２数值模拟结果及分析
２．１切削变形与切屑形成 从模拟结果分析，切削变形过程主要分为以
下三个阶段： １）塑性变形阶段．图２所示为切削起始阶段
工件与刀具接触区的应力分布云图，可以看出工
万方数据
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东北大学学报（自然科学版）
第２９卷
件最大等效应力主要集中在刀尖接触区，并与切 削速度成一定角度向工件表面延伸，形成剪切滑 移线．在此阶段切削层受刀具的挤压作用，滑移线 上方材料将沿滑移线垂直于切刃向上隆起，产生 塑性变形．
本文应用１．跚℃公司开发的著名的非线性动 力分析程序ＬＳ－ＤＹＮＡ，充分考虑到刀具与工件
收稿日期：２００７．１０．２３ 基金项目：教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助项目（２００６０１４５０１７）． 作者简介：宿崇（１９７９一），男。辽宁铁岭人，东北大学博士研究生；王宛ｔ１１（１９４６－），男，辽宁沈阳人，东北大学教授，博士生导师．
的刀具由于磨损而在刃口处产生了钝圆半径，．。， 由于ｒ。的存在，刀具并不能完全切除厚度为口。 的金属层，而留下一薄层金属，这层金属在钝圆半 径的作用下，受挤压与摩擦产生弹塑性变形留在 成形表面上，产生较大的残余应力，这部分区域为 第三变形区（Ⅲ）．图７给出了切削时间为４ ｍｓ时 钝圆半径下成形表面到１ ｎ＇ｌｎｌ深度残余应力变化 曲线，可以看出成形表面留下了较大的残余应力， 影响着已加工工件的表面质量．
理的研究、切削加工工艺的设计提供了高效的方法和理论依据．
关键词：金属切削；有限元法；残余应力；切削温度
中图分类号：ＴＧ ５０ｌ
文献标识码：Ａ
文章编号：１００５—３０２６（２００８）０９．１３３４—０４
．
Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｍｅｔａｌ Ｃｕｔｔｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＬＳ－
式中，口。为初始屈服应力；三为应变率；Ｃ和Ｐ为 Ｃｏｗｐｅｒ－Ｓｙｍｏｎｄｓ应变率参数；ｅ管为有效塑性应
Ｅｐ＝兰． 变；ＥＰ为塑性硬化模量，由下式给出：
工件材料选为镍合金，采用塑性随动模型． 塑性随动模型是各向同性、随动硬化或各向同性 和随动硬化的混合模型，与应变率相关，可考虑 失效．通过在０（仅随动硬化）和１（仅各向同性硬
万方数据
第９期
宿 崇等：基于峪ＤＹＮＡ的金属切削加工有限元分析
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材料的物理学特性，进行了金属切削加工的二维 有限元数值模拟，所采用方法简捷、高效，弥补了 实验方法冗繁的缺点，所得结论可为理论研究和 工程应用提供指导．
１切削有限元模拟
１．１模型建立 切削仿真的有限元模型从几何上分为二维和
三维两种模型．三维模型同二维相比能够更加真 实地反映切削过程，但是三维具有模型结构复杂、 计算量大等不利因素．二维模型具有结构简单、利 于修改、计算量小、节省时间等优点，从二维切削 仿真结果来看能够准确地反映工件几何形貌和物 理特性的变化规律．因此，本文选用二维实体单元 ＰＬＡＮＥｌ６２，并采用Ｌａｇｒａｎｇｅ算法建立了切削加 工的有限元模型．如图１所示，工件取长度为１０ ｍｍ，高为４ ｍｍ的长方形，刀具前角７０为１０。，后 角口。取６。，钝圆半径，．。为３０／．ｔｍ，单元尺寸取
摘
要：采用有限元法对金属的切削加工过程进行了模拟，得出了工件内部应力、应变及温度的变化规
律．模拟结果表明，切屑是切削层材料受到刀具前刀面的推挤，沿某一斜面发生剪切滑移形成的；切削进入稳
定阶段后，材料的最大等效应力保持在某一值附近波动；钝圆半径的挤压导致成形表面产生残余应力；切削热
主要集中在切屑上，切屑温度从切屑底层到外层逐渐递减．该方法弥补了实验方法冗繁的缺点，为金属切削原
图４切削时间为０．８ ｍｓ时接触区等效应力 Ｆｉｇ．４ Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｓ２ｅｓｓ ｉｎ ｃｏｎｔａｃｔ ａｒＥ旧ｗｈｅｎ ｔ＝０．８ ｍｓ
２．２工件加工应力、应变分析 图５所示为随时间变化的刀尖接触区域工件
最大等效应力曲线，从图中可以看出，在切削初始 工件最大等效应力急剧增大，甚至达到材料的屈 服极限．随着接触区面积的逐渐增大，最大等效应 力缓慢增大，当切屑与刀刃发生分离后，切削稳定
ｃｕｔｔｉｎｇ ｅｄｇｅ．Ｔｈｅ ｃｕｔｔｉｎｇ ｈｅａｔ ｉｓ ｍａｉｎｌｙ ｋｅｐｔ ｉｎ ｔｈｅ ｃｈｉｐｓ，ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｃｕｔｔｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
ｄｅｃｒｅａｓｅｓ ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｉｎｎｅｒ ｔｏ ｔｈｅ ｏｕｔｅｒ ｌａｙｅｒｓ ｏｆ ｃｈｉｐｓ．Ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．ａｓ ａｎ ａｎｃｉｌｌａｒｙ ｍｅａｎｓ ｔｏ ｓｈｏｒｔｅｎ ｔｈｅ ｔｉｍｅ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｉｅｎｇｔｈｙ ａｎｄ ｔｅｄｉｏｕｓ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．ｗｉｌｌ ｐｒｏｖｉｄｅ ａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｗａｙ ａｎｄ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｍｅｔａｌ ｃｕｔｔｉｎｇ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ
ＤＹＮＡ
ＳＵ Ｃｈｏｎｇ，ＨＯＵ Ｊｕｎ—ｒｕｉｎｇ，ＺＨＵ Ｌｉ—ｄａ，ＷＡＮＧ Ｗａｎ—ｓｈａｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｌｇｉｎｅｅｎｎｇ＆Ａｕｔｔｘｎａｔｉｏｎ，Ｎｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ
ｃｈｎ—ｓ＠１２６．啪） Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｅｎｔ：ＳＵ Ｃｈｏｎｇ，Ｅ－ｍａｉｈ
的应用领域．自适应网格方法是指在计算中，在某 些变化较为剧烈的区域，如大变形、激波面、接触 间断面和滑移面等，网格在迭代过程中不断调节， 将网格细化，做到网格点分布与物理解的耦合，从 而提高解的精度与分辨率的一种技术Ｌ１０ Ｊ．在切削 模拟中，设定自适应网格划分的时间间隔，每经过 这段时间，网格开始重新划分，将原来网格中的状 态变量映射到新划分的网格上，这样就避免了因 网格发生畸变产生负体积而导致求解困难的问 题，从而使得切屑能够从工件上分离出来．
刀具采用牌号为ＹＴ５的硬质合金，其硬度、 强度远大于工件，因此在有限元模拟时可以将刀 具视为刚性体，组成刀具的单元不发生应变．刀具 与工件的材料性能见表１．
材料掣舭堕ｇ．ｃｍ－３Ｌｄ－＇ａ
刀具 工件
６００ １８０
Ｔａｂｌｅ １
０．１５ ０．３０
掣Ｌｊｒｌ－＇ａ 掣ｂｒｌ＂ａ 羔斋Ｗ 表１刀具与工件材料性能
传统的金属切削过程研究一般是先选择工件 材料、刀具及工艺参数，并借助于一定的测试手 段，来进行实际的切削实验．用这种方法进行研 究，往往要做大量的重复性实验，耗时、耗力，实验
成本高．近年来，随着计算机技术及软件技术的不 断发展，使得采用有限元法来模拟切削加工过程 成为可能．实践证明，该方法能够减少甚至消除反 复实验次数，并且具有实时性，能够获取实验无法 测量的数据，并对数据进行自动处理，弥补了传统 方法的缺点∞ｑ】，因此，国内外有不少学者热衷 于采用有限元法来研究金属切削加工原理．
ｔｈｅ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｒｏｃｅｓｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｅｔａｌ ｃｕｔｔｉｎｇ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ；ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ；ｃｕｔｔｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
切削过程是一个复杂的工艺过程，它不但涉 及到了弹性力学、塑性力学、断裂力学，而且还与 摩擦学和热力学等相关，切削质量受到刀具形状、 切削用量、切削热和刀具磨损等众多因素的影 响［卜５Ｊ．
１ １０００４，Ｃｈｉｎａ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｕｓｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＬＳＤＹＮＡ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｍｅｔａｌ
ｃｕｔｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｓｏ ａＳ ｔｏ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ ｈｏｗ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ．ｓｔｒａｉｎ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔ唧ｅ ｃｈａｎｇｅ ｉｎ ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ． Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｈｉｐ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｓ ａｃｔｕａｌｌｙ ａ ｐｌａｓｔｉｃ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｎ ｗｈｉｃｈ ｔｈｅ ｔｏｏｌ ｒａｋｅ ｐｒｅｓｓｅｓ ｃｕｔｔｉｎｇ ｌａｙｅｒ ｍａｔｅｒｉａｌ ａｌｏｎｇ ａ ｓｌｏｐｅ ｔｏ ｆｏｒｒｆｌ ｔｈｅ ｓｈｅａｒｉｎｇ ｓｌｉｐ．Ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｓｔｒｅｓｓ ｆｌｕｃｔｕａｔｅｓ ａｒｏｕｎｄ ａ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｖａｌｕｅ ｄｕｒｉｎｇ ｓｔａｂｌｅ ｃｕｔｔｉｎｇ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｉｎ ｆｏｒｍｅｄ ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｄｕｅ ｔｏ ｒｏｕｎｄｅｄ
进行，等效应力值在一定范围内上下波动．
孟 。
杂
倒
图２切削时间为０．１ ｍｓ时接触区等效应力 Ｆｉｇ．２ Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｓｋｅｓｓ ｉｎ ｃｏｎｔａｃｔ ａｒｅａ ｗｈｅｎ ｔ ２ ０．１ ｒｎｓ
２）剪切滑移阶段．随着切刃与切削层接触面 积的不断增大，材料受到的挤压进一步加剧，材料 内部应力不断增大，当达到材料的屈服强度后产 生剪切滑移，材料沿切刃向上运动，产生滑移的区 域为第一变形区，如图３所示．
第２９卷第９期 ２００８年９月
东北大学学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｏｍｈｅａｓｔｅｍ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ）
Ｖ０１．２９．Ｎｏ．９ Ｓｅｐ．２００８
基于ＬＳ．ＤＹＮＡ的金属切削加工有限元分析
宿 崇，侯俊铭，朱立达，王宛山
（东北大学机械工程与自动化学院，辽宁沈阳１１０００４）
Ｍａｔｅｒｉａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｃｕｔｔｅｒ ａｎｄ ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ
Ｊ‘Ｋｇ—Ｋ‘
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１３．０
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０．４４５
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