如果刀具与工件没有装配 ,则要对刀具和工件 进行定位 。
物体内部关系 (inter object Definition) 的目的是 定义仿真过程中不同的物体间的相互作用 。设刀具 为主动 ,工件为从动 。定义导热系数 45N/ sec/ mm/ C 和摩擦系数为常量 013 ,摩擦类型为剪切摩擦 ,该类 型可应用于大多数的变形仿真 。摩擦模型为 : fs =
图 1 工件局部网格划分
工件材料选为 ANSI - 1045 钢 (同 45 钢) ,钻头 沿 - Z 轴进给 ,进给量为 012mm/ r ,转动中心为 (0 ,0 , 0) (转动中心随进给运动的变化而变 ,此为初值) , 转速为 320r/ min ,转向为 (0 ,0 ,1) 。
在边界 (Object Boundary Condition (BCC) ) 设 置 中 ,BCC 定义了一个物体的边界如何与另一个物体 或环境相互作用 。设置工件四个侧面的速度在 X 、 Y 、Z 方向上为 0 ,限制工件的运动 ,工件和刀具的所 有面设定为与外界传热 ( Heat Exchange With Environ2 ment) ,激活工件的体积补偿选项 。
图 2 ALE 中自由面
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工具技术
这个步数表示的是仿真引擎预测切屑几何形状和稳 态下热力求解的迭代次数 。
215 Lagrangian 分析( 瞬态分析) Lagrangian 公式的优点在于 :切屑是仿真的结果 并简化了瞬态切削过程和连续切屑形成的方案[6] 。 切削加工过程是一个不断变化的过程 ,每一时刻都 只能按照瞬态过程处理 ,因此继续运行瞬态分析 ,完 成最终的切削 。 216 钻头的应力分析 应力分 析 可 以 使 用 模 具 应 力 分 析 模 板 ( Die Stress Analysis Wizard) ,也可以参照模板生成的 key 文件 ,在前处理模块进行设置 。需要注意的是 ,选定 开始分析的步数必须是正的 。 217 Deform 3D2post 分析结束后 ,可在 Deform 3D2post 模块中查看切 削力 、切削温度 、刀具摩损以及应力等参数的仿真结 果 ,并能输出相关数据进行分析 ,如钻头应力的等值 线图 (图 3) 、钻削过程仿真图 (图 4) 等 。
收稿日期 :2006 年 9 月
2 Deform 3D 钻削仿真
211 三维造型 在 UG中画出钻头及工件的三维实体图 ,并进 行同轴装配 ,保存为. STL 文件 。 212 参数设置及相关理论 在仿真控制 (Simulation Control) 中设仿真步数为 400 步 ,步长 0102 (在大变形中 ,步长设为最小单元 边长的 1/ 10) 。因为步长设置的太大 ,会降低仿真 精度 ,导致网格急剧扭曲甚至可能不收敛 。采用国 际标准单位制 SI ,仿真模式为热传递 ( heat transfer) 和变形 (deformation) ,变形求解器 ( deformation solver) 采用 Sparse 解法 。Sparse 解法是一种利用极少的有 限元公式直接求解的方法 ,采用这种方法收敛较快 , 但对计算机要求较高 ,不宜用于大型问题 。共轭梯 度求解器 (Conjugate2Gradient solver) 采用迭代方法逐 步逼近最佳值 ,这种方法考虑了刀屑之间的摩擦及 工件材料流动应力受应变 、应变速率和温度影响的 特性 。该方法对计算机硬件的要求较低 ,因而对于 多数的 FEM 问题具有优势 ,但不足的是 ,对于某些 问题 (如接触点较少的情况) 收敛较慢 ,甚至不收敛 。 迭代方法 (iteration method) 采用 Newton2Raphson ,相对 于直接迭代法来说 ,该方法收敛较快 ,但有时可能不 收敛 。不过当 Newton2Raphson 方法失败后 ,系统会 自动调用 sparse (直接法) 求解 ,因此可有效地保证 较少的迭代次数和迭代的收敛性[4] 。 迭代方式确定后 ,分别导入几何模型 ,设置工件
在进给量 f = 012mm/ r 、钻头直径 D = 16mm 的 工况下 ,将相关系数和参数代入式 (1) 、式 (2) ,计算 得 :钻切削力 F = 5696179N ,扭矩 M = 16194Nm。
312 试验数据 主要试验设备 :测力传感器为北京航空航天大 学制造的 SDC - D4M 型电阻应变片式钻削测力仪 , YD - 21/ 4 应变仪 、数模转换卡 (A/ D 卡 1216K2) , 3040 型摇臂钻床 ; 刀具 : 16mm 的高速钢标准麻花 钻 。试验设备如图 5 所示 ,数据采集设置界面如图 6 所示 。
但是到目前为止 ,该软件在切削仿真方面仅有 车削 、镗削仿真的向导模板 ,而钻削及其它类型的切 削仿真必须自行开发 。因此 ,在该软件平台的支撑 下 ,作者使用其前处理模块对普通麻花钻进行了钻 削仿真 ,并用后处理模块进行了数据的处理 。
3 河北省科技厅科研资助项目 (项目编号 :05212105D) 河北省教育厅科研资助项目 (项目编号 :2002240)
Deform 3D 是 SFTC(Scientific Forming Technologies Corporation) 公司开发的基于有限元分析的工艺仿真 软件 ,针对复杂的金属成形过程 ,能够分析各种成 形 、热处理工艺 ,对加工过程中因工件材料 、刀具材 料 、刀具角度 、切削速度不同引起的被加工工件的剪 切变形 、切削温度 、内应力等因素进行分析 ,是正确 选择刀具材料 、刀具角度和切削用量以及进行材料 加工性分析的依据 。
mk ( fs 为磨擦力 , k 为剪切屈服应力 , m 为系数) ,即 摩擦力正比于剪切屈服应力 。当前切屑成形的分离 准则分为几何分离准则和物理分离准则 ,物理分离 准则又分为等效塑性应变和应变能密度等 。该软件 默认的分离准则是 Iwata 等的将基于破裂的应力标 准作为切屑成形的标准 。刀具磨损模型选用适合于 金属切削的 Usui’s 模型[5] ,系数 a 设为 01000001 , b 设为 855 。最后产生结束点 。然后检验仿真的参数 设置 ,生成数据库 。
Keywords :FEM , Deform23D , drilling force , emulation
1 引言
Oxley 根据材料的加工硬化 、温度及应变速率因 素建立的分析模型使理论分析的结果与实验结果有 了较好的一致性 ,但是传统的解析法在求解切削模 型时往往不可解 。近年来 ,随着计算机性能和运算 速度的迅速提高 、有限元技术自身的不断完善以及 有限元与其他技术如自适应网格划分 、三维场建模 求解 、耦合问题 、开域问题等的结合 ,使得有限元法 在求解非线性和多场耦合问题方面的强大功能已经 日益显现[3 ] 。
213 运行仿真 运行仿真 ,完成最初的瞬态分析 ,产生足够的切 屑。 214 ALE 稳态预测 ALE(Arbitrary Lagrangian Eulerian ) 即任意拉格 朗日欧拉算法 ,是一种更适合金属加工成形的方法 。 这里任意一词实际上指这种组合是通过对网格运动 的选择指定的 。ALE 法能有效地模拟大变形问题 , 其最大优点是不用执行完全的网格重划分也能使变 形网格光滑化 。当用 ALE 法对金属切削过程进行 分析时 ,切屑成形可以模拟成刀尖周围材料的不断 流动 ,这个范围采用 Eulerian 网格来描述 ,在网格已 经确定的情况下 , Eulerian 公式不受网格扭曲的影 响 ,避免了网格的大量重划分 ,网格密度可由预期的 应力和应变梯度来决定 ;由于切屑边界和其他自由 边界是自由不受限制的 ,因此更适合采用 Lagrangian 网格来描述 ,以减少计算量 。ALE 法的有限元网格 既不固定在材料也不固定在空间上 ,而是能独立于 材料进行运动[6 ] 。 ALE 预测是对切屑形状 、切削温度的预测 ,ALE 数据的产生主要是指定切屑的未端区域 (自由面) , 这个区域应当足够远离钻头和切屑的接触区 ,在处 理切屑几何形状的自由表面时 ,选取的区域将被作 为刚性处理 ,同时作为欧拉热力计算的退出边界 。 一般采用点选取模式 。自由面的选取如图 2 所示 : 选择结束后 ,确定ALE仿真的步数 ,需要注意的是
力(N) , D 为钻头直径 ( mm) , f 为进给量 ( mm/ r) ; Cm 、Cr 为系数 , xm 、ym 、xf 、yf 为指数 (通过切削试验 和生产现场获得 : Cm = 012879 , xm = 1194 , ym = 0181 , Cr = 23801714 , xf = 0193 , yf = 1106) 。
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工具技术
基于 Deform 3D 的钻削力仿真研究 3
杨 军 周利平 吴能章
西华大学
摘 要 :采用大型有限元分析软件 Deform 3D 对普通麻花钻的钻削力进行了仿真研究 。给出了仿真中涉及的 相关技术与关键参数的设置原则 ,进行了钻削测力试验 ,并以试验数据为基准 ,将仿真数据和传统经验公式的计算 数据进行了对比与分析 。结果表明 :有限元法对钻削力的仿真数据已接近试验值 。
关键词 :有限元法 , Deform23D , 钻削力 , 仿真
Simulation of Drilling Force Based on Soft ware Deform 3D Yang jun Zhou liping Wu Nengzhang
Abstract : An emulation study of drilling forces generated by general purpose twist drills is conducted by using FEM analysis software Deform23D. The relevant techniques and setting principles for important parameters in the emulation are given , and the experiment of testing drilling forces is performed. Taking the data obtained from the experiment as the norm a comparison and anal2 ysis among the experimental data , emulation data and the data from the calculation using the conventional empirical formulae are carried out. The results indicate that the emulation data acquired from FEM is close to the experimental values.