基于有限元法的金属切削机理研究

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Simulation Research on M etal M achining Mechanism by Finite Element MethodXUE Jian.xun ，(1.Jiangsu Key Laboratory of Digital Manufacturing Technology，HuaiyIn Institute of Technology，Huaian 223O03，China；2。

Colege of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics ，Nanjing 210016，China)Abstract：Finite element analysis is an efective method which can be used to study metal machining mechanism.This paper makesa study of several key finite element techniques such as cuting model，constitutive model，friction model and chip separation andsimulates the orthogonal cuting process of AlS14340 aloy material by the use of finite element software ABAQUS and then analyzesits stress，strain，temperature and cuting fome.It proves that the constructed finite element model is reasonable。

key words：finite element；machining mechanism；constitutive model；chip separation0 前言金属切削是-个从工件毛坯表面以切屑形式去除多余材料的过程u 。对金属切削过程的机理进行研究，进而用于指导实际生产过程具有重要的理论意义和实用价值。研究金属切削机理的方法主要有高频摄影法、扫描电镜法等试验研究方法和离散元法、有限差分法、有限元法等数值模拟方法这两大类 。

有限元法是 2O世纪 5O年代首先在飞机结构分析中应用的-种有效的数值分析方法。随着计算机技术的迅速发展 ，有限元法已广泛应用于机械制造、航空航天、土木工程、石油化工等诸多领域，是研究金属切削机理的有效工具之-。大型通用有限元计算分析软件 ABAQUS具有强大的功能，适用于复杂问题的求解和非线性分析 J。

1 切削模型正交切削是指刀具主切削刃的刃倾角为 0。时的切削，此时主切削刃与切削速度方向成直角，故又称为直角切削。虽然实际切削加工中的大多数情况是属于斜角切削方式，但在理论和实验研究工作 中，则比较常用正交切削方式○属切削机理研究中，通常采用正交切削模型观察和研究变形区中的诸多现象，实际切削形式都是作为二元正交切削的应用来考虑 J。

2 金属切削有限元建模2.1 本构模型本构方程是指材料产生弹性变形或塑性变形时，应力与应变以及应力率与应变率之间关系的物性方程 ，也称为本构模型。在金属切削加工过程中，本构模型会对切削加工仿真结果的准确性产生根本的影响，因此必需根据实际的工况合理的选择材料本构模型。

迄今为止已经有多种金属材料的本构模型被提出，主要分为以Johnson-Cook模型、修正的 Johnson.Cook模型等为代表的经验本构模型和以Zerili.Amstrong模型、MTS模型等为代表的基 于物理学的本构模型。其中 Johnson。

Cook模型利用变量乘积关系分别描述应变、应变率和温度的影响，常用于模拟金属材料从低应变率到高应变率下的动态行为 。Johnson-Cook模型如式 1所示，表示为三项的乘积，分别反映了应变硬化、应变率硬化和温度软化。

[H )(1 ㈩2.2 摩擦模型在切削加工过程中，刀具和切屑之间的摩擦力的大小对加工状况有着重要的影响，因此在分析中应考虑摩擦。

有限元模型中，刀具-切屑表面分为滑动摩擦区和粘性摩擦区两个不同的摩擦区。在分析过程中，在粘结和滑动两基金项目：江苏省数字制造技术重点建设实验开放课题(HGDML-0912)作者简介：薛建勋(1978-)，男，江苏淮安人，讲师，博士研究生，主要研究方向为数字化制造。

Machine Building Automation，J.n 2013，41(2)：11-13· 机械制造 · 薛建勋 ·基于有限元法的金属切削机理研究