金属切削加工的热力耦合模型及有限元模拟研究

基于切削加工的热-弹塑性有限元方程并在一定假设的条件下,建立了金属正交切削加工的热力耦合有限元模型。分析、研究了切屑分离标准、刀屑界面的摩擦模型以及热控制方程等切削加工模拟所涉及的关键技术,并提出了几何-应力切屑分离标准。最后,采用ABAQUS软件对材料40CrNiMoA进行了切削加工模拟,并分析、讨论了模拟结果。通过与试验数据比较,证明了所建立的有限元模型的正确性。     

7050航空铝合金“单因素”本构模型参数与温度相关性研究

从理论和实验两方面研究7050航空铝合金"单因素"本构模型中参数与温度的相关性.通过位错理论分析和进行材料基本关系式推导指出铝合金材料模型受温度的影响.设计准静态压缩实验和高速冲击压缩实验研究材料的静、动态力学性能.通过对试验数据的分析、拟合和比较,得出7050航空铝合金"单因素"本构模型中的参数与温度相关的结论.根据试验结果建立材料参数与温度之间的数学映射,并在此基础上构建7050航空铝合金单因素"本构模型,最后进行切削实验验证模型的正确性.7050航空铝合金"单因素"本构模型的建立为进一步开展切削加工有限元模拟和进行工艺优化奠定基础.     

基于不同前角的航空铝合金切削过程分析

为合理选用刀具前角,研究前角变化对航空铝合金7050-T7451切削过程的影响.对前角影响进行理论分析,并借助有限元软件ABAQUS/Explict建立热力耦合的平面应变正交切削模型,采用Johnson-Cook材料本构关系及失效准则模拟不同刀具前角时切屑的形成过程,对比分析了前角变化对切屑形态、切削力和切削温度的影响.仿真结果表明,大前角的刀具有利于改善切削过程,但为避免产生带状切屑,合理的前角范围应为8°～l6°.通过对两种方法的分析结果对比,验证了有限元模型的准确性,对实际加工具有一定的指导意义.     

损伤演化对Ti6Al4V高速切削仿真结果的影响

利用ABAQUS有限元分析软件建立了Ti6Al4V二维切削仿真模型，在模型其他参数（本构参数、初始损伤参数等）固定不变时，得到了不同损伤演化特征参数（断裂能）取值下的切削力、切削温度和切屑形貌，以此来研究损伤演化过程对仿真结果的影响。研究发现随着断裂能取值的减小，仿真的切削力、切削温度会降低，切屑的锯齿化程度会变得严重。在切削速度为180 m/min，进给量为0.1 mm/r的条件下进行了Ti6Al4V正交切削实验，测量了切削力，将仿真得到的主切削力和切屑锯齿化程度与实验结果进行对比，确定了适合本研究建立的仿真模型的合理断裂能值。结果表明，在使用此断裂能取值时，仿真得到的切削力和切屑形态与实验值有很好的一致性。在消除了能量密度对仿真模型的影响后，进行了4组验证实验，仿真结果与验证实验的结果相吻合，证明了断裂能取值的准确性。     

Ti2AlNb切削切屑形成过程近场动力学仿真及试验研究

利用非局部作用思想的近场动力学理论,可以通过求解空间积分方程描述物质点运动规律,准确描述切削过程材料剧烈塑性变形导致的裂纹扩展和断裂破坏行为。本文基于常规态基近场动力学方法构建Ti₂AlNb弹塑性本构模型,融合材料失效和接触准则,求解离散处理的近场动力学基本运动方程,建立了适用于Ti₂AlNb切削仿真研究的态型近场动力学数值模型,模拟分析了Ti₂AlNb直角切削切屑形成过程。通过试验验证,表明近场动力学仿真可以准确模拟Ti₂AlNb切削切屑形成过程中材料变形和损伤演化规律。本方法预测的切屑形成剪切角40.23°与试验结果 38.89°相比,误差为3.45%;定义损伤空间分布的半峰宽值(FWHM)为切削第1变形区宽度,其预测值为0.06mm,预测误差小于7%。     

面向高速切削的钛合金Ti-6Al-4V动态本构模型:综述

高速切削是实现钛合金等难加工材料高效、高质量加工的有效技术方法。钛合金高速切削加工过程具有高温、高应变和高应变率的热力强耦合非线性动态特征。为了准确描述高速切削时钛合金动态力学行为，对钛合金动态本构模型的研究进行综述。以钛合金Ti-6Al-4V为研究对象，从唯象模型和物理学模型的角度，分析了Johnson-Cook模型、Zerilli-Armstrong模型、Bammann模型的适用条件及优缺点。经综合比较，选取Johnson-Cook模型开展进一步探究，并且基于温度影响和竞争机制影响对Johnson-Cook修正模型进行分类，Johnson-Cook修正模型的预测精度与经典模型的预测精度相比均有所提高；同时提出可将构建唯象-物理学复合本构模型作为探究钛合金动态本构模型的重点方向，采取实验与计算机同步方法得到本构模型参数的最优解，从而提高动态本构模型的预测精度。     

GH4169高温合金高速切削表层微观组织分布规律研究

高速切削过程中,剧烈的塑性变形和极高的切削温度容易引起已加工表层材料的微观组织缺陷,从而成为工件服役过程中疲劳断裂的潜在风险。本文结合试验测试和有限元仿真研究了GH4169高温合金高速加工表层材料的微观组织演变规律及形成机制。开展了高速正交切削试验,并通过电子背散射衍射（EBSD）技术观测了已加工表层材料的微观组织。随后,基于修正的Johnson–Cook本构模型建立了GH4169高温合金高速正交切削有限元分析模型,并获得切削过程中工件表层材料的温度场和应变场。结果表明,已加工表层材料的温度、应变和微观组织均呈现梯度分布特征,近表层材料的晶粒细化至纳米级。切削过程中产生的梯度分布的力–热载荷是导致已加工表层材料微观组织呈现梯度分布的原因。     

硬态切削表面残余应力分析研究

以轴承钢GCr15为研究对象,根据热-弹塑性有限元理论,建立了热力耦合的二维正交硬态切削模型。根据硬态切削的特点,在硬态切削有限元模型中设置了未预先设置分离线的点面接触并选择了Johnson-Cook材料本构模型,通过有限元分析计算,得到了不同切削参数和刀具几何参数条件下已加工表面残余应力的模拟结果。对结果进行比较分析得出,最大压残余应力出现在工件表面,沿着深度的增加工件内部的残余应力由残余压应力转化为残余拉应力,并逐渐趋向于零。这对于控制和提高硬态切削工件表面质量具有重要的理论指导意义。     

切削过程有限元仿真研究进展

得益于高性能计算机和软件技术的发展,数值仿真为深入理解切削过程、研究刀具磨损、提高加工表面质量等提供了强大的技术支持。总结了现有几种本构模型的特点,对构建切削仿真有限元模型中的几个关键问题进行了分析和总结,综述了有限元仿真技术在金属切削过程中切屑形成研究、切削温度和切削力、刀具磨损、刀具优化和残余应力预测以及加工表面显微组织演变模拟等方面的研究成果。最后,系统地分析了切削过程有限元仿真研究中存在的问题,探讨了该研究领域未来的发展趋势和需要进一步探索的热点问题。     

单向CFRP螺旋铣削力建模

螺旋铣削加工工艺具有降低轴向力,改善排屑、散热条件等优点,螺旋铣削力是其重要过程指标之一。对单向CFRP螺旋铣削力建模方法展开研究,预测给定加工参数下的螺旋铣削力。首先,通过对螺旋铣削过程进行运动学分析和切屑几何分析,建立了螺旋铣削过程中侧刃、底刃动态切屑层模型,纤维切削方向角度模型和动态切削力计算模型。然后,分别通过侧刃直线槽铣实验和底刃半齿插铣实验,对各个切削方向角度下侧刃、底刃切削力系数进行了标定,并利用人工神经网络对切削力系数进行拟合。最后,将标定所得的切削力系数代入动态切削力计算模型中,建立了单向CFRP螺旋铣削过程动态切削力预测模型,并通过实验验证了模型的准确性。与现有模型相比,该模型不仅能够预测刀具螺旋运动周期内的切削力变化情况,还可以对每个刀具自转周期内的细节进行预测,通过考虑纤维切削方向角度对切削力系数的影响,反映了单向CFRP材料的各向异性,较为准确地预测了螺旋铣削力。     

Modeling high-speed cutting of SiCp/Al composites using a semi-phenomenologically based damage model

In this paper, we attempts to investigate cutting mechanisms in high-speed cutting of Al6061/SiC_p/15p composites using a semi-phenomenologically based damage model in the equivalent homogeneous material (EHM) framework. By combining macroscale EHM modeling and underlying microscale physical mechanisms, a feasible semi-phenomenological plastic model is proposed for prediction of cutting forces and chip morphology during high-speed turning Al6061/SiC_p/15p composites. This model incorporates the modified Weibull weakest-link effect to represent the strain-based damage evolution in large deformations. This proposed semi-phenomenological constitutive model is implemented by compiling material subroutines into cutting finite element (FE) codes. The effects of the critical shear stresses on chip formation that depend on the tool-chip frictional coefficient are accounted for in the cutting FE model. The chip formation mechanism affecting material removal behaviors during high-speed turning is further investigated. The capabilities of the proposed constitutive model are evaluated by comparing cutting forces and chip morphologies between experiments and simulations at different cutting speeds associated with strain rates. The EHM-based and microstructure-based models are further compared in both computational efficiency and accuracy. The simulation results show that the developed semi-phenomenological constitutive formalism and cutting model are promising and efficient tools for further investigation of dynamic mechanical and cutting behaviors of particle-reinforced composites with different volume fraction and particle size.     

薄壁件周铣切削力建模与表面误差预测方法研究

薄壁件加工变形是影响加工精度与质量的关键因素,而切削力建模则是预测表面加工误差的基础。针对两种典型的切削力模型,系统地研究了薄壁件周铣加工过程中切削力变化及表面变形误差分布的有限元计算方法,提出了基于三维非规则网格的刀具/工件变形的耦合迭代格式以及恒定网格下材料去除效应的变刚度处理方法等关键技术,仿真过程充分考虑了切屑厚度变化及不同切削参数对预测结果的影响。以典型钛合金航空材料构件为例,数值计算结果与实验参考数据比较表明,两种切削力模型对同一切削过程的预测均具有很好的一致性。     

直角切削6061-T6铝合金剪切区力学行为及微观结构演化预测

力学行为是塑性变形微观过程的宏观表现,早期的金属切削理论模型没有考虑微观结构对切削力的影响。在考虑热力耦合效应的基础上建立了基于位错密度材料模型的6061-T6铝合金直角切削力预测模型,分析了不同切削参数下基于位错运动的塑性变形机制对切削力的影响。结合等分剪切区和非等分剪切区模型,构建了第一变形区多物理场计算方法,提出一种切屑形成过程中由塑性变形引起的微观结构演化解析模型。通过测量切削力和切屑内晶粒尺寸对模型的可行性进行了初步验证。结果表明：剪切区长度变长引起参与位错滑移的材料增多是切削深度增大导致切削力增大的主要原因。增大切削速度导致切削力的降低不是单一变量影响的结果,而是应变降低引起位错增殖数量减少和温度升高引起位错湮灭作用增加的共同作用结果。非等分剪切区模型正确反映了第一变形区温度和应力的分布特征,且与二维有限元模型分布相一致,建立的第一变形区微观结构演化解析模型能够预测切屑内位错密度和晶粒尺寸。     

Evaluation of tool wear and cutting performance considering effects of dynamic nodes movement based on FEM simulation

An accurate estimation of tool wear morphology can provide the opportunity to investigate the influence of tool wear on cutting performance as well as reduce the overall production cost. However, tool wear prediction is still a very challenging research issue. In this paper, a novel method for simulating the actual chip formation and wear evolution thorough the 3D finite element model has been carried out. In order to improve the accuracy of simulation results, the influence of worn tool, stress and temperature distribution on wear rate are considered. Then cutting experiment has been conducted by turning AISI1045 with uncoated carbide tools to validate the accuracy of the proposed model. The comparison between experimental and simulation results show good agreement which proves the ability of the proposed model in forecasting the tool wear. The validated finite element model has been further utilized studying how the worn tool affects the cutting performance including actual cutting rake, stress distribution, cutting force and temperature. The results of this paper not only provide a clear understanding of wear evolution between tool rake face and chip, but also are meaningful to optimize tool design and cutting parameters.     

基于零厚度内聚力单元单向碳纤维增强树脂基复合材料微观切削机理研究

为探究碳纤维复合材料(CFRP)微观切削机理,通过有限元法,采用零厚度内聚力单元模拟界面相,碳纤维建模呈圆柱状并随机分布于基体中,以此来真实反应CFRP的微观结构。通过对各组成相设置不同的材料本构、材料失效和演化准则,对4种典型角度(0°、45°、90°、135°)进行直角切削仿真,探究不同纤维角度下单向碳纤维增强树脂基复合材料(UD-CFRP)在切削过程中的微观切削机理。结果表明:不同纤维角度下CFRP的微观破坏形式不同,切削0°CFRP时破坏主要以界面开裂和纤维折断为主,切削45°和90°CFRP时主要是刀具的侵入破坏,切削135°CFRP时则发生纤维的断裂和沿纤维方向的裂纹,纤维断裂点在刀刃下方。最后,通过实验验证了微观模型的准确性。     

切深对椭圆超声振动切削机理的影响

以椭圆超声振动切削为研究对象,通过理论分析,有限元仿真和切削实验,研究了切深变量对其切削过程中机理的影响。指出在微小的切深条件下,刀尖钝圆影响不可忽略,其切削过程表现出微细切削特性。一方面,基于微细切削理论,建立了正交椭圆超声振动切削运动学和力学模型,将切削区分为后刀面回弹区、刀尖犁切区、刀尖剪切区和前刀面摩擦区四个区域,并依次对四个区域内不同切深条件下各个切削分力进行计算分析。另一方面,对切削过程进行有限元仿真和切削实验。其结果表明:当切深小于最小切削厚度时,切削过程主要为刀具后刀面的回弹挤压与摩擦和刀尖钝圆的犁切作用,不产生切屑,切深抗力大于主切削力;当切深大于最小切削厚度并逐渐增大时,刀尖剪切和切屑与前刀面的挤压与摩擦作用逐渐凸显并成为主要切削方式,此时主切削力逐渐超过切深抗力并迅速增大。     

Inconel 718车削过程中刀具涂层材料和几何参数对切削力的影响研究

基于Deform 2D仿真软件建立了Inconel 718高温合金车削的有限元模型,对车削过程进行了仿真分析,获得了刀具涂层材料和刀具几何参数对切削力的影响规律。研究结果表明:Inconel 718车削过程中,采用涂层刀具时切削力无明显降低;切削力随前角增大而降低,随后角增大变化不大,随刀尖圆弧半径增大而升高,其中前角和刀尖圆弧半径影响较为显著;根据Inconel 718的切削加工性,建议Inconel 718精车时刀具几何参数的取值范围为:前角6°~8°,后角12°~14°,刀尖圆弧半径0.2~0.4mm。