金属切削过程有限元模拟开题报告

金属切削过程有限元模拟开题报告本文简介：毕业论文开题报告题目金属切削过程的有限元模拟学生姓名李飞峰学号1115014238所在院(系)机械工程学院专业班级机自S1102班指导教师王燕燕2015年3月15日题目金属切削过程的有限元模拟一、选题的目的及研究意义金属切削过程是机械制造业中最重要的过程之一，它在机械制造工业中占据着重要的地位，并对

金属切削过程有限元模拟开题报告本文内容：

毕业论文开题报告

题

目

金属切削过程的有限元模拟

学生姓名

李飞峰

学号

1115014238

所在院(系)

机械工程学院

专业班级

机自S1102班

指导教师

王燕燕

2015年3月15日

题

目

金属切削过程的有限元模拟

一、

选题的目的及研究意义

金属切削过程是机械制造业中最重要的过程之一，它在机械制造工业中占据着重要的地位，并对国家经济和技术的发展有着深远的影响。金属切削加工的实质就是刀具和工件的相互作用用刀具切除工件上多余的金属层，从而获得形状、精度及表面质量都符合要求的工件的过程。在此过程中会伴随着各种现象，如切削变形、切削力、切削热、刀具的磨损与耐用度等，并且这些现象严重影响着产品的质量及生产成本。实际上，切削过程是一个很复杂的过程，它涉及到弹性力学、塑性力学、断裂力学还有热力学、摩擦学等诸多学科。切削质量受到刀具形状、切屑的流动、温度分布、热流和刀具磨损等影响，切削表面的残余应力和残余应变严重影响了工件的精度和疲劳寿命。为了研究金属切削的机理，使切削参数的选取、刀具的设计更加合理，学者们已经做了大量的研究工作,先后建立了许多简化的力学模型，其中比较著名的有Merchant切削模型和Oxley切削模型，对切削机理的研究起到了积极的推动作用。但是切削过程中各个变形区的变化过程、应力分布、应变分布、切削温度的分布等，仅仅通过解析法求解是不能解决的。随着计算机硬件技术和软件技术的快速发展，有限元（FEM）已经成为金属切削过程仿真的有效工具，实践证明，采用有限元来数值模拟解决工程实际问题能够达到所需的精度具有很高的可靠性。而且还可以得到许多从实验中很难得到的重要数据，仿真结果形象，直观，对实践有着很高的指导价值。利用有限元仿真技术研究金属切削加工过程以及各种参数之间的关系成为可能。并且能够方便地分析各种工艺参数对切削过程的影响，为优化切削工艺和提高产品精度与性能提供理论和实用手段。有限元所提供的分析方法，对于实际生产中工艺参数的优化，切削质量的控制，刀具设计提供了依据，同时对于提高金属切削效率并改善加工表面质量，优化加工工艺具有重要意义。

二、综述与本课题相关领域的研究现状、发展趋势、研究方法及应用领域等

1.研究现状：

金属切削加工过程是一个复杂的切削变形过程，工作条件非常恶劣，传统的研究方法主要基于试验，费时，费力。随着计算机技术的发展，有限元法现已成为金属切削过程模拟的主要工具，与其他传统方法相比，它大大提高了金属切削仿真结果的准确性。目前国际上对金属切削过程有限元模拟方面的研究较为深入，金属切削过程的研究方法已经从最初的简单的剪切平面法发展到更加复杂的有限元方法。而金属切削过程的有限元分析主要是建模，在金属切削过程的建模方法中，有限元法代表着最新的趋势。它利用大变形塑性理论，数值解技术及计算机计算能力的飞速发展，几乎能模拟金属切削过程的各个方面，从而更为细致的揭示切削过程。

金属切削数值模拟的首要任务就是切削模型的建立。早在1937年，著名学者Piispanen最先建立了切削模型（卡片运动模型）。这一模型是一个比较理想化的模型。它把稳态切削状态下产生切屑的原因描述为一叠卡片在刀具的挤推作用下沿着刀具的前刀面滑动而形成，并假象剪切区域是在一个绝对的平面上，因此，它无法解释切屑卷曲变形等问题。但是，它为以后切削模型的建立奠定了良好的基础。

1940年，最早研究金属切削机理的是Merchant,Piispanen,Lee

and

Shaffer等人，他们建立了金属切削的剪切角模型，并确定了剪切角与前角之间的对应关系。此后，大量学者开始将切削过程中的摩擦、高速应变率、加工硬化和切削温度对工件和加工精度的影响考虑到切削的模型中去，这使得对金属切削仿真计算的结果与实际测量数据更加接近，增加了人们对金属切削机理的认识。

1959年Palmer和Oxley、1961年Oxley等在他们的模型中考虑了构件硬化和应变率对加工过程造成的影响，使材料模型更加的合理；1965年Kudo建立了切屑卷曲模型，但这些模型都没有考虑切削热对材料的影响。

有限元方法最早被应用在切削加工的模拟是在70年代，1973年，B.E.Klamechi最先系统的研究了金属切削加工中切屑形成的原理，并用三维有限元模型分析了切屑形成的初始阶段。

1981年，Usui、Maekawa和Shirakashi等学者假设工件的流应力是应变、应变率和温度的函数，利用有限元法建立刀刃切削连续产生切屑的模型，采用库伦摩擦定律处理切屑-刀具接触面的发向力、摩擦力及摩擦系数的关系。

1982年，Usui和Shirakashi为了建立稳态的正交切削模型，第一次提出了刀面角、切屑几何形状和流线等概念，预测了应力应变和温度等参数；1984年，Iwata利用等塑性有限元方法分析了在低切削速度、低应变速率下的稳态切削。但是，他们都没有考虑弹性变形，所以没有计算出残余应力。

1985年，Stren-Kowski和Carrol建立了一个较新的有限元模型，此模型包括一个基于有效塑性应变的切屑分离准则，一些以前被忽略的参数被考虑进有限元模型，如构件、刀具被考虑为弹塑性材料，刀具与切屑之间的摩擦等。

1990年，Stren-Kowsk和Moon利用Eluer有限元模型研究正交切削，模拟了切屑形状，预测了工件、刀具以及切屑中的温度分布；Usui等人首次将低碳钢流动应力假设为应变、应变速率和温度的函数，以此模拟了连续切削中产生的切削瘤，而且在刀具和切屑接触面上采用库伦摩擦模型，利用正应力、摩擦应力和摩擦系数之间的关系模拟了切削工艺；Komvopoulos和Erpenbeck用弹塑性有限元模型研究了钢质材料正交切削中刀具侧面磨损、积屑瘤及工件中的残余应力等。

1993年，Toshimichi

Moriwaki等用钢塑性有限元模型模拟了红铜材料切屑形成，他们还模拟了切削深度在毫米到纳米范围内红铜材料正交切削过程中的温度场。

1994年，Zhang和Bagchi建立的正交有限元模型是利用两节点间的连续单元来模拟切削的分离，并以刀具的几何位置条件作为切屑分离的准则。当刀具进行切削时，这些连续的单元会依次分离从而形成切屑和工件的加工表面。

1995年，Shih建立了一个二维应变有限元模型来模拟正交切削连续切削形成的过程。其中工件材料考虑了弹性、粘塑性、温度、大应变和高应变效率，同时引入不平衡力的递减方法来改善切屑形成时单元分离过程中的稳定性。并建立了粘-滑动摩擦模型，用来解决切削-刀具接触面的摩擦问题。

1996年，Sasahara和Obikawa等利用弹塑性有限元法，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表面的的残余应力和应变；Zone-Ching

Lin，Yuung-Der

Yarng利用更新的拉格朗日方程及增量理论建立了三维弹塑性有限元模型，并研究了不同切削速度下切削中碳钢时切削力及残余应力的变化。

1998至1999年，Lars

Olovsson，Larsgunnar

Nilsson，Kjell

Simonsson，M.Movahhedy，M.S.Gdala，Y.Altintas用ALE法对正交金属切削过程进行了研究；T.Altan和E.Ceretti合作展开了直角与斜角切削过程中应力、温度场分布的二维与三维有限元分析；Liangchi

Zhang等人对有限元分析正交切削中的切屑分离准则作了深入研究。

2000年，台湾科技大学的Zone-Ching

Lin等对Nip合金的正交超精密切削深度和切削速度对残余应力的影响做了研究，模拟前对单向拉伸试验数据进行回归分析，得出材料的流动应力公式，考虑切削加工中热-机耦合效应，建立了热弹塑性有限元模型。

2001年，X.P

Yang，C.Richard

Liu建立了切削加工中摩擦力随压力变化的有限元模型，并研究它对残余应力的影响。

2002年，P.J.Arrazola，F.Meslin，C.R.Lin，Y.B.Guo等人对三维金属切屑过程的模拟进行了深入研究，分别建立了金属切削仿真的二维和三维切削模型，他们采用了网格自适应重划算法来解决刀-屑接触区局部单元所产生的大变形问题，分析了切削过程中的工件和刀具中的温度场、VonMises应力分布等，成功的模拟了切削的性形成过程。

2003年，宋金玲等通过计算机模拟金属切削连续稳态成屑过程，以三角元素进行有限元网格划分，采用Von-Mises屈服判据和Prandtl-Reuss流动定律，对工件切屑进行弹塑性变形及受力分析。

2004年，邓文君等华南理工大学建立了高强度耐磨铝青铜的正交切削有限元模型，该模型用了热-力耦合方法，形成的是连续形切屑。刀具使用增量步法移动，使用有限元分析软件MARC的网格重复技术，对刀具开始切削到切削温度达到一个稳定的状态的切削过程进行了有限元仿真。分析了在不同的切削速度和切削深度下应力、应变、温度、应变速率以及切屑形状，该模型也是二维模型。

2006年，江苏大学卢树斌采用DEFORM软件建立了二维和三维金属切削模型，研究了高速金属切削原理，模拟了高速切削下切屑的形成过程，并对刀具的磨损状况进行了预测。

2007年，刘胜永等讨论了二维切削中摩擦系数对切屑变形、切削温度等的影响。

综上可见，尽管国内外关于金属切削过程有限元模拟方面的研究工作已经开展多年，三维有限元模型也被越来越多的人采用，但三维有限元模型中的多数工作也仅仅是针对简化后几何结构，且很少涉及到刀具的磨损，其模拟结果有较大的理想型，在一定的程度上限制了模拟结果对实际加工的预测和指导意义。

2.

发展趋势：

到目前为止有限元法更多的是作为理解切削加工机理的重要工具。随着研究的进一步深入，预期下列几方面将成为研究的重点。

（1）

切削模型的进一步完善化。目前，大多数研究工作者还是致力于建立能反映一般切削过程的切削模型。将来反应切削过程中各种特定现象的切削模型将成为研究的热点。例如，能反应积屑瘤、鳞刺、切削层中的分流等现象的切削模型，以期通过对这些模型的分析，更好的阐明切削过程中各种现象的本质，提出控制这些现象的措施，进而建立能根据切削过程各种力学参数的变化而预测切削结果的预测理论。

（2）

实际切削过程的诸多工艺因素的影响在切削加工模拟中不在被简化或忽略。例如，车床的振动、冷却液、切削过程中的非正交、间歇切削等。

（3）

在实际切削加工中，工件材料的组织性能变化非常复杂，在特定的刀具-工件系统中，具备发生相变的热力学和动力学条件。成分和组织的变化将引起性能的变化，因此工件材料一旦发生相变，刀具材料的磨损机制、切削力、切削变形和加工表面质量也将发生相应变化。但是，目前在这方面的研究还很少。

（4）

目前有限元在实际生产中的应用主要在研究刀具设计和材料加工性能发面。由于其计算时间太长还无法应用到制造车间作为在线控制和优化工具，只能作为离线的评价工具。这说明需要对影响切削加工的各要素做进一步研究

（5）

迭代收敛法由于其计算效率高仍然是是研究稳态切削的重要工具：弹塑性自适应网格更新拉格朗日法是最完善的研究非稳态切削的方法：在弹性形变可以忽略和减少计算量的时候可以选用钢塑性模型。

（6）

最后值得一提的是，纳米级的微细切削加工模拟也已经出现。可见从微观角度来研究切削加工机理也开始被重视起来。

3.

研究方法：

本课题采用有限单元法对金属切削过程进行分析，它的基本思想是将一个连续体离散化，即将连续体变换成为由有限数量的有限大的单元体的集合，而且认为单元之间只通过被称为节点的连接点连接起来。由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身有可以有不同形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域。

4.

应用领域：

（1）积屑瘤的形成机理

在切削大多数多相合金的时候，在一定的切削速度下，就会形成积屑瘤。积屑瘤是一小块来自切屑和工件材料所构成的楔形金属，它包围着切削刃，能够代替前刀面和切削刃进行切削。

（2）易切刚的可加工性

易切钢相对于普通碳钢在低速切削时，具有切削力小，剪切角比较大的特点。对这一现象的解释是易切钢中内含的MnS颗粒对主变形区的金属起到了脆化作用，同时又对前刀面起到了润滑效果。

（3）切削的控制和刀具设计

前刀面形状的设计对于控制切屑的流动和减少刀具的受力、磨损和失效具有非常重要的意义。切屑的流动和控制也主要依赖于刀具的几何形状和切削条件。

三.对本课题将要解决的主要问题及解决问题的思路与方法、拟采用的研究方法（技术路线）或设计（实验）方案进行说明。

1.本课题将要解决的问题

金属材料在进行加工时刀具和工件相接触的部分附近要产生塑性变形，这种变形取决于加工方法和加工状况，是各种原因所造成的变形叠加，并要附加上材料和工具接触所产生的热影响。因此在加工后的材料表面的薄层上存在着相当大的残余应力。这种残余应力的大小和分布会因操作状况和材料不同，而表现出很大的变化。这些残余应力使构件尺寸的稳定性下降，又影响其机械性能。计算机技术的发展推动了金属切削加工模拟，具有动态性、高度非线性等特点。这使切削过程中刀具-工件-切屑三者的局部动态变化更形象化、可视化，为分析金属切削过程机理提供了有利的工具。本文是在金属切削原理、刚粘塑性变形理论知识的指导下，运用DEFORM-3D软件对三维金属切削过程进行模拟仿真，并提取切削过程中切削力、应力与应变、刀具磨损等参数，分析在不同的切削参数对主切削力、刀具磨损的影响。

2.解决问题的思路与方法

本课题的总体思路是在金属塑性成形有限元理论的基础上，通过大型有限元软件DEFORM-3D来模拟三维金属切削过程，以提取切削过程中切削力、温度场、应力与应变、刀具磨损等参数，并分析不同切削条件对主切削力和刀具磨损的影响。具体思路如下：

（1）

在掌握有限元基本理论、刚粘塑性变形理论前提下，应用金属切削原理、刚粘塑性变形等理论知识和DEFORM-3D软件建立金属切削三维热力耦合刚粘塑性有限元模型。

（2）

金属切削过程仿真加工。针对特定的刀具和工件材料，选择设计准则，进行动态仿真，并提取切削过程中切削力，应力与应变，刀具磨损等参数。

（3）

在单因素条件下，采用不同的几何参数进行切削过程模拟，对比模拟结果，分析不同参数对主切削力和刀具磨损等的影响。

四、检索与本课题有关参考文献资料的简要说明

[1]陈日曜．金属切削原理[M].第2版．北京：机械工业出版社.1993．

[2]周泽华.金属切削原理[M].上海：上海科学技术出版社.1992

[3]陆剑中.孙家宁.金属切削原理与刀具[M].第五版.机械工业出版社.2011

[4]张莉.李升军.DEFORM在金属塑性成形中的应用[M].机械工业出版社.2009

[5]周现柳.金属切削过程的有限元分析[D].湖北.湖北工业大学.2012

[6]张磊光.三维金属切削过程的有限元分析[D].北京.华北电力大学.2008

[7]王小平.基于有限元方法的切削加工建模技术研究及应用.[D].山西.太原理工大学.2011

[8]王霄.卢树斌.高传玉.金属切削加工有限元模拟技术的研究[J].江苏大学学报.2006.27(11):51-53

[9]王丽平，王秀伦，马自勤，金属切削加工过程的有限元模拟[J].大连交通大学学报.2008.43(4):59-61

[10]孟少农.机械加工工艺手册[M].北京：机械工业出版社.1991.

[11]邓文君.夏伟.周照耀.李元元.有限元法在切削加工过程分析中的应用[J].华南理工大学学报.2003.12（5）169－173

[12]谢峰.刘正士.金属切削过程的有限元建模[J].合肥工业大学学报.2004.27(5):84-88

[13]温效朔，王可琦，切削加工有限元仿真与应力分析[J].潍坊学院.2006.40(7):30-34

[14]吴勃，金属切削加工过程的有限元建模与仿真[D]江苏.江苏大学.2006

[15]刘成文，金属切削加工过程的有限元分析[D].浙江大学.2002

[16]王晓霞，王洪祥金属切削过程有限元分析的国内外发展现状[J].佳木斯大学学报.2006.24(2):263-265

[17]李国和.王敏杰.段春争.基于ANSYS/LS-DYNA的金属切削过程有限元模拟[J].农业机械学报.2007.38(12):174-179

[18]陈为国，姚坤弟.金属切削变形过程的有限元仿真初探[J].南昌航空大学学报.2010.15(5):82-85

[19]W.J.Deng，W.Xia，Y.Tang.Finite

element

simulation

for

burr

formation

near

the

exit

of

orthogonal

cutting[J].Int

J

Adv

Manuf

Technol.2009.43:1035-1045

[20]LIU

Long-quan,YAO

Zhen-qiang,YUAN

Guang-jie,Finite

Element

Analysis

and

OADs

Optimization

of

the

Temperature

in

the

Planestrain

Orthogonal

Metal

Cutting

Process[J].Journal

of

Donghua

University,2004.12(5):50-60

五、毕业论文进程安排:

1.

2015-3-2至2015-3-20：查阅相关资料和相关外文文献，完成开题报告。

2.

2015-3-21至2015-3-31：学习DEFORM软件的基本功能及操作，翻译外文文献。

3.

2015-4-1至2015-4-20：对金属切削机理进行研究，建立金属切削过程的有限元模型。

4.

2015-4-20至2015-5-15：对金属切削过程进行动态模拟和动态特性分析，得出结论。

5.

2015-5-16至2015-5-31：撰写设计说明书，完善毕业设计资料，准备答辩。

6.

2015-6-1至2015-6-10：进行毕业答辩，并修改设计说明书，完成毕业设计。

六、指导教师意见

1．对开题报告的评语

2．对开题报告的意见及建议

指导教师（签名）：*年*月*日

所在院（系）审查意见：

负责人签字(盖公章)*年*月*日

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