图2 2.3 材料本构模型
工件以及刀具的 网格划分
Abaqus 提供了多中 材料的模型，有限元分 析过程中应 根据分析问题考虑采用何种本构模型。本构模型的与否 合理直 接影响着分析结果的正确性和仿真的准确性。本文采用适用于金属大变形的、描述材 料高应变率 下热粘塑 性问题 的 Johnson-cook 模型（J-C 模型） 。 模型中屈服 应力计算如 下：
pl
pl 为等效塑性应 变率，C 为应 变率强化参数，m 为热软化参数， 为非线 性温度，由材料熔点 温度与常 性应变,
为等效塑
图3
分析后的应力分布图
图4
分 析后的温度 分布图
图 5 给出了切削过程中 的主切削力 的值。由图 5 可以看出 x 方向的切削力成 周期性的波 动，这与切削过程中 产生的 锯齿节有关。切削力的平均值约为 500N。
图5 3 结论
x 方向切削力
（1）采用 Abaqus/Explicit 显式分 析建立了二 维金属切削有限元模 型。 （2）对 TC4 钛合 金进行切削仿真，获得了切削过程的应力、温度的分 布。 （3）仿真模型通 过试验验证可对实际加工具有优化的意义。 参考文 献
[1]王 素 玉 ， 艾 兴 ， 赵 军 等 ， 切 削 速 度 对 工 件 表 面 残 余 应 力 的 有 限 元 模 拟 ， 工 具 技 术 ， 2005 (39):33～ 36. [2]LEE W S, LIN C F. High-temperature deformation behavior of Ti6Al4V alloy evaluated by high strain rate compression tests[J]. Journal of Materials Processing Technology， 1998,75(13): 127～ 136. [3]庄 茁 ， 张 帆 ， 岑 松 ,Abaqus 非 线 性 有 限 元 分 析 与 实 例 [M].北 京 ： 科 学 出 版 社 .2005. [4]Abaqus Analysis User’ s Manual. Abaqus INC.
图1 2.2 网格划分
二维正交切削有 限元模型
二 维切 削模 型采 用 热-位移耦 合的 模型 ，刀 具 和 工件 的网 格划 分 均 采 用缩减 积分 的四 节点 双 线性 热 里耦 合网 格（CPER4RT）单元，如图 2。将工件中与 刀具接触部 分的纵向采用非均匀的比例画法加密网格，同时将刀具中刀 尖区域 网格网格细化，以避免刀具与切屑接触产生切屑侵入刀体。
1前 言 金属切 削过程是一个非线性动力学系统 。在金属切削过程 中存在着金 属的弹塑性变形，切屑形成过 程涉及到 材料非 线性、几何非线性、 状态非线性问题。 采用有限元法模拟金属切削过程在 切削参数对 加工过程的影响、切 屑的形 态以及切削过程刀具与工件的接触等方面都起到一定的作用。 计算机技术的发展推动 了金属切削 加工模拟 技术的 进步 ,有限元法应用于加工过程的模拟，具有动态性、高度非 线性等特点 。这使切削 过程中刀具 —工件— 切屑三 者的局部动 态变化更形 象化、可视 化，为分析 金属切削过 程机理提供 了有力的工 具 [1 ] 。切屑的 分离准是切 削有限 元模型的关键问题之一。本文采用 Johnson-cook 本构模 型来实现金属切削过程的仿真。 2 二维金属切削有限元模 型 2.1 几何模型 在 金属切削机 理的研究中，多采用二维正交切削模型，将金属切削加工简化 为二维平面 应变问题来 研究切削 过程中 的力学特性。二维正交切削模型如图 1 所示。 工件底部和侧面下部固定约束，刀具约 束 Y 方向的自由度。
A B

pl n

pl m 1 . 1 C ln 0


（ 1）
计算式 有三项组成：第一项描述了材料的应变强化效应，第二项反映了流动应力 随对数应变 率增加的关 系，第三 项反映 了流动应力随温度升高指数降低的关系。 A 为准静态下的屈服强度， B，n 为应变硬化参数， 温之比。对于 TC4 钛合金取材料参数 [2 ] 见表 1： A （ MPa ） 782.7 2.4 模拟结果 对 TC4 材料 进行加工模拟： 工件尺寸 6mm×1.2mm， 切 削厚度 0.4mm， 切削速 度 v= 300 m/min.采用 Abaqus/Explicit 显式分 析建立的二维切削模型，模拟加工 后的效果见图 3 和图 4 。图 3 给出了模拟后的应力分布图，图 4 给出加 工后的 温度分布图。由图 3 可知，切削过程中剪切第一变形区应力最大；温度的 最大值也出 现在刀尖前 端的剪切 区，最 大值为 616.5 ℃。 表 1 TC4 材料的 Johnson-cook 本构模型参 数 n C B （ MPa ） 498.4 0.28 0.028 m 1
基于 Abaqus 的二维金属切削有限元仿真
陈光 喻炜 （天津大学 机械工程学院 天津 300072）
摘
要 ： 本 文 采 用 Abaqus/Explicit 显 式 有 限 元 分 析 建 立 机 械 加 工 过 程 中 二 维 金 属 切 削 模 型 。 利 用 Johnson-cook 本 构 模 型 模 拟
工 件 材 料 的 变 形 和 分 离 。 通 过 对 TC4 钛 合 金 材 料 的 二 维 切 削 过 程 的 仿 真 ， 来 研 究 切 削 过 程 中 切 削 力 大 小 以 及 工 件 表 面 的 应 力 和 温 度的分布。通过有限元仿真对加工表面的力学性能进行预测，为金属切削过程优化提供一种数值方法。 关键词：有限元分析，二维金属切削，力学性能，数值