铝合金二维拉削过程的有限元仿真
文献综述
一、研究目的意义
采用有限元法来模拟切削过程不但克服了传统的实验方法的费时、费用昂贵的缺点，还可以从模拟结果中得出许多实验难以得到的材料力学特性和物理特性，如：加工工件表面和切屑的温度场分布、应力分布、应变分布和残余应力分布等。有些参数利用实验方法很难得到，但利用有限元仿真技术很容易得到，有限元仿真技术是实验手段的一种有效手段[1]。本课题是以塑性材料拉削的仿真分析为例，来使用有限元方法对二维拉削过程的切削力、切削温度及切屑形态进行分析与仿真。微切削过程中，材料承受高应变、大应变率和温度的综合作用，导致复杂的热力耦作用[2]。本课题主要内容为铝合金二维拉削过程的有限元仿真，要求得到：拉削过程的切削力曲线、切屑的形成及形态、温度场分布等仿真结果，并对典型塑性材料切削过程中的不同物理现象做理论分析。
二、国内外研究概况
近几十年来，塑性有限元方法在金属塑性加工成形数值模拟中得到了广泛的应用。回顾了塑性有限元模拟，技术的发展历程，介绍了金属塑性加工成形数值模拟的基本原理，阐述了塑性加工成形过程有限元数值模拟的关键技术[3]。
在切削加工仿真中，通过切削形成过程仿真，可以预测切屑的类型[4]。金属拉削过程仿真，国外发展得比较早，1973年美国的b.e.klameehi最先系统地研究了金属拉削加工中切屑成形的原理，开创了历史的先河，为后来的研究指明了方向。1980年美国的m.r.lajczok应用有限元方法研究指明了方向。1980年美国的m.r.lajczok应用有限元方法研究切削加工中的主要问题，初步分析了切削工艺。1984年，iwata等将材料假定为刚塑性材料。而我国相关有限元仿真在金属切削领域中的应用与研究起步比较晚，存在着很大的差距，国内学者研究大多集中在如何利用有限元软件模拟切削过程中切削力、切削温度、残余应力和切削形态等；同时，也有学者针对仿真过程中的关键技术加以研究，如切屑分离准则、摩擦模型和热传导控制方程，高速切削有限元模型、本构方程等。国内外铝型材挤压模具发展情况概述国内外铝型材挤压模具发展情况概述。刘汉武等利用ANSYS软件对分流组合模挤压铝型材进行了有限元分析和计算，找出了原模具设计中不易发现的结构缺陷。江苏戚墅堰机车车辆工艺研究所的盛伟以ANSYS软件为平台，进行金属塑性成形过程模拟软件的二次开发，并应用该软件对锻件塑性成形过程进行了模拟，为提高锻件质量、预测金属成形中的缺陷、制定合理工艺提供了理论依据[5]。基于有限元软件ABAQUS建立二维正交模型，采用更新的LAGRANGE模拟方法和热力耦合有限元模型，使用已经拟合出的Johnson-Cook本构关系模型以及合理的摩擦模型、切削分离准则和有限元建模方法，对该材料在高速切削条件下的切削力、切削温度以及切屑形状进行了有限元模拟分析，并讨论了切削参数对它们的影响规律，据此作出较优的数据[6]。
近些年来，有限元切削过程模拟技术已经取得了巨大的进展，Sekhon、Marusich等人应用修正的拉格朗日法和网格重画分来模拟切削形成过程中刀尖周围材料塑性流动，避免使用人为的材料分离准则，并且简化了材料分离机制。Shet等人运用临界应力分离准则和节点分离来模拟初始切削形成状态的切削过程。Guo等人建立了三维斜切削加工有限元模型，模拟了硬车削AISI 52100钢的加工过程，合理的预测了切削几何形状，切削温度，切削力和残余应力分。在金属切削加工领域，相比国外来说，有限元仿真技术引入国内较晚，近十年才得到较快发展。方刚等人建立了二维SAE4310材料切削有限元模型，采用有限元软件DEFROM-2D模拟了正交切割中的切屑形成过程，切削力，温度，和残余应力分布情况[7]。近几年来,国际上对金属切削工艺的有限元模拟更加深入。日本的Sasahara和Obikawa[8]等人利用弹塑性有限元方法,忽略了温度和应变速率的效果,模拟了低速连续切削时被加工变面的残余应力和应变。美国Ohio州立大学净成形制造(NetShapeManufacturing)工程研究中心的T.Altan教授,与意大利Brescia大学机械工程系的E.Ceretti合作,对切削工艺进行了大量的有限元模拟研究[9～13]。澳大利亚悉尼大学的Lianchi.Zhang和美国Auburn大学的J.M.Huang,J.T.Black对有限元分析正交切削工艺中的切屑分离准则做了深入的研究,对不同的分离准则都做了考察。台湾科技大学的Zone-ChingLin等人对NiP合金的正交超精密切削中切削深度和切削速度对残余应力的影响做了研究[14～15]。模拟前对单向拉伸实验数据进行回归分析,得出材料的流动应力公式,考虑切削加工中的热力耦合效应,建立了热弹塑性有限元模型。
三、特色与创新
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