，边界条件保持工件固定，设置刀具速度约束，使刀具退出，将模型提交进行重启动计算；

(10)将上一步的计算结果再次导入模型，作为第一工步中刀具与工件冷却过程的初始条件，设置刀具与工件冷却时的分析步、重启动参数、接触属性和边界条件；接触属性中设置切屑、工件、和刀具表面与空气间的对流换热；边界条件中去除工件的固定约束；将模型提交进行重启动计算，保存计算结果，提取第一个工步的残余应力；

(11)将上一步的计算结果导入模型，作为第二工步中切削过程的初始条件；

(12)设置第二工步中刀具切削工件时的分析步、重启动参数、接触属性和边界条件，除刀具速度和进给量改变外，其它设置条件同步骤(6)，将第二工步的模型提交进行重启动计算，重复步骤(7)-(10)，提取第二个工步切削力、切削温度和残余应力。

2.根据权利要求1所述的基于多工步的金属切削加工过程的三维有限元仿真方法，其特征在于：所述JC本构模型：

式中：A为材料在参考应变率和参考温度下的屈服强度；B和n为应变强化系数；C为应变率敏感系数；m为温度软化系数；σ_eq为等效应力；ε_eq为等效应变；

为无量纲等效塑性应变率，

为参考应变率；T^*＝(T-T_r)/(T_m-T_r)，为无量纲温度，T_r、T_m分别为参考温度和材料的熔点，T为当前温度。

3.根据权利要求1所述的基于多工步的金属切削加工过程的三维有限元仿真方法，其特征在于：所述JC损伤失效模型：

式中：D为损伤参数，D＝0～1，初始时D＝0，当D＝1时材料失效，Δε_p为一个时间步的塑性应变增量；ε_f为当前时间步的应力状态、应变率和温度下的破坏应变，破坏应变的表达式为：

为无量纲等效塑性应变率，

为参考应变率；T^*＝(T-T_r)/(T_m-T_r)，为无量纲温度，T_r、T_m分别为参考温度和材料的熔点，T为当前温度，D₁、D₂、D₃、D₄、D₅为材料参数，σ^*为应力三轴度。

4.根据权利要求1所述的基于多工步的金属切削加工过程的三维有限元仿真方法，其特征在于：所述步骤(5)中对工件的被切削部分进行网格加密是使网格尺寸小于0.05mm。

5.根据权利要求1所述的基于多工步的金属切削加工过程的三维有限元仿真方法，其特征在于：所述步骤(5)中对刀具的刀尖部分进行网格加密是使网格尺寸小于0.02mm。

6.根据权利要求1所述的基于多工步的金属切削加工过程的三维有限元仿真方法，其特征在于：所述步骤(6)中切削时的接触属性包括刀具与工件的切向接触、法相接触、热生成和导热率。

7.根据权利要求1所述的基于多工步的金属切削加工过程的三维有限元仿真方法，其特征在于：所述步骤(6)中切削时的边界条件包括工件的固定约束、刀具的速度约束以及刀具和工件的温度场。

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