CN109918743A - 基于abaqus的正交切削中工件表面犁耕力的识别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于ABAQUS的正交切削中工件表面犁耕力的识别方法。(1)建立二维正交微切削仿真模型，模拟仿真微切削中普遍存在的“最小切厚”的现象；(2)依据“最小切厚”现象建立二维正交切削几何模型，识别出工件表面所受犁耕力的大小；(3)对模型进行网格划分，施加约束和运动，设置断裂失效模型，进行多种切深下的有限元仿真；(4)用MATLAB对有限元仿真的数据进行处理，结合切削力解析模型，验证该模型的正确性。通过本发明，可以实时监测切削过程中的工件受到犁耕力的大小，实现了真实切削过程很难获得的犁耕力的提取，对于切削中犁耕机理的研究具有指导意义，同时有益于金属切削中刀具参数的优化设计。
Description
技术领域
本发明属于金属高精加工领域，更具体地，涉及一种基于ABAQUS的正交切削中工件表面犁耕力的识别方法。
背景技术
如图2所示，实际生产加工过程中，由于刀具制造工艺的限制以及加工过程稳定性的需要，刀具刀尖具有一定的半径。上世纪60年代，学者Albrecht,P.打破刀具刀尖半径为0的“理想化刀尖”的假设，提出区别于剪切机理的犁耕机理。如图3所示，Albrecht,P.将犁耕作用定义为刀具刀尖对工件的作用，在犁耕力的作用下，位于刀尖周围的工件材料大部分形成切屑，小部分形成工件的表面。这部分形成工件表面的金属对工件的表面质量具有重要影响，例如残余应力，加工硬化，表面粗糙度以及尺度效应。
犁耕作用导致未变形切屑不能全部从工件中被切除，在微观切削中具体表现为“最小切厚”的存在。最小切厚将工件表面的犁耕作用参数化，与刀具刀尖半径和未变形切厚的比值大小呈现正相关，是指导刀具几何形状的重要参数，对于生产加工过程中刀具优化具有重要的意义。
有限元仿真技术本质上是一种数值模拟技术，采用有限元仿真，可以突破解析建模过程的多种限制作用，同时可以测量和观察到实验过程中难以获得的实验数据和现象。采用有限元仿真技术，避免了科研过程中大量实验的消耗，缩减了实验成本和研发周期，同时拓宽理论研究的研究层面。
发明内容
为了克服有限元仿真在模拟刀具刃口作用方面的不足，本发明提出一种基于ABAQUS的正交切削中工件表面犁耕力的识别方法。该模拟方法通过微切削的模拟找到“最小切厚”，其大小即为作用于工件的犁耕力的范围，建立刀尖半径为0.05mm的二维正交切削仿真模型，其中刀具由两个部分组成，可识别出加工过程中的工件所受犁耕力预计切削力，为刀具刀尖对工件表质量的影响研究奠定了基础。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于ABAQUS的正交切削中工件表面犁耕力的识别方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1.基于有限元仿真的“最小切厚”的确定，
在ABAQUS中建立正交微切削中刀具和工件的二维几何模型，动态显示一定半径的刀具刀尖以一定的切厚“挤压”工件的过程；
(1)建立二维正交微切削仿真模型；
(2)模型网格划分和接触设置，在所述工件与所述刀具接触的部分进行局部网格细分，所述刀具与所述工件之间的接触设置涉及到断裂模型的设置，而本方法采用ABAQUS提供的基于等效塑形应变的断裂准则；
(3)载荷设置和边界条件，限制所述工件的所用自由度，施加给所述刀具一定的速度条件；
(4)分析步和历程输出设置，本发明模拟极短时间内的微切削，热量传播几乎不可能发生，设置绝热分析，不仅更加符合实际加工情况，而且极大提高仿真效率；
(5)提交分析作业及后处理，创建分析作业，并提交作业进行仿真分析，得到结果文件，观察不同切深下工件表面的具体情况，得到“最小切厚”；
步骤2.仿真模拟正交切削中工件表面犁耕力的识别，
正交切削过程中，最小切深以下的金属材料受到刀具刃口的犁耕作用被压至工件表面，而最小切深以上的金属材料则形成切屑的一部分；
(1)建立二维正交切削仿真模型，所述该模型中刀具由两部分组成；
(2)模型网格划分和接触设置，用壳单元代替工件实际单元，刀具两部分与工件的接触采用同种设置，即在接触切向方向采用罚函数接触，摩擦基理基于Coulomb摩擦定律，如式1所示，接触正向方向采用硬接触；不同切深设置条件下，刀具与工件的接触情况有所不同；
Tf＝μσ(当μσ<τ时，滑动区)
Tf＝τ(当μσ>τ时，粘结区) (1)
(Tf为摩擦应力；μ为摩擦系数；τ为极限剪切应力；σ为正应力)
(3)载荷设置和边界条件，限制工件的所有自由度，施加刀具一定的速度；
(4)分析步和历程输出设置，历程输出以刀具两个部分的不同参考点为输出对象，设置其反作用力(RF)输出量；
(5)提交分析作业及后处理：建立不同切深下的多个分析作业，分别提交进行有限元模拟仿真实验，分析完毕后，提取出不同切深下的切削力和工件表面犁耕力，将数据导入MATLAB进行处理。
进一步地，所述步骤1中，建立的二维正交切削仿真模型中所述刀具刀尖半径为0.05mm，所述工件尺寸为0.25mm×0.25mm。
进一步地，所述步骤2中，建立的二维正交切削仿真模型中所述刀具刀尖半径为0.05mm，所述刀具两部分均为解析刚体，通过tie约束组成刀具整体。
进一步地，所述步骤1、步骤2中所有模型中所有部件初始温度为20摄氏度。
进一步地，在所述步骤1、步骤2中施加给刀具的速度为300mm/min。
附图说明
图1为按照本发明的一种基于ABAQUS的正交切削中工件表面犁耕力的识别方法的流程方框图；
图2为alicona测量的实际生产所用圆刃口刀具的刃口图；
图2a为20倍显微镜下刃口表面图；
图2b为该刀具刃口几个具体信息；
图2c为刀具刃口几何拟合曲线图；
图3为本发明中二维正交切削过程考虑刀尖半径的切削基理图；
图4为基于ABAQUS的具有一定刀尖半径的刀具切削工件的速度流向模拟仿真图；
图5为ABAQUS仿真微切削“最小切厚”的二维模型图；
图6a为切深为0.013时，工件变形图；
图6b为切深为0.014时，工件变形图；
图6c为切深为0.015时，工件变形图；
图7为随切深变化的比切削能变化图像；
图8为随切深变化的切削力变化图像。
具体实施方式
为了使得本发明的目的，技术方案以及突出优点更加清楚，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本发明是基于ABAQUS的正交切削中工件表面犁耕力的识别方法。
图1为基于ABAQUS的正交切削中工件表面犁耕力的识别流程方框图。如图1中所示，本发明描述了一种以“最小切厚”为基础，ABAQUS仿真为输入，MATLAB数据处理为输出，辅以经典切削力系数标定模型为验证的便利高效，高精智能的用于研究刀具刀尖对于加工过程影响的方法思路。
如图3所示，切削过程中的犁耕机理可描述为这样一个过程：位于刀尖前方的金属材料，大部分金属材料在Fei1的作用下形成切屑，小部分金属材料在Fei2作用下形成工件表面，且主要发生弹性变形。两种金属材料行为以“最小切厚”为界限，图4为基于ABAQUS的具有一定刀尖半径的刀具切削工件的速度流向模拟仿真图，与理论模型相匹配。本发明中进行对于Fei2力的识别，对研究加工金属表面特性包括微结构的研究具有重要意义。
(一)基于有限元仿真的“最小切厚”的确定
(1)模型尺寸和材料本构：如图4所示，“最小切厚”是刀具刀尖对于工件的作用，本发明实例中，刀具刀尖半径为0.05mm，工件为0.25X0.25mm。工件材料以不锈钢AISI-316L为例，刀具材料以硬质合金刀具为例。材料本构采用Johnson-cook模型，具体模型如式3所示。
(式中σ、ε、ε&分别表示材料屈服应力、等效塑性应变和等效塑性应变率；A、B、C、n、m分别为材料常数，可以通过实验获得；Tm、Tr、T分别为材料的熔化温度、转变温度(一般为实验开始的起始温度)、材料动态温度。
(2)网格划分与接触设置:刀具和工件采用4边形网格，工件单元大小为1μm×1μm；刀具的网格划分尺寸为1μm。刀具与工件之间的摩擦系数为0.17，摩擦基理基于Coulomb摩擦定律，如式4所示；工件断裂模型采用ABAQUS/EXPLICT软件提供的基于等效塑性应变的断裂准则，如式5所示
Tf＝μσ(当μσ<τ时，滑动区)
Tf＝τ(当μσ>τ时，粘结区) (2)
(Tf为摩擦应力；μ为摩擦系数；τ为极限剪切应力；σ为正应力)
(Vεpl为每个载荷增量步中塑形应变的增量；对整个切削过程的增量步进行累计叠加，当w已经增加到1时，自动判断材料已发生断裂。)
(3)载荷设置与边界条件：限制工件的所用自由度，施加刀具300m/min的速度。设置模型中所有部件初始温度为室温20摄氏度。
(4)提交作业和结果输出：多种切深下，仿真正交微切削，如图6a—c所示，可以发现当未变形切厚为14μm时，工件表面刚好不出现切屑，为13μm时不出现切屑，为15μm是切屑开始出现，可得出该发明例中的“最小切厚”为14μm。
(二)仿真模拟正交切削中Fei2的识别；
(1)建立二维正交切削仿真模型：该模型中，刀具刀尖半径为0.05mm，刀具前角为30°，后角为40°。刀具由两部分组成，两部分均为解析刚体，通过tie约束组成刀具整体，分别识别切削过程中的剪切力和刃口力。工件材料以不锈钢AISI-316L为例，材料本构采用Johnson-cook模型。
(2)模型网格划分和接触设置：工件采用四边形网格，用壳单元代替工件实际单元，采用解析刚体代替刀具实体，刀具两部分与工件的接触采用同种设置，在接触切向方向采用罚函数接触，摩擦基理基于Coulomb摩擦定律，如式2所示，接触正向方向采用硬接触。不同切厚设置条件下，刀具与工件的接触情况有所不同。工件断裂模型采用ABAQUS/EXPLICT软件提供的基于等效塑性应变的断裂准则。
(3)载荷设置和边界条件：限制工件的所有自由度，刀具运动速度为300m/min，模型中所有部件初始温度采用室温20摄氏度。
(4)分析步和历程输出设置：本发明模拟极短时间内的切削，热量传播几乎不可能发生，设置绝热分析，不仅更加符合实际加工情况，而且极大提高仿真效率。历程输出以刀具两个部分的不同参考点为输出对象，设置其反作用力输出量。
(5)提交分析作业及后处理：建立不同切深下的多个分析作业，分别提交进行有限元模拟仿真实验。分析完毕后，提取出不同切深下的刃口力和剪切力，导入MATLAB数值分析软件，如图7-8所示，为随未变形切厚变化的切削力和比切削能图像。
(三)尺度效应验证
考虑刀尖半径的切削过程中，切削力F可由三个分量组成，如式6所示。
经典切削力标定模型如式6所示，可得二维正交切削比切削能模型如式7所示。模型可以看出，随着切厚的增加，切削力不断增加，且应该与剪切力增加趋势相同，刃口力应保持不变；随着切削厚度的减小，比切削能不断增加，表现出尺度效应，与刃口比切削能下降的趋势应当一致，而剪切比切削能应当保持不变。验证了本发明提出的一种基于ABAQUS的正交切削中工件表面犁耕力的识别方法，提高了有限元仿真的精度。
Fi＝Kcih+Kri(i＝x,y) (4)
(Fi为切削过程的切削力；Kci为剪切力系数；Kci为刃口力系数；h为切削厚度)
(Wi为切削过程的比切削能)
Claims (5)
1.一种基于ABAQUS的正交切削中工件表面犁耕力的识别方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤1基于有限元仿真的“最小切厚”的确定，在ABAQUS中建立正交微切削中刀具和工件的二维几何模型，动态显示一定半径的刀具刀尖以一定的切厚“挤压”工件的过程；
(1)建立二维正交微切削仿真模型；
(2)模型网格划分和接触设置，在所述工件与所述刀具接触的部分进行局部网格细分，所述刀具与所述工件之间的接触设置涉及到断裂模型的设置，而本方法采用ABAQUS提供的基于等效塑形应变的断裂准则；
(3)载荷设置和边界条件，限制所述工件的所用自由度，施加给所述刀具一定的速度；
(4)分析步和历程输出设置，本发明模拟极短时间内的微切削，热量传播几乎不可能发生，设置绝热分析，不仅更加符合实际加工情况，而且极大提高仿真效率；
(5)提交分析作业及后处理，创建分析作业，并提交作业进行仿真分析，得到结果文件，观察不同切深下工件表面的具体情况，得到“最小切厚”；
步骤2仿真模拟正交切削中工件表面犁耕力的识别，正交切削过程中，最小切深以下的金属材料受到刀具刃口的犁耕作用被压至工件表面，而最小切深以上的金属材料则形成切屑的一部分；
(1)建立二维正交切削仿真模型，该模型中刀具由两部分组成；
(2)模型网格划分和接触设置，用壳单元代替工件实际单元，刀具的两部分与工件的接触采用同种设置，即在接触切向方向采用罚函数接触，摩擦基理基于Coulomb摩擦定律；如式1所示，接触正向方向采用硬接触，不同切深设置条件下，刀具与工件的接触情况有所不同；
Tf＝μσ(当μσ<τ时，滑动区)
Tf＝τ(当μσ>τ时，粘结区) (1)
(Tf为摩擦应力；μ为摩擦系数；τ为极限剪切应力；σ为正应力)
(3)载荷设置和边界条件，限制工件的所有自由度，施加给刀具一定的速度；
(4)分析步和历程输出设置，历程输出以刀具两个部分的不同参考点为输出对象，设置其反作用力输出量；
(5)提交分析作业及后处理：建立不同切深下的多个分析作业，分别提交进行有限元模拟仿真实验，分析完毕后，提取出不同切深下的切削力和工件表面犁耕力，将数据导入MATLAB进行处理。
2.根据权利要求1所述的一种基于ABAQUS的正交切削中工件表面犁耕力的识别方法，其特征在于：所述步骤1中建立的二维正交切削仿真模型中所述刀具刀尖半径为0.05mm，所述工件尺寸为0.25mm×0.25mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于ABAQUS的正交切削中工件表面犁耕力的识别方法，其特征在于：所述步骤2中建立的二维正交切削仿真模型中所述刀具刀尖半径为0.05mm，所述刀具的两部分均为解析刚体，通过tie约束组成刀具整体。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种基于ABAQUS的正交切削中工件表面犁耕力的识别方法，其特征在于：所述步骤1、步骤2中所有模型中所有部件初始温度为20摄氏度。
5.根据权利要求1、2或3所述的一种基于ABAQUS的正交切削中工件表面犁耕力的识别方法，其特征在于：所述步骤1、步骤2中施加给刀具的速度为300mm/min。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20190621 |