1、<p>　　基于ABAQUS的切削過程刀具磨損仿真</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　切削是機械加工中應用最廣泛的一種加工方式，而其加工過程中刀具的磨損狀態(tài)是影響加工件質量的重要因素。本文針對切削加工中刀具的磨損狀態(tài)和壽命進行仿真實驗進行研究。</p><p>　　分析了切削加工過程中刀具磨損產生的原因及影

2、響因素，根據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、網格劃分、摩擦和邊界條件等參數的設置，建立了與實際切削過程比較相近的有限元仿真模型。</p><p>　　對切削過程進行了有限元仿真，分析了切削過程中刀具磨損的分布及變化規(guī)律；針對不同切削深度、不同切削速度時刀具磨損程度進行

3、了分析，獲得了刀具所受應力在各個方向的分布和變化規(guī)律。為有效控制切削工件表面及刀具應力分布，提高工件表面質量提供參考。</p><p>　　關鍵詞：有限元；磨損；ABAQUS</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Machining is the most widely used machining meth

4、od in machining, and the wear state of the tool in the machining process is an important factor affecting the quality of the workpiece. In this paper, the simulation of the wear state and life of the cutting tool is stud

5、ied.</p><p>　　The causes of tool wear and its influencing factors in the cutting process were analyzed. According to the basic principle of machining, a three-dimensional finite element simulation model of c

6、utting was established using ABAQUS software. Through the analysis of the relationship between the material deformation and fracture in the cutting process, it was selected. The Johnson-Cook constitutive model was used t

7、o complete the setting of parameters such as model material properties, mesh division, </p><p>　　The finite element simulation was performed on the cutting process. The distribution and variation of tool wea

8、r in the cutting process were analyzed. The tool wear degree was analyzed for different cutting depths and different cutting speeds, and the distribution of the stress on the tool in all directions was obtained. The law

9、of change. Provides reference for effective control of cutting surface and tool stress distribution, and improving the surface quality of the workpiece.</p><p>　　Keywords: finite element; wear; ABAQUS</p&

10、gt;<p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1背景和意義</b></p><p>　　美國ABAQUS公司研制開發(fā)的一款功能非常強大的非線性有限元軟件就是ABAQUS軟件，能夠分析各種力學系統、處理十分復雜的力學問題以及模擬高度等非線性問題。直到20 世紀70 年代的時候，有限元分析法被應用到了傳統

11、的切削加工過程中，不過該方法能夠有效提高分析的精度，刀具在切除工件多余材料的同時，其本身也會產生磨損的情況。當磨損達到一定的程度時，刀具便會報廢。刀具的磨損不僅與切削參數有一定的關系，并且與刀具與工件的化學成分、物理性能有關。在ABAQUS中建模成功后，就可以提交、監(jiān)控作業(yè)，最終得到結果。</p><p>　　另外，刀具磨損的有限元預測需要有一個穩(wěn)定的溫度場以及刀具單元及節(jié)點的調整。通過調整傳熱系數h，獲取了較好

12、的刀具溫度場分布，預測了刀具前、后刀面的磨損情況?，F有磨損模型可磨損模型分為兩個類型：第一種是切削參數、刀具壽命型，第二個是切割過程中的變量通常是基于一個或若干磨損機制。這個模型是無力的。一方面，磨損現象被建模成為不連續(xù)的現象的時間而不是真實的情況。而另一方面，它是在實施的限制磨損機理，即磨損問題降低到1或2的磨損機制。21 世紀以來，隨著科學技術以及經濟不斷發(fā)展，人們對于刀具切削過程磨損仿真始終沒有停止，國內專家學者也開始了這方面的研

13、究。</p><p>　　本次的研究內容是學習ABAQUS仿真軟件，利用所學理論和專業(yè)知識，根據切削過程，建立切削有限元仿真模型，再設定一些基本的參數使得模型能夠剛好運用于軟件中，利用有限元軟件對刀具切削加工過程進行模擬，并對得到的結果進行研究分析。通過對切削加工過程進行有限元仿真，能很好的分析切削速度、切削溫度、切削應力以及切削力的影響，從而對切削過程中刀具的磨損過程進行仿真。</p><p

14、>　　1.2切削加工技術的發(fā)展</p><p>　　1.2.1古代切削加工的發(fā)展</p><p>　　切削加工被公認為是機械加工中的一個重要方法，其主要任務就是利用刀具來切除被加工對象（如工件）上的多余材料，從而得到形狀、精度以及表面質量都十分符合要求的表面材料。在當時中國古代切削加工、原始帶刃工具和兵器都具有世界領先地位，隨后發(fā)展演變成了現代的金屬切削加工技術。</p>

15、<p>　　從切削加工和金屬切削加工上來說，我國的歷史非常悠久。距今約170萬年前的舊石器時代，云南元謀猿人已經開始使用石砍砸器了。約50到60萬年前的北京猿人，就已經發(fā)明制造出了各種各樣帶刃的石器，如砍砸器、刮削器和尖狀器。盡管古老的工具十分粗糙，但是它們奠定了人為加工的基礎，同時這些古老的工具也是研究切削加工起源發(fā)展的歷史資料。在那個時期，人類可以根據不同的具體需要制造出不同用途的工具比如切削刀具。原始的切削加工過程已

16、經具備三個基本要素：刀具、被加工對象還有切削運動。刀具和切削加工的發(fā)明在人類歷史上扮演著濃墨重彩的角色。歷史學家認為，發(fā)現并應用刀和火可以說是人類最偉大的兩項發(fā)明，也是人類登上歷史舞臺的一個重要標志。</p><p>　　在春秋戰(zhàn)國初期，我國就發(fā)明了生鐵鑄造的技術，至少比西歐早1800年。另外滲碳、淬火以及煉鋼技術的發(fā)明，為制造堅硬鋒利的工具打下了堅實的基礎。后來又出現了鐵制工具，它使切削加工進入了一個新的時期。

17、在這個時期中出土的切削工具都比較精致一些，很多青銅器上都出現了用金屬刻縷的紋飾以及鉆孔的痕跡。到了春秋中晚期，有手工工作者寫了一部《考工記》，它是我國現存的最早的工程技術著作。在這一時期，人們已經能比較熟練地掌握多種加工方法，并且包括一部分切削加工[5]。</p><p>　　1.2.2近代的切削加工</p><p>　　在公元1750~1900年這段時期內，發(fā)展最迅速的行業(yè)當屬機械工程，

18、機械工程是由別的學科工程中分離出來的一個獨立的學科工程。當然，切削加工在這段時間內也發(fā)展迅猛。機械工程以及切削加工的發(fā)展歷史，是跟英國的工業(yè)革命密不可分的。在當時來說，蒸汽機的出現促進了社會的經濟發(fā)展，紡織業(yè)、采礦業(yè)以及軍工業(yè)的興起，使得對加工技術方面提出了更高的要求。必須解決相對應的加工技術，才能實現新產品的發(fā)明設計。機械制造業(yè)技術不斷提高以滿足社會的發(fā)展需要。在1776年，瓦特發(fā)明出第一臺蒸汽機，他當時遇到的最大困難就是氣缸的鏜孔加

19、工。由于當時的加工方法十分的落后，氣缸與活塞之間的空隙又很大，出現了漏氣的問題，即使在空隙處填滿了布、皮革或者油脂也無濟于事。幸運的是鐵器制造商威爾金森及時幫助瓦特解決了這個漏氣嚴重的問題。為了實現機械產品的發(fā)明和設計，需要不斷地提高工藝加工水平和制造加工技術。金屬的切削加工工藝十分復雜，它涉及到的領域十分廣泛，比如斷裂力學、熱力學以及固體力學。所以如果想要提高零件的加工質量、降低生產成本和提高加工效率，就需要研究金屬的切削加工過程。并

20、且一直以來，表面外部加工效應，如表面粗糙度認為是評價</p><p>　　1.2.3工件與刀具的交替發(fā)展及其動力</p><p>　　在切削加工的這個過程中，刀具與工件既對立又統一。當其中一方有了進展或者提出了新的問題的時候，會推動另外一方的前進和發(fā)展。只要刀具性能提高了，就會反過來推動工件更快發(fā)展，然后工件又會推動刀具繼續(xù)前進。如此循環(huán)往復，就是刀具和工件的對立統一關系。</p&g

21、t;<p>　　高速鋼剛發(fā)明出來時，對于當時加工的需要，刀具材料大體上是符合要求的。然而，進入20世紀以后，各種合金鋼和鑄鐵作為主要的工件材料，其機械性能日益提高。尤其是進入20世紀中葉以來，出現了各種高強度鋼、高錳鋼、不銹鋼、高硬耐磨鑄鐵、高溫合金、鈦合金，以及各種非金屬材料，然而高速鋼刀具加工這些材料時效率非常低。這樣，就需要改變高速鋼的化學成分，改進它的熱處理方法，并提高它的切削性能。比如硬質合金的硬度十分高，它可以

22、加工高速鋼所不能加工的材料。但是，硬質合金的脆性又很大可加工性又差，所以硬質合金只能在部分加工范圍內來代替高速鋼使用。后來，市面上隨之又出現了陶瓷、立方氮化硼、人造金剛石等更先進的刀具材料，并且這些刀具材料的硬度、剛性和耐磨性都超過了硬質合金。然而，這些新刀具材料脆性都比較大，并且價格昂貴。新刀具材料對于加工情況不適應也就使得新材料不是那么普遍的被應用。目前的情況就是切削加工行業(yè)仍處于大量使用高速鋼與硬質合金的時代。而在19世紀到20世

23、紀初，想要加工這些材料是根本不可能做到的。我們了解刀具材料的發(fā)展歷史可以預測更難加工的工件材料以后還會不會出現，并對刀具提出更高的要求以至于再出現更為</p><p><b>　　1.3刀具磨損理論</b></p><p>　　刀具磨損則是切削加工中最基本的問題之一。只要深入了解刀具磨損，就可以幫助用戶延長刀具的壽命。刀具磨損傳統意義上可分為磨粒磨損、擴散磨損、氧化磨

24、損、疲勞磨損和粘結磨損。刀具磨損機理指的是在金屬切削加工過程中，能量的表現形式為產生的熱量和摩擦。刀具因為很高的表面負荷和切屑沿刀具前刀面高速滑移而產生的熱量和摩擦處于一種極具挑戰(zhàn)性和極危險的加工環(huán)境中。此時切削力的大小通常會發(fā)生上下波動，主要取決于不同的加工條件(如工件材料中存在硬質成分，或進行斷續(xù)切削)。所以，為了在切削的高溫情況下保持它的強度，就要求刀具應該具有一些基本的特性，包括極好的韌性、良好的耐磨性以及較高的硬度。刀具的磨損

25、并不是由一種磨損機理可以決定的，而是幾種磨損機理相互共同作用的結果。</p><p>　　粘結磨損是刀具磨損中最常見的一種磨損情況，指的是工件的加工表面與刀具之間接觸處產生粘結點的情況，通常粘結點是在溫度和壓力等因素下影響下產生的。在加工過程中，粘結點會逐漸脫落并帶走刀具的多余材料，從而就會產生磨損[11]。一般來說刀具所受到的應力大小會影響刀具的磨損情況，那么就應該對刀具的應力進行研究，這樣才能深度了解刀具的切

26、削參數對刀具磨損的具體影響。目前來說，現有的研究是針對無磨損的刀具，然而忽略了刀具在切削過程中會發(fā)生塑性變形的問題。那么，如今就應該研究已經磨損的刀具應力變化規(guī)律對于刀具磨損產生的影響。</p><p><b>　　1.4本章小結</b></p><p>　　本章主要討論了ABAQUS軟件的國內外情況以及我們進行本次研究的意義，并詳細介紹了切削加工技術的發(fā)展狀況。從古

27、代到近代再到現代切削加工發(fā)展的速度十分迅猛。最后緊扣本次研究的主題，介紹了刀具磨損理論的形成與發(fā)展，為后面的切削過程中分析刀具磨損的任務做好理論基礎。</p><p>　　2 切削過程有限元模型的建立</p><p>　　2.1工件和刀具的基本設置與裝配</p><p>　　首先創(chuàng)建工件和刀具模型，再創(chuàng)建一個鋼板模型，以推動刀具運動。設置參數完畢將部件網格化再進行

28、裝配。打開ABAQUS軟件，在主菜單中選擇部件，下拉菜單選擇創(chuàng)建。如圖2.1所示在彈出的對話框中模型空間選擇三維，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。</p><p><b>　　圖2.1創(chuàng)建部件</b></p><p>　　2.1.1創(chuàng)建工件模型</p><p>　　在隨后出現的草圖繪制模塊中，建立

29、一個35mm×15mm的四邊形，點擊完成輸入拉伸深度8mm,然后完成工件的創(chuàng)建即可。</p><p>　　2.1.2 創(chuàng)建切削平面</p><p>　　在主菜單選擇工具，在下拉菜單中選擇分區(qū)，如圖2.2在出現的對話框中選擇邊然后輸入參數，選擇部件的三條豎直邊分割出三個點，然后根據三點確定一個平面把工件分區(qū)。如圖2.3所示。</p><p>　　圖2.2工件

30、模型 圖2.3創(chuàng)建分區(qū)</p><p>　　2.1.3 創(chuàng)建刀具模型</p><p>　　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2.4尺寸繪制，拉伸深度設為3mm,完成后對刀具進行倒角設置，倒角半徑0.05mm。刀具如圖2.5所示。</p><p>　　圖2.4刀具尺寸繪制</p

31、><p><b>　　圖2.5刀具模型</b></p><p>　　2.1.4 創(chuàng)建動力塊模型</p><p>　　按照以上方法創(chuàng)建一個三維可離散剛性模型，近似尺寸選擇200，如圖2.6所示。然后繪制草圖即可，按照圖所示2.7尺寸繪制。就得到動力塊模型。</p><p>　　圖2.6創(chuàng)建動力塊部件</p>&l

32、t;p>　　圖2.7動力塊尺寸設置 </p><p><b>　　2.1.5裝配</b></p><p>　　點開模塊中的裝配選項，將已經創(chuàng)建好的工件、刀具以及鋼板導入裝配界面進行裝配。確定后刀具和工件就會出現在主窗口中，然后根據平移、旋轉等操作完成裝配，如圖2.8所示即為裝配好的效果圖。</p><p><b>　　

33、圖2.8裝配圖</b></p><p>　　2.2工件和刀具對應參數的設置</p><p>　　2.2.1工件的材料與參數設定</p><p>　　工件的材料選用鈦合金材料，Ti6AI4V等新興材料經常被應用到飛機制造、軍工業(yè)等各行各業(yè)中。應用傳統的試驗方法來研究切削加工中各種參數以及優(yōu)化的方法費時又費力，而且很多實驗的數據都不準確。所以運用有限元分析的

34、方法構建切削模型具有很重要的現實意義。</p><p>　　Johnson-Cook材料模型能夠很好地反映出材料加工中各因素的綜合效應。因此可以選用Johnson-Cook材料模型作為Ti6Al4V切削加工的材料模型。編輯材料各項性能。編輯彈性類型為各向同性，楊氏模量設為110000MPa，泊松比設為0.33。</p><p>　　圖2.9工件彈性參數設置</p><p

35、>　　點擊選擇熱學選項中的比熱，比熱類型選擇常體積，場變量個數默認為0，比熱值設為670000000 J/(g·℃)。</p><p>　　圖2.10工件比熱參數設置</p><p>　　熱膨脹指的是固體材料在受熱以后，固體內部晶格不斷振動加劇所引起的容積膨脹，然而晶格振動的激化則會導致熱運動能量的增大。當升高了單位溫度，能量的增量即表示為比熱容。因此熱膨脹系數與比熱容值十

36、分密切相關，并與熱容有著相似的規(guī)律。熱膨脹類型依舊選擇各向同性，膨脹系數設為9E-006。</p><p>　　圖2.11工件膨脹系數設置</p><p>　　當金屬的形變超過了一定限度時，這個時候即使去掉了外力的作用，物體也不能完全恢復原來的形狀，這個限度叫做彈性限度，當形變超過了這個限度時，物體發(fā)生的形變就叫做塑性形變。塑性的硬化類型選擇Johnson-Cook，具體數據如下圖所示。&

37、lt;/p><p>　　圖2.12工件塑性參數設置 圖2.13塑性溫度參數設置</p><p>　　固體材料的密度一般不會隨著溫度和壓力的改變而改變，一般為固定值。點擊通用選項下的密度，分布一致，質量密度設為4.43×10-9t/mm³即可。</p><p>　　圖2.14密度參數設置</p><p>　　材料可以

38、直接傳導熱量的能力稱為熱傳導率，熱傳導率的定義指的是單位截面和單位長度的材料在單位溫差下和單位時間內直接傳導的熱量的能力。傳導率的類型依舊為各向同性，傳導率數值設為6.6J/(g·k)。</p><p>　　圖2.15工件傳導率設置</p><p>　　依舊是選擇熱學中的非彈性熱份額，它的百分比設為0.9。</p><p>　　圖2.16非彈性熱份額<

39、;/p><p>　　JC模型一般假設材料為各向同性，對于材料會產生大變形的問題，我們可以假設材料在變形的過程中，塑性功的任意百分比會在變形材料中產生熱量。Johnson-Cook損傷的具體數據如下圖所示。</p><p>　　圖2.17損傷系數設置 圖2.18 熔點與轉變溫度</p><p>　　2.2.2刀具的材料與參數設定</p

40、><p>　　常見的刀具材料有硬質合金、金剛石以及高速鋼。此次刀具的材料為碳化鎢，它的硬度與金剛石相差不多，是電、熱的良好導體。碳化鎢的化學性質比較穩(wěn)定，主要應用于硬質合金生產材料。碳化鎢的具體參數如表2-1所示。</p><p>　　表2-1碳化鎢的物理參數</p><p>　　接下來按照編輯工件材料屬性的步驟編輯刀具材料屬性。刀具的質量密度設為6.5×10

41、-9 g/mm³，密度分布一致。刀具彈性類型依舊為各向同性，模量時間尺度選擇長期。楊氏模量設置成6500000 MPa，泊松比設為0.25。傳導率的類型為各向同性，傳導率數據為35。最后再設置比熱類型為常體積，數值為15000000000 J/(g·℃)。</p><p>　　2.3定義分析步的主要步驟</p><p>　　2.3.1創(chuàng)建分析步</p>&

42、lt;p>　　進入分析步模塊，選擇左側創(chuàng)建分析步圖標，接受在初始分析步之后插入本步，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，時間長度設為0.015秒，它與切削速度有關，默認幾何非線性為打開狀態(tài)，點擊OK完成編輯分析步。增量類型為自動，穩(wěn)定增量步估計選擇全局，最大時間增量步為無限制，時間縮放系數為1，具體數據如圖2.19所示。</p><p><b>　　圖2.19增量設置&

43、lt;/b></p><p>　　質量縮放傳統意義上指的是在用顯式求解器求解準靜態(tài)問題時候，它是用于提高計算效率的一種數值手段。在顯式分析中，穩(wěn)定時間增量與單元的尺度以及材料的固有頻率有關，直接的反應就是單元最小尺寸越大，時間增量步越大，材料密度越大，穩(wěn)定時間增量越大。因此為了提高穩(wěn)定時間增量，認為的加大局部材料的密度。但是前提是必須保證準靜態(tài)的前提，加載速率不能大。質量縮放選擇整個模型，運算速度加快300

44、倍。</p><p><b>　　圖2.20質量縮放</b></p><p>　　其他的設置有線性體積粘性參數為0.06，二次體積粘性參數為1.2。</p><p><b>　　圖2.21粘性參數</b></p><p>　　2.3.1創(chuàng)建場輸出</p><p>　　ABAQ

45、US會提供默認的輸出項，因此應先打開輸出項管理器。在左側圖標中選擇輸出場編輯輸出請求，選中F- Output-1后著狀態(tài)，出現如圖2.22所示的場輸出請求編輯界面。因為場輸出指的是被分析體隨著時間的各種場變量（位移、速度、應力、溫度等）的顯示狀態(tài)，場變量輸出一般會隨時間變化而變化。因為應力、應變、位移、能量與熱學等都與時間有關。所以在輸出變量選項中除了默認輸出選項外將作用域、頻率、定時選中，點擊確認輸出請求。再次定義一個H- Outpu

46、t-1讓他的作用點選擇在刀具的參考點上，點擊退出輸出項管器。</p><p>　　圖2.22編輯場輸出</p><p><b>　　2.4編輯相互作用</b></p><p>　　選擇相互作用模塊，創(chuàng)建相互作用，力學約束選擇罰接觸，滑移公式選擇有限滑移，拾取切削表面即可。選擇表面與表面接觸然后繼續(xù)，點選工件切削層和刀具的前后刀面，點擊確認完成設

47、置。</p><p>　　圖2.23刀具與工件表面相互作用</p><p>　　點擊左側圖標中的相互作用屬性管理器，接觸屬性選項為切向行為，創(chuàng)建接觸屬性，選擇罰接觸，摩擦系數為0.1。</p><p><b>　　圖2.24接觸屬性</b></p><p>　　2.5創(chuàng)建載荷相關屬性</p><p&g

48、t;　　選擇載荷模塊，點擊左側的創(chuàng)建邊界條件圖標，名稱為BC-2，類別選擇力學，分析步的類型選擇對稱\反對稱\完全固定，繼續(xù)后編輯邊界條件，區(qū)域選擇工件底面，坐標系選擇完全固定(U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0)，如圖2.25所示，點擊確定完成工件的邊界設定。</p><p><b>　　圖2.25邊界條件</b></p><p>　　拾取所固定的區(qū)域即工

49、件底面，即可看到創(chuàng)建邊界條件后的效果圖。</p><p><b>　　圖2.26效果圖</b></p><p>　　繼續(xù)點擊左側的創(chuàng)建預定義場圖標，拾取所要定義的區(qū)域并設置基本的參數。</p><p><b>　　圖2.27預定義場</b></p><p>　　設置完之后即可看到預定義場的效果圖。&

50、lt;/p><p>　　圖2.28預定義場效果圖</p><p>　　2.6編輯提交作業(yè)并運行計算</p><p>　　在主菜單進入作業(yè)模塊，在左側圖標中選擇創(chuàng)建作業(yè)，在彈出的對話框中點擊繼續(xù)進入編輯任務對話框，如圖2.29所示。在作業(yè)類型選項卡中選擇完全分析，默認其它選擇后點擊確認完成創(chuàng)建任務。在主菜單中選擇作業(yè)管理器，在彈出的任務管理器對話框可以進行數據檢查、監(jiān)控。

51、</p><p><b>　　2.29編輯作業(yè)</b></p><p>　　在作業(yè)管理器中選擇提交選項，等待任務執(zhí)行完畢，看是否會有錯誤，如有錯誤，則需要返回修改錯誤的部分再次提交作業(yè)即可，如圖2.30所示。</p><p><b>　　2.30提交作業(yè)</b></p><p><b>　

52、　2.7本章小結</b></p><p>　　本章主要介紹了建模的主要流程，包括在部件中畫出草圖并定義尺寸，然后將刀具與工件網格化。隨后是定義刀具以及工件的材料屬性，一般來說刀具材料要選擇較硬的材料，否則就會出現刀具太軟導致切削平面不平整的情況。設定分析步時，要注意時間長度的設定需要與邊界條件中的切削速度保持一致。兩者相乘需等于工件的總長度。相互作用中的力學接觸全部選擇罰接觸，工件與刀具的接觸選擇表面

53、與表面接觸即可。最后創(chuàng)建載荷相關屬性并提交作業(yè)就可以看到仿真的具體結果。</p><p>　　3 加工件的切削及其加工過程的仿真與分析</p><p>　　3.1加工件的切削參數</p><p>　　加工件的切削參數包括切削深度為2mm、切削速度為2000mm/s、刀具倒角半徑為0.05mm以及刀具前后倒角度數。在載荷模塊中選擇編輯邊界條件圖標，切削速度設為2

54、000mm/s，V1方向即是刀具切削的方向。</p><p><b>　　圖3.1切削速度</b></p><p>　　在部件模塊下找到刀具模型，點擊左側編輯特征圖標，設置半徑為0.05mm即可，最后點擊確定設置倒角半徑完成。依舊是部件模塊下，點擊左側的編輯草圖，就會顯示出刀具的尺寸以及前后的倒角度數，度數均設置為10°。</p><p&

55、gt;<b>　　圖3.2倒角半徑</b></p><p>　　3.2模擬結果仿真與分析</p><p>　　點擊可視化模塊，即可看到模擬結果如圖3.3所示。刀具后面的鋼板推動刀具不斷向前運動，使得切削過程得以進行。在切削過程中刀具也會產生一定的磨損消耗，刀具的倒角處會發(fā)生一定的形變，此時就要注意刀具的硬度設置。如果刀具材料過軟，就會使得切削平面不平整，出現坑坑洼洼的

56、現象。此外也可研究不同切削速度、不同溫度下以及不同切削深度對工件的影響。這篇文章所建立的三維切削模擬仿真是簡化了之后的物理模型。在剪切區(qū)，金屬材料會發(fā)生很大的塑性變形，隨即產生很大的切削熱，刀具繼續(xù)地深入使得切屑右側出現最高溫度。在高速切削的過程中，當切屑脫離工件時，在短時間內只會傳遞給刀具少部分的切削熱，其余大部分切削熱都會被切屑帶走。刀具后刀面和已加工的工件表面之間摩擦產生的部分切削熱來不及擴散，便會產生殘余應力，以至于導致已經加工

57、的工件表面質量發(fā)生改變。切削熱由切屑、工件以及刀具帶走或者傳出，在這中間切屑帶走的熱量是最大的。</p><p>　　切削溫度也會對加工工件的表面質量產生重要影響，如果想要計算刀具磨損量，那么久需要得到準確的節(jié)點溫度。那么就應該設置切削過程仿真熱傳導系數為合理值。</p><p><b>　　圖3.3有限元分析</b></p><p>　　3.

58、2.1從X方向分析刀具應力</p><p>　　選擇應力選項，先將工件和動力塊刪除，即可更直觀地看出刀具所受應力的大小。如圖3.4所示，即為刀具在X方向所受應力的大小，從圖中可以看出X方向上刀具尾部受力比較大，而前刀面和后刀面相對受力較小，是因為X的負方向是刀具切削的方向，刀具因為很高的表面負荷和切屑沿刀具前刀面高速滑移而產生的熱量和摩擦使得刀具上表面所受到的應力較大。</p><p>　

59、　圖3.4 X方向刀具受力</p><p>　　3.2.2從Y方向分析刀具應力</p><p>　　接下來觀察Y方向刀具受力情況，Y方向即為垂直于刀具切削的方向，由圖3.5可以看出只有刀具前刀面靠近刀刃處有較大的應力分布，而其他刀面應力分布顯示為綠色即基本不受任何力。說明在刀具的切削過程中，前刀面刀刃附近所受到的摩擦和阻力都比較大，導致該處磨損比較嚴重。</p><p&

60、gt;　　圖3.5 Y方向刀具受力</p><p>　　3.2.3從Z方向分析刀具應力</p><p>　　最后再觀察Z方向上刀具應力分布圖，就會很容易發(fā)現應力主要集中在前刀面與后刀面靠近刀刃處。這是因為在切削工件時，刀具只切削了工件外面的一部分，而工件內側沒有被切到的部分仍然會對刀具產生磨損。隨著切削過程的進行，工件內側會產生熱量以及損耗，進而影響刀具的前進，所謂Z方向的應力就集中于刀刃

61、兩側。</p><p>　　3.6 Z方向刀具受力</p><p><b>　　3.3本章小結</b></p><p>　　本章主要介紹了加工件的基本切削參數以及仿真結果以及分析，從切削仿真圖可以明顯地看到一切數據，比如應力，作用力與反作用力等。單從應力方面來分析，可以分為三個方向來具體分析刀具所受到的應力變化。通過研究分析即可得到刀具受到磨損

62、與切削過程中哪些因素有關。</p><p>　　4 切削過程中刀具受力情況進行分析</p><p>　　切削過程中刀具的受力情況主要就是分析切削力的大小。切削力是切削過程中十分重要的一個參數，它能直接反映出切削的難易程度。通常情況下來說，刀具的前角增大，隨之切削力會減小；而摩擦系數增大，切削力也會增大；切削速度以及切削深度都與切削力的大小成正比。當然，還要考慮溫度以及應變率對材料造成的不

63、同影響，否則切削實驗將會有一定的誤差。另外，所選的刀具強度一定要滿足加工過程中的強度要求，這樣才能逐漸提高加工精度。</p><p>　　對切削過程中的刀具受力及變形進行有效的分析可以更有利地選擇刀具，并且可以根據分析對刀具的幾何參數進行優(yōu)化，隨之提高刀具的使用壽命。所以應該對刀具本身進行系統的研究分析，這樣才能提高準確性和說服力[27]。</p><p>　　一般來說，切削力會隨著切削時

64、間長短而變化，當切削時間越長，切削力合力則會越來越大。在切削過程中刀具會產生很大的磨損，從而切削力隨時間增大而增大。剛開始切削的時候，刀刃十分鋒利，切削力比較小，相對應地刀具的磨損也可以忽略不計。但是隨著切削時間的延長，刀具的后刀面磨損量會慢慢變大，切削力和切削溫度也會隨之增大。當刀具達到劇烈磨損的時候，刀具前后刀面磨損到了一定的程度并且刀具口也會發(fā)生突變。</p><p><b>　　4.1刀具受力計

65、算</b></p><p>　　主切削力可由單位切削力與切削面積計算得出，計算公式為</p><p>　　FZ=P×Kfp×AD </p>

66、<p>　　FZ指的是主切削力（N），P指的是單位切削力（N/mm2），Kfp則指的是單位切削力的修正系數，AD指的是切削面積（mm2）。進給量f對單位切削力的修正系數對應值如表4-1所示。</p><p>　　表4-1進給量對應的修正系數</p><p><b>　　4.2刀具變形分析</b></p><p>　　刀具在切削過程中

67、，主要受到的力就是切削力。通過對刀具外圓的有限元分析得到了刀具在切削過程中刀具的內應力以及變形情況。并且了解到了在刀具進行切削時，刀尖的角度在合理范圍內，受力和變形情況才會有好轉。[27]刀具的剛性比較脆弱，并且它在切削力的作用下會產生變形，從而偏離了原來的切削位置，并使得切削厚度發(fā)生改變。一般可將刀具簡化成懸臂梁的結構，作用在刀具的z方向的切削力使刀具產生壓縮或者拉伸變形，作用在刀具x，y方向的切削力會使刀具產生彎曲變形。但是一般來說

68、刀具的剛性是一定的，所以彎曲變形相對于壓縮和拉伸變形要大得多，所以我們可以主要研究刀具的彎曲變形28]。[</p><p><b>　　4.3本章小結</b></p><p>　　本章從理論上對刀具受力進行了進一步的分析，比如刀具的幾何參數，切削時間，進給量等。這樣就可以結合仿真更深入地了解刀具受力情況以及磨損的程度。而刀具的變形也正是因為受到了切削力或者磨損等一系列

69、因素所導致的，切削厚度以及工件的切削表面也會隨著刀具受力而發(fā)生變化。</p><p><b>　　5 結論與展望</b></p><p><b>　　5.1結論</b></p><p>　　本文運用ABAQUS軟件對切削過程中刀具磨損進行仿真，并采用了有限元分析方法有效地模擬分析出不同的參數對刀具磨損所產生的影響。我們可

70、以結合實際具體情況，對比得到最為優(yōu)良的設計結果。仿真過程中的切削深度對最高切削溫度、刀具倒角半徑對切削力的影響進行分析以及研究，可得到一些結論。比如，在其它條件不變的情況下，切削溫度與切削深度正相關。而當刀具倒角半徑不變時，實際的切削深度與最小切削深度在尺寸上相差不多時，切削溫度會隨著切削深度增加而減小。而在切削深度不發(fā)生改變的時候，切削力會隨著刀具的倒角半徑增大而增大，它對切削力的影響也會更加的明顯。本文建立了切削加工過程仿真模擬，通

71、過對結果的分析，確定了這種方法的可行性。</p><p>　　5.1.1切削參數對刀具磨損的影響</p><p>　　在刀具切削加工工件的過程中，刀具切削的速度和進給量的影響比較明顯，而切削的深度的影響相對來說較弱。那么，為了使實驗更加有目的性和針對性并且站在節(jié)約時間的角度上，實驗主要通過改變切削的速度和進給量來研究對刀具磨損產生的影響。圖5.1表示的是在不同的切削速度下刀具磨損的變化情況

72、，由圖像可知刀具磨損隨著切削速度的增大而增大，并且時間越長上升趨勢就越明顯。然而當切削速度比較低時，連續(xù)不斷的切屑從刀具的前刀面飛出來，造成刀具與工件接觸時粘結，即為冷焊現象的產生。另外在刀具和工件的接觸表面的粘結點處會受到拉應力和剪應力，從而造成粘結磨損。在切削時接觸區(qū)域收到了很大的切削力，這樣接觸面積就會增大，工件以及切屑移動時與刀具的前后刀面產生摩擦，此時就會造成刀具摩擦磨損。當然，當切削速度逐漸增大了，刀具表面會受到壓力、接觸應

73、力以及摩擦力，此時工件與刀具間的溫度也會升高，最終導致刀具的材料化學活性增大，也就產生了氧化磨損和擴散磨損。圖5.2是在給定切削深度的情況下，不同的切削速度以及不同的進給量刀具的壽命變化圖。由圖可知，切削速度和進給量與刀具的使用壽命成反比。而且相對于進給量來說，切削速度對刀具壽命的影響</p><p>　　圖5.1不同速度對刀具磨損的影響 圖5.2刀具壽命隨切削參數的變化</p&g

74、t;<p>　　5.1.2刀具后角對刀具磨損的影響</p><p>　　刀具后角對刀具磨損也會產生一定的影響，如果要研究影響的規(guī)律，其他的切削參數應保持不變，只改變刀具后角即可。由實驗可知，刀具的后角越小的話，磨損的程度反而越大。當后角角度很小時，工件與刀具的接觸面積比較大，從而后刀面所受到的摩擦力也比較大，所以刀具磨損程度就會增大。相反，當后角增大到10°時，接觸面積變小了于是摩擦隨之也

75、變小，磨損的程度也就沒有那么嚴重了。所以增大后角角度可以改善刀具磨損的程度。刀具磨損實驗的具體情況如圖5.3所示。</p><p>　　圖5.3刀具后角改變對刀具磨損的影響</p><p><b>　　5.2展望</b></p><p>　　本文通過模擬分析過程，使我們了解到金屬切削研究方面所應具備的一些條件?，F在隨著科學技術的發(fā)展，有限元分析

76、軟件已經成為涉及工學領域科學研究和工程技術不可或缺的工具。此外，在現代力學、結構力學以及高等數學等學科的促動下，有限元分析法已經成為一個具有鞏固理論基礎和廣泛應用的良好數值分析工具。我們應該合理運用這些工具，學以致用，研究分析出我們所需要探索的問題。今后有限元切削仿真一定會不斷地向前發(fā)展，并且實現能夠代替理論計算、代替實驗目標。有限元分析是由變分原理和加權余量法當作基礎發(fā)展演變而來的科學分析方法，并且可以在連續(xù)體的基礎上分析計算[21]

77、。對于切削加工過程中刀具磨損的有限元分析模擬，國內外的研究還比較少，特別是三維的切削仿真。本次研究雖然取得了一定的成果，但是由于時間緊急，實驗次數不夠多，仍有許多工作需要改進和完善并進行更深一步地研究[19]。三維刀具磨損仿真模型的建立，忽略了很多因素。比如材料的組織應變以及材料的去除過程，那么建立一個更為實際的模型是十分重要的。需要我們進一步研究來提高刀具磨損量預測的準確性。為了更加接近現實，應該改進切削載荷的附加方式，這樣才能更好地

78、深入研究切削過程</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 王和平,吳申峰，張雪萍，高速干切削過程的三維有限元仿真與試驗[J].機械設計與研究，2011,27(1):56-62. </p><p>　　[2] 成群林，柯映林，董輝躍.航空鋁合金高速銑削加工的有限元模擬[J].浙江大學學報（工學版），2006，4

79、0（1）：113-117.</p><p>　　[3] 付杰. 考慮材料損傷演化的鈦合金切削過程仿真及試驗研究[J]. 機械科學與技術 ,2014(08):1245-1250.</p><p>　　[4] 姚傳生, 陳錚, 王永欣等.TC21 鈦合金的熱加工行為研究進展[J]. 材料導報 ,2011,25(23):138-141.</p><p>　　[5] 切削加

80、工技術發(fā)展史_圖文 - 《互聯網文檔資源（http://wenku.baidu.c）》- 2017-2-8 2:00:35</p><p>　　[6] 張磊光.三維金屬切削過程的有限元模擬[D].北京.華北電力大學,2008.</p><p>　　[7] 周澤華.金屬切削理論.北京:機械工業(yè)出版社，1991.</p><p>　　[8] 切削加工技術發(fā)展史 于啟勛

81、-《華僑大學學報(自然科學版)》- 2003-02-20</p><p>　　[9] 唐志濤,劉戰(zhàn)強,艾興,付秀麗. 金屬切削加工熱彈塑性大變形有限元理論及關鍵技術研究[J]. 中國機械工程,2007(06):746-751.</p><p>　　[10]張佳奕.PCBN刀具磨損對切削過程影響的有限元仿真研究[J].工具技術,2017,51(01):40-43.</p>&l

82、t;p>　　[11] 張富君. 高速切削鈦合金刀具磨損仿真的研究[D].沈陽理工大學,2016.</p><p>　　[12]王迪迪. 三維金屬切削過程刀具磨損的有限元模擬仿真[D].上海應用技術大學,2015.</p><p>　　[13] 張佳奕. 基于有限元仿真的PCBN刀具磨損研究[D].哈爾濱理工大學,2014.</p><p>　　[14] 魏延剛

83、,魏偉.動態(tài)顯式有限元法在冷沖壓加工模擬中的應用[J].大連鐵道學院學報.2003(02)</p><p>　　[15] O.Mahrenholtz;N.L.Oung;王中剛.金屬成形過程的有限元法[J].模具技術.1988(03)</p><p>　　[16] 劉才.有限元法在軋制理論中的應用[J].鋼鐵.1988(09)</p><p>　　[17] 黃福英;鄧

84、兆虎.一步有限元法在預測產品成形性中的應用[J].中國高新技術企業(yè).2009(04)</p><p>　　[18]王金飛;韓寶云;李殿杰.焊管成型過程有限元法研究的進展[J].鋼管.2008(02)</p><p>　　[19]劉文文. 機械加工表面殘余應力的有限元模擬與實驗研究[D].南京航空航天大學,2012.</p><p>　　[20]施春宇. 切削加工過程

85、與殘余應力仿真研究[D].蘭州理工大學,2014.</p><p>　　[21]郭淼. LY12合金高速切削仿真及殘余應力分布研究[D].昆明理工大學,2011.</p><p>　　[22]覃孟揚. 基于預應力切削的加工表面殘余應力控制研究[D].華南理工大學,2012.</p><p>　　[23]孫玉晶. 鈦合金銑削加工過程參量建模及刀具磨損狀態(tài)預測[D].山

86、東大學,2014.</p><p>　　[24]于啟勛. 切削加工技術發(fā)展史[J]. 華僑大學學報(自然科學版),2003(01):1-10.</p><p>　　[25]王曉琴. 鈦合金Ti6Al4V高效切削刀具摩擦磨損特性及刀具壽命研究[D].山東大學,2009.</p><p>　　[26]屈川. 巖土切削過程中刀具受力測量方法的研究[D].天津大學,2016

87、.</p><p>　　[27]李慶華,龐楠.外圓切削刀具受力分析與研究[J].長春大學學報,2016,26(12):5-9.</p><p>　　[28]張臣,周來水,安魯陵,周儒榮.刀具變形引起的球頭銑刀加工誤差建模[J].南京航空航天大學學報,2008(01):94-99.</p><p><b>　　致謝</b></p>

88、<p>　　一個學期的畢業(yè)設計就要結束了，我的設計任務也基本完成，在此過程中，雖然歷經很多難關，但我也獲得很多知識。比如在建模仿真方面，為了達到產品優(yōu)化的目的，仿真不僅僅是為了實現功能，在實體操作方面也要行得通，一次次的更改雖然很枯燥，但堅持下來的結果讓人很滿意。當然，我的畢設能夠順利完成，也得到了很多人的幫助，在此，我衷心的感謝他們。</p><p>　　首先，我要感謝我的指導老師梁小明老師。梁老師不

89、僅僅是我本次畢設的指導老師，同時也是我的人生導師，畢設期間，我每周至少找梁老師交流一次，先對上一周的工作進度做一匯報，然后再與梁老師商討下一步的計劃，每次遇到問題，梁老師都會認真的指導，有時很晚了還會抽時間找我討論，甚至幫我查找了一些相關資料，給我節(jié)省了很多時間；同時在安裝ABAQUS軟件的過程中，由于種種原因遇到了一些問題，梁老師都會盡快的幫助我解決；此外，梁老師也時刻關心我的生活、考研、就業(yè)問題。無論在學習上還是在生活中，梁老師都給

90、了我很大幫助，在此，我誠摯的感謝梁老師。</p><p>　　其次，就是感謝我身邊幾位幫助過我的同學，在我們做畢業(yè)設計的過程中，也算是互幫互助了，只要遇到問題，我們就會互相請教，你一言我一語，避免了枯燥的氣氛，使我們在遇到困難時也能堅持下去，在此，我對他們表示深深的感謝。</p><p>　　最后，再次感謝所有幫助過我的老師和同學，以及設計中我引用或參考的著作的作者，謝謝他們對我的幫助。&

91、lt;/p><p><b>　　附錄A</b></p><p>　　RESEARCH PAPERS</p><p>　　FACULTY OF MATERIALS SCIENCE AND TECHNOLOGY IN TRNAVA</p><p>　　SLOVAK UNIVERSITY OF TECHNOLOGY IN BRAT

92、ISLAVA </p><p>　　10.1515/rput-2016-0044 2016, Volume 24, Number 38 </p><p>　　WEAR OF CUTTING TOOL WITH EXCEL GEOMETRY IN TURNING PROCESS OF HARDENED STEEL </p><p&

93、gt;　　Michaela SAMARD?IOVÁ </p><p>　　SLOVAK UNIVERSITY OF TECHNOLOGY IN BRATISLAVA,</p><p>　　FACULTY OF MATERIALS SCIENCE AND TECHNOLOGY IN TRNAVA, </p><p>　　INSTITUTE OF PRODUC

94、TION TECHNOLOGIES, </p><p>　　ULICA JÁNA BOTTU 2781/25, 917 24 TRNAVA, SLOVAK REPUBLIC</p><p>　　e-mail: michaela.samardziova@stuba.sk </p><p><b>　　Abstract </b></

95、p><p>　　This paper deals with hard turning using a cutting tool with Xcel geometry. This is one of the new geometries, and there is not any information about Xcel wear in comparison to the conventional geometry

96、. It is already known from cutting tools producers that using the Xcel geometry leads to higher quality of machined surface, perticularly surface roughness. It is possible to achieve more than 4 times lower Ra and Rz val

97、ues after turning than after using conventional geometry with radius. The work</p><p>　　The aim of this paper is to investigate the cutting tool wear in hard turning process by the Xcel cutting tool geometry

98、.</p><p>　　Key words </p><p>　　Hard turning, Xcel geometry, conventional geometry, cutting tool wear </p><p>　　INTRODUCTION</p><p>　　Hard turning started to develop at

99、the beginning of the nineties. The reason was the availability of new tool materials and the capability of designing a turning machine that was rigid, stable and accurate enough to successfully finish hard turning. The r

100、esult of the development has made finish hard turning a viable alternative to grinding, as an accurate finishing operation (1). </p><p>　　Hard turning is defined as a process of single point cutting of part

101、pieces that have hardness values over 45 HRC. Typically, however, hard turned part pieces have the hardness in the range of 58-68 HRC. The approach to machining the hardened steel depends on the 96 degree of hardness and

102、 its depth (if case hardened). The hard turning process is quite similar to the conventional “soft” turning, so that the introduction of this process into the normal factory environment can happen with relativel</p>

103、;<p>　　There is a necessity of very hard cutting materials because of the hardness of machined materials, which is higher than 40 HRC. The cutting materials with higher hardness are for example Cermet, Ceramics, C

104、ubic Boron Nitride (CBN) or Diamond. CBN was also used in this experimental research. </p><p>　　Cubic Boron Nitride (CBN). If the hardness ranges between 50-68 HRC and the depth of hardness is greater than t

105、he depth of material to be removed, then Cubic Boron Nitride (CBN) is the best material. CBN will give good tool life and wear properties. Surface finishes of 11- 15 micro-inches can be achieved and maintained. ISO inser

106、ts are available with multiple grades to suit different machining requirements. Insert hardness and therefore also wear rate are traded for toughness and ability to with</p><p>　　Ceramics. Ceramics in harden

107、ed steel turning have applications and are very economically priced compared to other types of tool materials. The nature of the material necessitates the use of blunt edge geometry, which inevitably increases cutting fo