基于 ABAQUS 的切削殘余應力仿真說明書,基于,abaqus,切削,殘余,殘存,應力,仿真,說明書,仿單 I基 于 ABAQUS 的 切 削 殘 余 應 力 仿 真 摘 要切削是機械加工中應用最廣泛的一種加工方式，而其加工過程中工件表面產(chǎn) 生的殘余應力是影響加工件質(zhì)量的重要因素。本文針對切削加工中工件表面產(chǎn)生 的殘余應力進行研究。分析了切削加工過程中工件表面殘余應力產(chǎn)生的原因及影響因素，根據(jù)切削 的加工的基本原理， 應用 ABAQUS 軟件建立了切削的三維有限元仿真模型， 通過對 切削過程中材料變形與斷裂關系的分析，選擇了 Johnson—Cook 本構模型，同時 完成了模型材料屬性、網(wǎng)格劃分、摩擦和邊界條件等參數(shù)的設置，建立了與實際 切削過程比較相近的有限元仿真模型。對切削過程進行了有限元仿真，分析了切削過程中工件表面殘余應力的分布 及變化規(guī)律；針對不同切削深度、不同切削速度時工件切削表面的殘余應進行了 分析，獲得了殘余應力在各個方向的分布和變化規(guī)律，以及其沿著深度方向殘余 應力的分布及變化規(guī)律。為有效控制切削工件表面及內(nèi)部殘余應力分布，提高工 件表面質(zhì)量提供參考關鍵詞：切削，殘余應力，有限元分析，ABAQUSAbstractCutting is one of the most widely used machining methods in machining, and the residual stress generated on the surface of workpiece during machining is an important factor that affects the quality of machined parts. This paper studies the residual stress generated on the surface of the workpiece during cutting.The causes and influencing factors of surface residual stress in cutting process are analyzed. according to the basic principles of cutting, ABAQUS software is applied to establish a three-dimensional finite element simulation model of cutting. by analyzing the relationship between material deformation and fracture in cutting process, Johnson- cook constitutive model is selected, and parameters such as model material properties, mesh division, friction and boundary conditions are set up at the same time, and a finite element simulation model which is relatively similar to the actual cutting process is established.Finite element simulation of cutting process is carried out, and the distribution and change law of residual stress on the surface of workpiece during cutting process are analyzed. The residual stress on the cutting surface of the workpiece at different cutting depths and speeds should be analyzed, and the distribution and change law of residual stress in all directions, as well as the distribution and change law of residual stress along the depth direction are obtained. Provide reference for effectively controlling the distribution of residual stress on the surface and inside of the cutting workpiece and improving the surface quality of the workpiece.Keywords:Cutting， Residual stress， Finite element analysis， ABAQUSIII目 錄摘 要 ............................................................................................................................................................IABSTRACT......................................................................................................................................................II1 緒 論..........................................................................................................................................................11.1 背景意義 ...........................................................................................................................................11.2 金屬切削加工概述 ............................................................................................................................11.3 有限元軟件 ABAQUS 的概述 .............................................................................................................21.4 本章小結 ...........................................................................................................................................32 切 削 殘 余 應 力 的 產(chǎn) 生 ...........................................................................................................................52.1 殘余應力的定義 ...............................................................................................................................52.2 殘余應力的分類 ................................................................................................................................52.3 殘余應力產(chǎn)生的機理 ........................................................................................................................52.3.1 機械應力引起的殘余應力 ........................................................................................................62.3.2 熱應力引起的殘余應力 ............................................................................................................62.3.3 相變引起的殘余應力 ................................................................................................................62.4 本章小結 ............................................................................................................................................63 切 削 過 程 仿 真 模 型 的 建 立 ...................................................................................................................83.1 幾何模型 ...........................................................................................................................................83.1.1 材 料 本 構 模 型 .........................................................................................................................83.1.2 材料失效準則 ............................................................................................................................83.1.3 工件與刀具材料 .....................................................................................................................103.1.4 摩擦模型 .................................................................................................................................103.2 建立部件 .........................................................................................................................................113.2.1 創(chuàng)建部件 .................................................................................................................................113.2.2 創(chuàng)建切削平面 .........................................................................................................................113.2.3 創(chuàng)建刀具模型 .........................................................................................................................113.3 網(wǎng)格劃分 .........................................................................................................................................123.3.1 工件網(wǎng)格劃分 .........................................................................................................................123.3.2 刀具網(wǎng)格劃分 .........................................................................................................................133.3.3 創(chuàng)建網(wǎng)格部件 .........................................................................................................................143.4 創(chuàng)建材料 .........................................................................................................................................153.4.1 定義各零部件的材料參數(shù) .....................................................................................................153.4.2 設置截面屬性 .........................................................................................................................163.4.3 賦予截面材質(zhì) .........................................................................................................................163.5 模型裝配 .........................................................................................................................................163.6 定義分析步和定義輸出 .................................................................................................................173.6.1 定義分析步 .............................................................................................................................173.6.2 定義輸出項 .............................................................................................................................173.7 定義表面和接觸 .............................................................................................................................183.7.1 定義接觸面 .............................................................................................................................183.7.2 定義接觸屬性 .........................................................................................................................183.7.3 定義刀具的剛體約束 .............................................................................................................193.8 定義邊界條件和載荷 .....................................................................................................................193.8.1 定義約束邊界條件 .................................................................................................................193.8.2 創(chuàng)建溫度預定義場 .................................................................................................................203.9 提交作業(yè)并運行計算 .....................................................................................................................203.9.1 創(chuàng)建數(shù)據(jù)檢查任務 .................................................................................................................203.9.2 提交作業(yè) .................................................................................................................................213.10 本章小結 ........................................................................................................................................214 模 擬 結 果 分 析 .....................................................................................................................................234.1 已加工表面殘余應力的形成及分析 .............................................................................................234.2 加工參數(shù)對殘余應力的影響 .........................................................................................................234.2.1 切削速度對殘余應力的影響 .................................................................................................234.2.2 切削深度對殘余應力的影響 .................................................................................................264.3 本章小結 ..........................................................................................................................................295 結 論 與 展 望 .........................................................................................................................................31參 考 文 獻 ： ...............................................................................................................................................33致 謝 ..........................................................................................................................................................35附 錄 A RESIDUAL STRESSES.....................................................................................................................3711 緒 論1.1 背景意義從 18 世紀的工業(yè)革命開始之后， 由于 蒸汽機和現(xiàn)代機床的出現(xiàn)， 蒸汽機被用于切削加工的動力。 在 19 世紀， 切削加工開始使用電力。 金屬切削原理和磨削原理在 19 世紀相繼被研究。之后就出現(xiàn)了各種各樣的新型材料。到了 19 世 紀末時， 高速鋼刀具的切削速度已經(jīng)是碳素工具鋼與合金工具鋼刀具的兩倍多。 然而硬質(zhì)合金刀具比高速鋼的切削速度又提升了兩倍，隨后又出現(xiàn)了金屬陶瓷 和超硬材料，再次提高了切削速度和加工精度。隨著機床和刀具的發(fā)展，不斷 對切削加工進行了各方面的提高，使得切削加工的應用范圍日益增大，更深層 次的促進現(xiàn)代機械制造的完善、發(fā)展。由刀具對已加工表面的各種作用所造成的綜合作用下，在加工過程中。刀 具前刀面和切屑間的作用及刀具后刀面和已加工表面間的摩擦等組合作用下， 塑 性 變 形 和 相 變 [3]在 一 定 深 度 會 出 現(xiàn) 。 這 個 區(qū) 域 會 約 束 變 形 的 部 分 向 原 始 狀 態(tài) 恢復的過程。因此，殘余應力就這樣在工件表層內(nèi)部產(chǎn)生了。這種應力與工件 加工精度有非常重要的關系。零件表面由機械和熱應力及相變引起的殘余應力被分為兩種形式：殘余拉 應力和殘余壓應力。 其中 ， 殘余拉應力會降低零件疲勞強度使得零件表面裂紋 擴展速度加快，而殘余壓應力會使零件疲勞強度提高，降低了零件表面裂紋擴 展速率 [4]。 為 了 提 高 零 件 的 表 面 質(zhì) 量 和 保 證 工 件 的 使 用 壽 命 ， 所 以 對 金 屬 切 削 中已加工表面殘余應力的產(chǎn)生及分布規(guī)律的研究是很重要的。本文中著重考慮 切削加工表面殘余應力的研究， 這對于已加工表面的表面質(zhì)量有著重要的意義。1.2 金屬切削加工概述金屬切削加工就是為了得到某些形狀從而用工具對工件進行加工。當然， 該過程中要保證尺寸精度和表面質(zhì)量。切削有三個必要的條件：工件和刀具要 有相對運動; 刀具材料一定要具備切削性能; 必須給予刀具適當?shù)膮?shù)。金屬 切削是由機床或者手工進行切削加工, 主要形式有車、鏜、銑、磨、鉆、刨、 齒輪加工、鉸孔、銼、鋸等等。雖然有非常多樣的形式, 但是這些形式在許多 地方都具有相同的現(xiàn)象和規(guī)律。這些現(xiàn)象和規(guī)律會讓學習各種方法變得更加的輕松。19 世紀人們開始了對金屬切削原理的研究。 1851 年， 法國人 M. Kokkilara 在進行切割鑄鐵和其他材料時第一個測量了扭矩，并且說出了這個過程中要去 做哪些必要的工作。 在 1864 年， 法國人羅素第一個對切削刀具的幾何參數(shù)進行了 研 究 。 到 了 1870 年 ， 俄 國 人 ， 季 梅 對 切 屑 形 成 的 過 程 進 行 了 解 釋 ， 并 且 提 出了金屬材料被切割的新概念。 直到 1896 年， 塑料變形的概念才被引入了金屬切 削當中。 因此， 更加完善了對切屑的形成的解釋。 1904 年， 英國人 J.F.尼科爾 森 發(fā) 明 了 第 一 臺 三 向 測 力 儀 ， 使 切 削 力 的 水 平 向 前 邁 進 了 一 大 步 。 1907 年 ， 美 國 F.W. Taylor 就切削速度對刀具壽命的影響開始了研究，并且發(fā)表了非常有 名的泰勒公式。 在 1915 年， 俄羅斯 Usachov 將熱電偶插入到切削邊緣附近的小 孔中，測量工具表面的溫度(通常稱為人工熱電偶法)，就這一理論運用大量的 實驗來發(fā)現(xiàn)和驗證溫度與切削條件之間的關系。從 1924 年到 1926 年，英國的 赫伯特，美國的 H. Shore，以及德國 K. Kotvin，都使用該工具在工件之間自 然產(chǎn)生熱電勢(通常稱為自然熱電偶法)的原理，獨立地測量了平均溫度 [1]。從 1938 年到 1940 年， 美國的 H. Ernst 和 M.E. McCutchen 對切屑的形成過 程進行了高速顯微鏡下的拍攝，從而找到并對間歇式切屑和連續(xù)切屑的形成機 制進行了解釋，其主要是摩擦造成的。自 20 世紀 40 年代以來，各國學者對前 人的研究成果進行了系統(tǒng)的總結和發(fā)展，充分利用了現(xiàn)代技術和先進的檢測手 段，取得了許多新的成果，出版了大量的論文和專著。例如，美國的 S. Lamaringam 和 J.T. Blake 利用 SEM 在 1972 年使用微切割設備觀察切屑的形成， 并獲得了用位錯力學解釋切屑形成的實驗基礎 [1]。金屬切削加工仍然會是第二十一世紀機械制造的主要處理方法, 以及當代 許多領域都對精密零件提出了較高的要求。金屬切削是一種高溫、高壓、高應 變率的復雜工藝, 在加工表面具有較大的殘余應力 [2]。對于殘余拉應力而言主 要會產(chǎn)生不好的影響，降低零件的疲勞強度，從而導致零件表面出現(xiàn)微裂紋， 這樣就會降低零件的使用壽命；而殘余壓應力也有其造成不好影響的一面。所 以，使得其加工過程變得難以用解析法分析。1.3 有限元軟件 ABAQUS 的概述ABAQUS 有限元軟件的研發(fā), 被公認為世界上最強大的之一, 其中一個非 線性有限元軟件可以分析各種機械系統(tǒng), 特別是處理復雜的力學和模擬高度非 線性問題。 ABAQUS 的建模能力非常厲害還有其豐富多樣的庫, 可以對任何形狀 進行模擬分析。而且 ABAQUS 還有許多材料庫, 可以對大多數(shù)材料的性能進行3模擬, 此外還有其他的優(yōu)點, 首先, 其強大的網(wǎng)格細分能力可以從復雜模型的 角度分裂成超單元, 然后可以進一步劃分為理想的六面體。其次, 其強大的二 次開發(fā)能力與 47 位用戶界面聯(lián)系 , 可以根據(jù)需要編寫任何合適的用戶單元等, 也可以實現(xiàn)參數(shù)化建模。 最后, ABAQUS 還提供了一個非常龐大的模型庫 , 如實 殼單元、體單元、梁單元、剛性單元和彈簧單元等。ABAQUS 有兩個主要的分析模塊 ABAQUS /Viewer 和 ABAQUS /CAE。在眾多的 分析模塊中， 常用的模塊只有 ABAQUS / CAE 和 ABAQUS / Viewer。 前者是 ABAQUS 的工作環(huán)境的融合，包含建模，互動模式、提交作業(yè)和監(jiān)控操作過程及結果評 價功能，而 ABAQUS / CAE 則是一個子模塊，包含整個模型的所有后處理功能。ABAQUS/CAE 是 ABAQUS 交互式的一個圖形環(huán)境。對一個模型的分析過程大 致是：首先通過建模功能本身或由其他 CAD 軟件導入要分析的幾何模型，并對 其劃分網(wǎng)格，定義模型的材料特性參數(shù)，然后根據(jù)要求添加載荷和創(chuàng)建邊界條 件。ABAQUS 具有強大的網(wǎng)格劃分功能， 而且可以檢驗生成的幾何模型網(wǎng)格的正 確與否。生成模型后，然后就可以提交作業(yè)，并對其進行監(jiān)控和分析，根據(jù)自 己的需要對其設置就可以得到想要的結果。隨著計算機技術的飛速發(fā)展，仿真軟件可以通過有限元模擬軟件模擬。要 實現(xiàn)最終的載體是通過有限元分析軟件技術集成的有限元分析，在眾多的有限 元分析軟件中， ABAQUS 非線性分析以其強大的功能和強大的建模功能贏得了廣 大企業(yè)、科技科學研究機構和高等院校喜愛，逐漸成為軟件工程的第一選擇。 現(xiàn)在 ABAQUS 已經(jīng)在眾多的領域被廣泛應用。1.4 本章小結本章節(jié)主要介紹了金屬切削加工的原理及發(fā)展，講述了切削加工的重要性 及切削件表面殘余應力對加工件表面質(zhì)量的影響。還介紹了本文所用有限元軟 件 ABAQUS，該軟件由美國 ABAQUS 公司研制開發(fā)，描述了該軟件的各種功能、 應用及發(fā)展。2 切 削 殘 余 應 力 的 產(chǎn) 生2.1 殘余應力的定義殘余應力就是在沒有外力作用下，物體內(nèi)部自己保持平衡的應力。殘余應 力有兩種形式，分為殘余拉應力和殘余壓應力。為了使物體表面殘余應力得到 平衡，定義了物體表面的殘余應力和內(nèi)部殘余應力的符號正好相反。2.2 殘余應力的分類殘余應力根據(jù)其影響程度可以分為宏觀應力和微觀應力。 在 19 世紀， 宏觀 應力被叫做第一類殘余應力；而微觀應力則被叫做第二類和第三類殘余應力。 第一類殘余應力是在比較大的范圍內(nèi)或者在材料內(nèi)部晶粒的范圍內(nèi)可以保持平 衡的，大小和方向都可以用機械和物理方法進行檢測。第一類殘余應力對加工 的工件影響較大，該工件的性能能否達到要求以及是否合格都會受到影響。因 此，在實際的生產(chǎn)中被研究的殘余應力一般指第一類殘余應力。這樣就可以根 據(jù)加工的需求來改變，從而讓殘余應力更多的偏向有利的方面。殘余應力由其產(chǎn)生的原因，可以分為體積應力和結構應力。物體由于受到 外部不均勻的機械作用、熱或者化學作用產(chǎn)生的應力就是體積應力。內(nèi)部組織 結構均勻的物體也會產(chǎn)生這種殘余應力。當物體內(nèi)部的組織結構不均勻時所產(chǎn) 生的應力叫做結構應力，當然就算是外部受到均勻的作用也可能出現(xiàn)這種殘余 應力。根據(jù)表現(xiàn)的形式可以把殘余應力分為拉應力和壓應力。工件在運行時突然 受到來自外部的載荷時，工件承受的實際載荷就是外部載荷和內(nèi)部的殘余應力 之和。這樣的話就會影響工件的實際承載能力，在使用過程中會造成過載斷裂 等情況，這樣的突然失效如果是發(fā)生在某些非常重要的部件就會帶來嚴重的后 果。此外，殘余拉應力會使零件表面裂紋的生成和擴展速率增快，降低零件的 抗疲勞強度、耐腐蝕性和尺寸穩(wěn)定性等。而殘余壓應力在一定程度上則會提高 零件的抗疲勞強度和耐腐蝕性能。2.3 殘余應力產(chǎn)生的機理5要分析殘余應力產(chǎn)生的機理，在理論上來說定量分析還是有困難，所以只 好對其進行定性分析。造成切削過程中產(chǎn)生殘余應力的關鍵：主要是由機械和 熱應力所引起的塑性變形。2.3.1 機 械 應 力 引 起 的 殘 余 應 力刀具在切削工件材料的過程中， 與前刀面接觸的區(qū)域會產(chǎn)生壓縮塑性變形， 而與后刀面接觸的區(qū)域則會產(chǎn)生拉伸塑性變形。所以，這樣就會造成在刀具運 動方向形成殘余拉應力。與此同時，由于刀具的后刀面對已加工表面的擠壓和 摩擦，這樣就會造成已加工表面形成了殘余壓應力。實際上在加工過程中，機 械應力產(chǎn)生的殘余應力是由殘余拉應力和殘余壓應力的向量和。2.3.2 熱 應 力 引 起 的 殘 余 應 力金屬切削加工時會形成三個變形區(qū)域，由于摩擦和塑性變形的存在，使得 切削區(qū)域有都會產(chǎn)生大量的切削熱。這些熱量沒有在短時間內(nèi)散發(fā)掉，所以就 會造成工件表面會出現(xiàn)受熱膨脹的現(xiàn)象。但是由于表面的熱膨脹會受到來自基 體的束縛從而就會產(chǎn)生壓縮塑性變形。當工件加工完成后，切削熱逐漸散發(fā)， 工件冷卻到室溫，此時產(chǎn)生壓縮塑性變形的表層區(qū)域就會在工件表面形成殘余 拉應力。2.3.3 相 變 引 起 的 殘 余 應 力如果工件在切削過程中產(chǎn)生的切削熱的溫度高于材料自身的相變溫度，這 個時候工件表層就會在冷卻的時候發(fā)生相變從而導致工件體積的變化，最終就 會形成殘余應力。然而實際加工中， 工件表面最終的殘余應力都是這幾種殘余應力的向量和。 一般情況下，如果刀具切削工件的速度比較低時，切削完成后冷卻也比較好， 切削時的溫度也不是太高， 這時對殘余應力的產(chǎn)生起主要作用的就是機械應力。 當?shù)毒咔邢鞴ぜ乃俣缺容^高、切削時的溫度也較高，這時候起主要作用的就 是工件表面的熱塑性變形。當?shù)毒咚俣冗M一步增大，切削的時溫度達到了材料 的相變溫度，這時候?qū)堄鄳ζ鹬饕饔玫木褪窍嘧儭Ｋ哉f，工件表面殘 余應力的產(chǎn)生是有多種形式的，但是最終的大小都是多種應力的向量和。2.4 本章小結本章主要講述了殘余應力的分類與產(chǎn)生的機理，殘余應力由于其不同的形 式而有不同的叫法，其中在不同情況下起主要作用的殘余應力也不同。殘余應 力主要有三部分產(chǎn)生：機械應力產(chǎn)生的殘余應力、熱應力產(chǎn)生的殘余應力和相 變導致體積變化所造成的殘余應力。殘余應力最終的大小都是各種情況下的向 量和。73 切 削 過 程 仿 真 模 型 的 建 立3.1 幾何模型3.1.1 材 料 本 構 模 型材料的力學性能用材料本構模型來表述，并且在變形過程中表征了其動力 響應。這些因素的任何改變都會導致流動壓力發(fā)生重大變化。因此, 材料本構 模型一般表示為流動應力與變形參數(shù) (如應變、應變速率和溫度) 之間的數(shù)學 函數(shù)關系 [5]。材料本構模型是非常重要的，所以建立一個材料本構模型是很有 必要的。在現(xiàn)代塑性加工力學的塑性有限元分析中, 材料的流動應力是輸入中 的一個重要參數(shù), 其精度也是提高理論分析可靠性的關鍵 [5]。對切削數(shù)值進行 模擬、預測是零件切削變形的一個重要依據(jù), 只有在大變形的情況下建立應變 速率和溫度變化的應力-應變關系, 能夠準確地描述材料在加工過程中的塑性 變形規(guī)律, 這反過來在某些邊界條件下又可以與切削部變形的大小和趨勢的負 荷預測。在切削過程中, 切削的應變、應變速率和溫度都是是不均勻分布的，當工 件處于應變、高溫、塑性變形時。因此，本構方程可以反映應變，應變率和溫 度對材料流動應力的影響的切削模擬具有重要意義。 只有 Johnson-Cook 模型描 述了高應變率下熱粘塑性變形的行為。Johnson—Cook 模型可以表明該材料的 許多特性，Johnson—Cook 模型表達式如下：? ????? ???????????????(A?????n ) ????1??C ln ??????1???? r ??? （ 3.1）? ?0 ??? ???m ???r ??上述表達式中，A,B,n,C,m 都是常數(shù)，是由其自身材料性質(zhì)決定的； ?m 為材料 的熔點； ?r 為室溫 ； ?0 為參考應變速率。3.1.2 材 料 失 效 準 則運用剪切失效模型來達到切屑分離。剪切失效模型對應于等效塑性應變， 在其積分點上的值就相當于前者的效果，當損傷參數(shù)達到 1 時，網(wǎng)格單元就會 失效，失效表達式如下：??pl pl?0 ? ??pl （3.2）?fpl pl pl式中： ?就是失效參數(shù)， ?0 是 塑 性 應 變 的 初 始 值 ， ??pl是塑性應變的增量， ?f是失效時的應變值。 失效應變值 ?0 的定義如下： 根據(jù)塑性應變率， 對其壓應力和偏心應力的比 p/q(p 為壓應力，q 為 Mises 應力)。圖 3.1 是該材料遭到應力應變破壞的特征圖。彈塑性材料在各方面都強化的情況下有兩種破壞形式：彈性的軟化和屈服應力的退化，圖 3.1 中顯示的實 線代表了已經(jīng)被破壞的應力應變的材料響應，而虛線就沒有破壞時候的應力應 變響應。pl圖 3.2 中 ?y 0 和 ?0pl圖 3.1 損傷退化應力應變?yōu)椴牧祥_始損傷時的屈服應力和等效塑性應變。失效的pl等 效 塑 性 應 變 是 ?f 。 材 料 失 效 時 的 等 效 塑 性 應 變 ?f 依賴于單元的特征長度，不能作為描述材料損傷演化的準則。相反，材料損傷演化的準則又等效塑性位pl移 u 或者斷裂耗散能量 Gf 決定。當材料開始破壞，應力-應變曲線不能準確地描述材料的行為。這種應力- 應變曲線繼續(xù)應用導致應變集中，且變化太依賴于網(wǎng)格的建模繪制，使消耗的 能量隨網(wǎng)格變得致密。 采用應力-位移響應曲線的分析來減少對電網(wǎng)的依賴特征 的破壞過程是 Hillerborg 能 量 衰 竭 的 方 法 。 脆 性 斷 裂 的 概 念 是 用 來 定 義 能 GF 的 材料參數(shù)。這樣的損傷軟化效果的應力位移響應而不是脅迫的響應。破壞能量 有下式表示：pl? f L??d pl plpl ???u f ??du （3.3）Gf ??pl y ? ?0 y?0pl表達式中的 u 為等效塑性位移， 描述了損傷裂紋開始后屈服應力的變化， 在損pl pl pl傷開始之前 u =0.在損傷開始之后 u = L???，積分點相關單元的損傷特征長度L， 單元特征長度基于所設定的單元形狀的定義， 平面單元長度是積分點單元區(qū) 域面積的平方根，對于立方體單元長度則是積分點區(qū)域體積的立方根?；谟??10?效塑性位移定義損傷演化用 Linear 方法定義即如下圖所示：圖 3.2 線性損傷演化pl plL? upl pl （3.4）u f u fpl pl該準則使有效塑性位移達到 u = u f 時， 材料的剛度完全喪失， 模型的失效網(wǎng)格自動被刪除，也就是材料會在此時斷裂，切屑開始形成。3.1.3 工 件 與 刀 具 材 料工 件 材 料 為 Ti6Al4v 鈦 合 金 ， 密 度 ?=4.43?10-9t/mm3 泊 松 比 μ =0.33 其 他 參 數(shù) 如 表 2.1 所 示 。 刀 具 使 用 的 是 碳 化 鎢 ， 密 度 ?=1.19?10-8t/mm3，泊松比μ=0.25 其它參數(shù)如下表表 3.1Johnson-Cook模型材料參數(shù)材料 A(MPa)B(MPa)n m熔化溫度(K)Ti6Al4V 10981092 0.93 1.1 1630楊氏模量 (MPa)表 3.2 刀具材料參數(shù)比熱泊松比(J/g?K)導熱率 (W/mm?K)6.5×105 0.25 1.5×109 353.1.4 摩 擦 模 型在金屬切削刀具前刀面的摩擦狀態(tài)中的處理是很復雜的，常常前刀面摩擦d ?11分為粘合區(qū)和滑動區(qū)，粘合區(qū)摩擦狀態(tài)與材料的臨界剪切應力相關聯(lián)，滑動區(qū) 域可以被認為到恒定的摩擦系數(shù)下式可以使用：?c ??min???n ,?s ? (3.5)式中： ?c 為接觸面的滑動剪切應力； ?為摩擦系數(shù)； ?n 為接觸面上的壓力； ?s 為材料的臨界屈服壓力。3.2 建立部件3.2.1 創(chuàng) 建 部 件打開 ABAQUS 軟件， 在主菜單中選擇部件， 下拉菜單選擇創(chuàng)建。 在彈出的對 話框中模型空間選擇三維空間，類型選擇可變形，基本特征選擇實體拉伸，近 似尺寸 100。 點擊繼續(xù)進入繪制草圖步驟。 (本文仿真過程中單位默認為 mm、 N、 s)在隨后出現(xiàn)的草圖繪制模塊中， 建立一個 30mm×10mm 的四邊形， 點擊完成 輸入拉伸深度 5mm,然后完成工件的創(chuàng)建。3.2.2 創(chuàng) 建 切 削 平 面在主菜單選擇工具，在下拉菜單中選擇分區(qū)，如圖 3.3 在出現(xiàn)的對話框中 選擇邊然后輸入?yún)?shù)，選擇部件的三條豎直邊分割出三個點，然后根據(jù)三點確 定一個平面把工件分區(qū)，分割出切削區(qū)域。圖 3.3 工件創(chuàng)建分區(qū)3.2.3 創(chuàng) 建 刀 具 模 型12按 照 以 上 方 法 再 次 創(chuàng) 建 一 個 三 維 可 變 形 模 型 ， 近 似 尺 寸 選 擇 50。 進 入 草 繪 繪 制 模 板 中 ， 按 照 圖 所 示 3.4 尺 寸 繪 制 ， 然 后 拉 伸 深 度 3mm,完成后對刀具進行 倒角，倒角半徑 0.05mm。刀具如圖 3.5 所示。圖 3.4 刀具草圖 圖 3.5 刀具模型3.3 網(wǎng)格劃分3.3.1 工 件 網(wǎng) 格 劃 分在模塊中選擇網(wǎng)格，為邊布種，選擇上下四條長邊，選擇按個數(shù)布種，種 子數(shù)為 150，完成后用同樣的方法給上下四條短邊布種，種子數(shù) 25。切削層上 邊的四條豎直短邊種子數(shù)為 10， 切 削 層 下 邊 四 條 豎 直 邊 偏 移 選 擇 單 精 度 ， 尺 寸 控制單元數(shù) 8，偏心率 10，確定后點擊為部件劃分網(wǎng)格選擇是完成對工件的網(wǎng) 格劃分，如圖 3.6 所示。圖 3.6 工件網(wǎng)格化13在主菜單界面中選擇網(wǎng)格，選擇下拉菜單中的控制屬性選項，在彈出的選 項中選擇六面體，技術選擇結構，點擊確定完成控制屬性的設置。下一步的重 要步驟是單元類型的設定。在菜單欄中選擇網(wǎng)格，然后選擇類型，框選整個零 件后點擊確認。彈出圖 3.7 所示的對話框，在元素庫中選擇溫度一位移藕合的 元素族形式，幾何次數(shù)選擇線性。選擇六面體，分析類型三維應力，其余設置 為默認，點擊確認按鈕完成元素類型設定。圖 3.7 單元類型設置3.3.2 刀 具 網(wǎng) 格 劃 分在網(wǎng)格模塊的 Part 下拉菜單中選擇調(diào)入刀具零件， 如圖 3.8 所示前刀面和 后刀面使用按尺寸撒種， 其他邊采用均勻撒種。 對刀具的底邊和斜邊進行布種， 然后點擊為部件劃分網(wǎng)格，完成對刀具的網(wǎng)格劃分?？刂茖傩院蛦卧愋透?件一致。14圖 3.8 刀具布種3.3.3 創(chuàng) 建 網(wǎng) 格 部 件選擇工件，在菜單中選擇網(wǎng)格，在下拉菜單中選擇創(chuàng)建網(wǎng)格部件，點擊確 定完成工件網(wǎng)格部件的創(chuàng)建， 如圖 3.9 所示， 同理創(chuàng)建刀具網(wǎng)格部件， 如圖 3.10 所示。圖 3.9 工件網(wǎng)格部件圖 3.10 刀具網(wǎng)格部件153.4 創(chuàng)建材料3.4.1 定 義 各 零 部 件 的 材 料 參 數(shù)進入屬性模塊，選擇創(chuàng)建一個新的材料。新材料取名為 Ti6Al4V， 在 通 用 選項中， 輸入密度 4.43×10-9t/mm3。 在力學彈性選項中 ， 分別設置楊氏模量和泊 松比的值為 1.1×105t/mm3 和 0. 33。 選擇力學， 在塑性選項中選擇 Johnson-Cook， 這個選項代表金屬材料塑性行為的本構方程。不同本構方程的結果會有很大不 同 ， 所 以 要 根 據(jù) 自 己 的 仿 真 選 擇 合 適 的 選 項 。 按 照 圖 3.11 所示的數(shù)據(jù)行輸入各項 參 數(shù) ;點 擊 圖 3.11 中的子選項按鈕，在彈出的下拉菜單中選擇依賴于變化率， 同樣在硬化選項中選擇 Johnson-Cook,然 輸 入 C 的值 0.014，Epsilon dot zero 的 值 1，這些參數(shù)設定了應變率對材料性能的影響。圖 3.11 工件材料塑性設置選擇力學，延性金屬損傷，復選 Johnson Cook 損傷，如圖 3.12 輸入?yún)?shù)， 然后選擇如圖 3.12 所 示 的 子 選 項 ， 點 選 損 傷 演 化 ， 破 壞 位 移 填 寫 0.2mm。 然 后 將比熱 6.7×108 J/g?K， 熱傳導率 6.6 W/mm?K， 膨脹系數(shù) 9×10-6/K 依次都填寫完 成。 點擊確定， 完成材料 Ti6Al4V 的參數(shù)設定。 同樣的辦法創(chuàng)建一個新的材料， 將密度 1.19×108t/mm3， 比 熱 1.5×109 J/g?K， 傳 導 率 35， 楊 氏 模 量 6.5×105MPa， 泊松比 0.25 輸入完成刀具材料的創(chuàng)建。16圖 3.12Johnson Cook 損 傷3.4.2 設 置 截 面 屬 性打開屬性模塊然后選擇創(chuàng)建截面，在類別選項中選擇實體，在 T 類型選項 中選擇均質(zhì)，然后繼續(xù)。在材料選項中選擇金屬材料 Ti6Al4V,點擊確定完成此 截面的設置。用以上同樣的方法創(chuàng)建一個新的截面名稱為 Section2， 唯 一 不 同 的設置是在材料選項中選擇金屬材料 WC。 點 擊 確 定 完 成 此 截 面 的 設 置 。 此 時 打開截面管理器，應該看到有兩個已定義的截面如圖 3.13 所示。圖 3.13 截面設置3.4.3 賦 予 截 面 材 質(zhì)在屬性模塊中點擊部件 work-mash-1，點擊指派截面，框選整個工件，點 確定出現(xiàn)對話框，在截面中選擇 Ti6Al4V 確定，完成截面指派。同樣的步驟， 在截面選擇 WC，完成刀具截面的指派。3.5 模型裝配17在裝配模塊中點擊 Create Instance 對話框中選中刀具和零件的網(wǎng)格部件， 確定后刀具和工件就會出現(xiàn)在主窗口中，然后根據(jù)平移、旋轉(zhuǎn)等操作完成對刀 裝配工作，如圖 3.14 所示。圖 3.14 裝配圖3.6 定義分析步和定義輸出3.6.1 定 義 分 析 步進入分析步模塊， 選擇創(chuàng)建分析步， 選擇分析步類型為通用, 動力， 溫度- 位移;點擊繼續(xù)進入編輯分析步設置時間為 0.01，其它選項全部設置為默認， 點擊 OK 完成編輯分