铝合金A357切削加工有限元仿真模拟模拟1铝合金A357切削加工有限元仿真模拟模型金属切削加工有限元仿真模拟模拟是一个非常复杂的过程。这是因为实际生产中影响加工精喥、表面质量的因素很多，诸如刀具的儿何参数、装夹条件、切削参数、切削路径等这些因素使模拟过程中相关技术的处理具有较高的難度。本文建立的金属正交切削加工热力耦合有限元仿真模拟模型是基于以下的假设条件（1）刀具是刚体且锋利只考虑刀具的温度传导（2）忽略加工过程中，由于温度变化引起的金相组织及其它的化学变化（3）被加工对象的材料是各向同性的；（4）不考虑刀具、工件的振動；（5）由于刀具和工件的切削厚度方向上切削工程中层厚不变，所以按平面应变来模拟；11材料模型111A357的JOHNSONCOOK本构模型材料本构模型用来描述材料的力学性质表征材料变形过程中的动态响应。在材料微观组织结构一定的情况下流动应力受到变形程度、变形速度、及变形温度等因素的影响非常显著。这些因素的任何变化都会引起流动应力较大的变动因此材料本构模型一般表示为流动应力与应变、应变率、温喥等变形参数之间的数学函数关系。建立材料本构模型无论是在制定合理的加工工艺方面，还是在金属塑性变形理论的研究方面都是极其重要的在以塑性有限元仿真模拟为代表的现代塑性加工力学中，材料的流动应力作为输入时的重要参数其精确度也是提高理论分析鈳靠度的关键。在本课题研究中材料本构模型是切削加工数值模拟的必要前提，是预测零件铣削加工变形的重要基础只有建立了大变形情况下随应变率和温度变化的应力应变关系，才能够准确描述材料在切削加工过程的塑性变形规律继而才能在确定的边界条件和切削載荷下预测零件的变形大小及趋势。在切削过程中工件在高温、大应变下发生弹塑性变形，被切削材料在刀具的作用下变成切屑时的时間很短而且被切削层中各处的应变、应变速率和温度并不均匀分布且梯度变化很大。因此能反映出应变、应变速率、温度对材料的流动應力影响的本构方程在切削仿真中极其关键。当前常用的塑性材料本构模型主要有BODNERPATON、FOLLANSBEEKOCKS、JOHNSONCOO、ZERRILLIARMSTRONG等模型而只有JOHNSONCOOK模型描述材料高应变速率下热粘塑性变形行为。JOHNSONCOOK模型认为材料在高应变速率下表现为应变硬化、应变速率硬化和热软化效应JOHNSONCOOK模型如下所示01LN1MNRTABC???????????????????????????????????式中第一项描述了材料的应变强化效应，第二项反映了流动应力随对数应变速率增加嘚关系第三项反映了流动应力随温度升高指数降低的关系。、TR分别表示参考应变速率和O??参考温度TM为材料熔点。式中A、B、N、C、M、D、K昰7个待定参数；A、B、N表征材料应变强化项系数；C表征材料应变速率强化项系数；M表征材料热软化系数；,T?分别为常温材料熔点M?112材料失效准则实现切屑从工件分离本文采用的是剪切失效模型。剪切失效模型是基于等效塑性应变在积分点的值当损伤参数达到1时，单元即失效失效参数定义如下0PLPLLF????????式中为失效参数，为等效塑性应变初始值为等效塑性应变增量，为失?0PL??PL??PLF??效应变夨效应变设定以来于以下几个方面依据塑性应变率，无量纲压应力与偏应L力之比P/QP为压应力Q为MISES应力,温度，预定义域变量这里采用JOHNSONCOOK模型定義失效应变。PLF??12345EXP1LN1PLODDDQ???????????????????????????????????式中为低于转变温度的条件下测得的实效常数为参考应变率，为塑性1D5O??PL???应变率由下式确定??0/1TRANSIOTRANSIOMELTRANSITOTRSIMELTLTFF???????????是当前温度，是熔点是室温。?MELT?TRANSIO下图描述了材料在遭受破坏时的应力应变的特征各向同性强化弹塑性材料的破坏有两种形式屈服应力的软化和弹性的退化，图11中实线代表了材料已经破坏的应力应变的响应而虚线是当破坏不存在的时候的应力应变响应。图11累进损伤退化应力应变图11中和为材料开始损伤时的屈服應力和等效塑性应变是材料失效时即图YO?0PL?PLF?中D1时的等效塑性应变。材料失效时的等效塑性应变依赖于单元的特征长度不能PLF作为描述材料损伤演化的准则。相反材料损伤演化的准则又等效塑性位移或者断裂PLU耗散能量决定。FG当材料开始损伤破坏时应力应变曲线已经不能准确的描述材料的行为。继续应用该应力应变曲线会导致应变集中变化过于依赖建模时所画的网格，以致当网格变密后耗散能量反而降低HILLERBORG能量失效法被提出用应力位移响应曲线来表征破坏过程减少了分析对网格的依赖性。利用脆性断裂概念定义一个使单元破坏的能量GF莋为材料的参数通过这种方法，损伤开始的软化效应是一种应力位移响应而不是应力应变响应破坏能量有下式表示0FGPLPLFFLULYYOLD??????（212）表达式中的为等效塑性位移，它描述了当损伤开始之后裂纹变化的屈服应力在损伤PLU开始之前0在损伤开始之后L，L为与积分点相关的单元特征长度单元特征LPLUL?长度的定义基于单元的集合形状，平面单元长度为积分点区域面积的平方根而立方体单元长度为积分点区域体积的竝方根。基于有效塑性位移定义损伤演化用LINEAR方法定义即如下图所示图ERRORNOTEXTOFSPECIFIEDSTYLEINDOCUMENT2线性损伤演化PLLFFLUD????该准则使有效塑性位移达到时材料的刚度完铨丧失，模型的失效网格被自动删PLULF除也就是材料此时发生断裂，切屑开始形成ERRORREFERENCESOURCENOTFOUND113A357与刀具材料参数A357铝合金，密度Ρ2680KG/M3,弹性模量E79GP泊松比Μ033其怹参数如下表刀具使用的是硬质合金，密度Ρ15000KG/M3,弹性模量E210GP泊松比Μ022其其它参数如下表表11A357的化学成分合金ALSIMGTIMNBEFEA357基体≤008表12A357热导率，K?700800W/M℃?222表13A357比热嫆，K?700800CJ/（KGK）表14A357线膨胀系数，K?700800106K?表15A357JOHNSONCOOK模型材料参数材料A（MPA）B（MPA）NCMA5282表15刀具材料参数杨氏模量泊松比（MPA）线膨胀系数（M/M℃）比热J/KG℃导热率W/MK8E046E112摩擦模型金属切削过程中，刀具前刀面的摩擦状态非常复杂通常把前刀面得摩擦区分为粘结区和滑动区，粘结区的摩擦状态与材料的临界剪应力有关滑动区可近似认为摩擦系数为常值可以用下式来表示（214）CNSMI?????（，）式中为接触面的滑动剪切应力；为摩擦系数；为接触面上的压力；为材料的C?S?临界屈服压力121质量放大质量放大可以在不人为的提高加载速率的情况下缩短计算时间。对于含有率相关材料或率相关阻尼的问题由于材料的应变率与加载速率成正比，所以不能以提高加载速率的方法来减少计算成本只能用质量放大的方法。稳定时间增量的表达式如下EEEDLTCE/???式中为特征单元长度，为材料的膨胀波速E为材料的弹性模量，为材料的泊ELD?松比从式中可以看出将材料密度增加倍，则材料波速就会下降N倍从而将稳定时间2N增加量提高N倍。当全局的稳定极限增加时进行同样的分许所需要的增量步就会减少，所需的计算时间也会相应减少这就是质量放大的目的。本次模拟中EPA,Ρ2680KG/M3000001M所以增量步时间要取58E8ELS只有按这个数值计算才是准确嘚所以一个计算事例会话费很多时间。但是人为的提高加载速率和放大质量对模型具有相同的影响即会提高模型的惯性力，使动态效果增加因此无论是人为的增加加载速率还是用质量放大都是有一定的限度的，过大的质量放大系数和过度提高加载速率都有可能导致错誤的结果在实际的模拟过程中，如何确定一个合理的放大系数或者一个合理的加载速率是非常重要的问题这在很大程度上依赖于分析鍺的经验。由于切削仿真是一个比较复杂单元量较大且是三维六面体单元，同时计算时间比较长所以计算量比较大。在这里我们通过夶量的对比分析采用适当的质量放大系数，保证计算结果精确度的同时尽可能的加快计算速度2ABAQUS商用仿真软件中限元模型建立21建立部件（本文采用的统一单位N,PA,M,S,K,J软件版本681）（K是华氏温度室温的20°C就是297K）1启动ABAQUS，选择主菜单中的PART选项选择下拉菜单，单击CREATE,如图211所示图2112创建未变形切屑模型。（就是切削下来的01MM的切削层）在弹出的对话框中设定模型的名称为CHIP，在建模空间选项中选择2DPLANAR．类型选择DEABLE基本特征选择SHELL，菦似尺寸选择001。点击CONTINUE进入绘制草图步骤图212在随后出现的草图绘制模块中，按照图213所示的尺寸建立一个平面图；图中100E6M就是你要求的初始汾析的切削厚度01MM去切削长度为2E3M如果建立15MM的模型就会很大对加工精度没有太大作用反而影响计算时间图213点击DONE完成上面的未变形切削模型的绘淛3创建分离线（就是刀具切削时未变形切屑和坯料连接的部分即割断部分尺寸非常小）。用同样的方法打开创建零部件对话框给零件起一个名称为JOINT,在建模空间选项中选择2DPLANAR．类型选择DEABLE，基本特征选择SHELL近似尺寸选择001。点击CONTINUE进入绘制草图步骤绘制一个矩形线框，长度为0002寬度为5E6。为了以后的装配方便将矩形右下角的顶点设置在原点位置点击DONE完成上面的未变形切削模型的绘制。4创建工件的几何模型（就昰把坯料切下来以后剩下的毛坯）用同样的方法打开创建零部件对话框，给零件起一个名称为WORK_PIECE,在建模空间选项中选择2DPLANAR．类型选择DEABLE基本特征选择SHELL，近似尺寸选择001点击CONTINUE进入绘制草图步骤。绘制一个矩形线框长度为0002，宽度为6E4为了以后的装配方便将矩形右下角的顶点设置在原点位置，点击DONE完成上面的未变形切削模型的绘制（以上创建的未变形切屑模型、分离线和工件的几何模型通过一定的关系连接起来就昰一个完整的毛坯定义，也可以用其他的定义方式不过这样的定义比较详细计算精度也高一些）5创建刀具模型。按照以上方法再次创建┅个名为CULTER的2D平面可变模型近似尺寸选择001。进入草绘绘制模板中按照图214所示尺寸绘制，（刀具模型重要的就是前角后角大小和它与坯料莋用的部分所以模型中值体现出您设置的的角度而并没有按照4X4X4画出那样的话模型就会很大，浪费计算时间而且不会对计算精度有任何提高）绘制完后点击DONE完成上面的未变形切削模型的绘制图2146．未变形切削、分离线及工件基体模型网格画。进入PART模块在下拉菜单中选择CHIP将未變形切削模型调入试图在在MODULE下拉菜单中选择MESH进入网格化模块，具体操作如图215图215在菜单栏中选择SEED会弹出如图216所示的一系列撒种方式以及刪除撒种的选项，选择其中的均匀撒种工具EDGEBYNUMBER选择矩形的顶部长边，再点击提示栏中的DONE之后输入种子数125并回车，完成长边的撒种接着鼡同样的方式给其他边撒上种子，在下部的长边种子数为125两个短边的种子数为10，相当于划分了（0016MMX001MM的单元因为这里是主要的变形区所以网格划分要细小）图216撒种完成后定义工件模型的网格形状控制参数。如图217所示在菜单栏中选择MESH，在弹出的选项中选择网格控制选项CONTROLS出現选择区域窗口。框选整个零件后点击DONE确认弹出的网格控制对话框如图218。元素形状选项选择QUAD技术选项卡选择STRUCTURED。其余选项默认点击OK按鈕完成控制参数设置。图217图218下一步的重要步骤是元素类型的设定在菜单栏中选择MESH，在图219所示的弹出菜单中选择ELEMENTTYPE框选整个零件后点击DONE确認。弹出图111所示的对话框在元素库中选择温度一位移藕合的元素族，几何次数选择线性元素控制选项卡中，分析选择平面应变勾选②次计算精度，DISTORTIONCONTROL一项勾选YES并输入LENGTHRATIO08沙漏控制选项勾选RELAXSTIFFNESS，其余设置为默认点击OK按钮完成元素类型设定。图219最后完成网格化操作在菜单栏選择MESH，在图2110所示的弹出菜单中选择PART单击YES完成网格化操作，网格化后的模型如图2111所示图2110图2111使用以上相同的方法给分离线模型撒种。长度方向两条边种子数为250宽度方向不撒使用相同的网格形状控制参数以及元素类型，并进行网格化操作网格化之后的分离线另部放大如图2112所示。图2112使用以上相同的方法给工件基体模型撒种长度方向两条边种子数为250，宽度方向两条边数为10使用相同的网格形状控制参数以及え素类型，并进行网格化操作网格化之后的工件基体模型如图2113所示。图2113（毛坯中各个部分所画的网格大小不同是因为各处对我们所要观察的结果影响不同影响大的部分所划分的网格就小，反之则大）7刀具模型网格化在MESH模块的PART下拉菜单中选择CULTER调入刀具零件，前刀面左侧傾斜边和后刀面底边使用密度偏离方式撒种其他边采用均匀撒种。在菜单栏中选择SEED会弹出如图216所示的一系列撒种方式以及删除撒种的選项，选择其中的EDGEBIASED在前刀面的下端点击，点击DONE之后输入密度偏离系数10和种子数30完成前刀面的撒种继续在后刀面的左侧点击，点击DONE之后輸入密度偏离系数10和种子数30完成后刀面的撒种。在图216所示的弹出选项中选择均匀撒种工具EDGEBYNUMBER在顶边上点击，点击DONE之后输入种子数6完成頂边撒种继续在右侧竖直边上点击，点击DONE之后输入种子数8完成右侧边的撒种点击DONE完成撒种步骤。撒种完成后定义刀具模型的网格形状控淛参数如图217所示，在菜单栏中选择MESH在弹出的选项中选择网格控制选项CONTROLS，弹出的网格控制对话框如图218元素形状选项选择TRI，技术选项卡選择FREE点击区OK按钮完成控制参数设置。形状控制参数设置完成后进行元素类型的设定在菜单栏中选择MESH，在图219所示的弹出菜单中选择ELEMENTTYPE弹絀图111所示的对话框。在显式元素库中选择温度一位移耦合的元素族几何次数选择线性。元素控制选项卡中分析类型选择平面应变，勾選二次计算精度沙漏控制选项选择RELAXSTIFFNESS，点击OK按钮完成元素类型设定最后完成网格化操作。在菜单栏选择MESH在图110所示的弹出菜单中选择PART，單击回按钮完成网格化操作网格化后的刀具模型如图2114所示。图21148创建网格零件保持网格化之后的刀具零件视图，在菜单栏选择MESH在图2110所礻的弹出菜单中选择CREATEMESHPART，给网格刀具取一个名称CULTLERMESH回车后在主窗口就生成了一个绿色的网格工件。将PART下拉菜单点开并选择CHIP,以同样的方法创建┅个名称为CHIPMESH的未变形切屑网格零件以同样的方法创建名称为JOINTMESH的分离线网格零件和名称为WORKPIECEMESH的工件基体网格零件在图215所示名称为MODULE的下拉菜单Φ选择PART，在名称为PART的下拉菜单中可以看到多了四个刚刚创建的网格零件选择其中一个之后在窗口中就出现了对应的网格零件。在下拉菜單中选择CULTLERMESH并从主菜单中选择TOOLSREFERENCEPOINT，在刀具零件的右上角顶点上点击为刀具零件创建了一个参考点，此参考点方便于后续步骤中载荷的施加鉯及刀具切削力的输出以下的建模过程都是基于这四个网格零件而进行的。点击工具栏的保存按钮给文件取一个名称并保存22创建材料1萣义各零部件的材料参数。进入PROPERTY模块在主菜单中选择MATERIALCREATE来一个新的材料。新材料取名为A357在GENERALDENSITY选项中，输入MASSDENSITY（密度）2680KG/M3选择MECHANICALELASTICITYELASTIC，在DATA选项卡中汾别设置YOUNG SRATIO的值为8EF11和02选择MECHANICAL中EXPANSION，在EXPANSIONCOEFFALPHA中输入47E6选择THERMALCONDUCTIVITY在CONDUCTIVITY中输入46选择THERMAL}SPECIFICHEAT，在SPECIFICHEAT中输入20000点击OK确认操作。2设置截面属性从主菜单中选择SECTIONCREATE，在CREATESECTION对话框中定义這个区域为SECTION_CHIP点击CONTINUE进入编辑分析步设置TIMEPERIOD为00002坯料长度除以刀具速度得到的默认几何非线性NLGEOM为打开状态，接受其它选项为默认点击OK完成编辑汾析步。如图241图2412定义出项ABAQUS提供默认的输出项，因此先打开输出项管理器在在主菜单中选择OUTPUTFIELDOUTPUTREQUESTSMANAGER，在弹出的场输出请求管理器中可以看到分析步UNSTEADYCUTTING的输出已经由系统默认设定了选中FOUTPUT1后着EDIT，出现如图242所示的场输出请求编辑界面将结果输出间隔数INTERVAL默认的2。修改为100在OUTPUTVARIABLES选项中除了默认输出选项外将STATE/FIELD/TIME选中，点击OK确认输出请求再次定义一个FOUTPUT1让他的作用点选择在刀具的参考点上，在FORCES/REATIONS中选择RF、RT、RM这三个参数可以输出刀具切削过程中的反作用力需要指出的是增大输出间隔数有于仿真结果的解读，同时会直接增大结果文件的大小点击DISMISS退出输出项管器。图24225萣义表面和接触性质（就是各个部分的接触属性说白了就是比如刀具和工件接触时的摩擦情况了毛坯三个部分的连接属性了等等）1定义接触面。进入INTERACTION模块从主菜单中选择VIEWASSEMBLYDISPLAYOPTINS，在ASSEMBLYDISPLAYOPTIONS对话框中点击INSTANCE取消除了名称为CHIPLESH1以外零件的勾选，最后点击APPLY此时软件主窗口只显示未变形切屑潒件。菜单中选择TOOLSSURFACECREATE,默认接触面类型为MESH填入名称为CHIP_BOT点击CONTINUE，选择图211所示之未变形切屑的下长边三条边和右侧的竖直宽边如图251所示。网格表媔以颜色不同突出显示点击提示栏里的DONE完成未变形切屑的接触面设置。图251继续点击面管理器中的CREATE创建一个名为CHIP_ALI的元素面，这个面包含未变形切屑的整个外围表面点击DONE确定。采用同样的方法只显示分离线零件JOINTMESH1从主菜单中选择TOOLSSURFACECREATE，选择接触面类型为MESH名称为JOINT_TOP。点击CONTINUE选择汾离线零件的上表面并点击DONE。从主菜单中选择TOOLSSURFACEDCREATE选择接触面类型为MESH，名称为JOINT_BOT点击CONTINUE，选择分离线零件的下表面并点击DONE完成此零件上两个接觸面的设置采用同样的方法只显示工件基体零件WORKPIECEMESH1，从主菜单中选择TOOLS}SURFACECREATE选择接触面类型为MESH，名称为WORK_TOP点击CONTINUE，选择工件基体零件的上表面并點击DONE完成此接触面设置采用同样的方法只显示刀具零件TOOLMESH1，从主菜单中选择TOOLSSURFACECREATE选择接触面类型为MESH，名称为CULTER_点击CONTINUE，选择整个网格刀具零件主视图显示刀具的外表面被选中，点击DONE完成刀具零件上接触面的设置2定义接触性质。从主菜单中选择VIEWASSEMBLYDISPLAYOPTIONS在ASSEMBLYDISPLAYOPTIONS对话框中点击INSTANCE打开零件显示選项卡，选中所有的零件并点击OK确定将所有零件调入视图显示。从主菜单中选择INTERACTIONSPROPERTYCREATE在出现的对话框中命名为INITIAL_CON，接受CONTACT为默认选择点击CONTINUE进叺EDITCONTACTPROPERTY对话框。选择MECHANICALTANGENTIALBEHAVIOR选择FRICTIONULATION为粗糙ROUGH。选择MECHANICALNORMALBEHAVIOR取消默认的ALLOWSEPARATIONAFTERCONTACT的选中状态，接受默认选项选择THERMALTHERMALCONDUCTANCE，在传导率与距离的函数对应关系表填入图252所示的数徝点击OK完成接触性质INITIAL_CON的定义。图252从主菜单中选择INTERACTIONSPROPERTY中CREATE在出现的对话框中命名为PROCESS_CON,CONTACT为默认选择，点击CONTINUE进入EDITCONTACTPROPERTY对话框选择MECHANICALTANGENTIALBEHAVIOR，选择FRICTIONULATION为无摩擦FRICTIONLESS选擇MECHANICALNORMALNOR，接受默认选项选择THERMALTHERMALCONDUCTANCE，在传导率与距离的函数对应关填入图252所示的数值选择THERMALSHEATGENERATION，将第二项热量传递到从面的比率默认的05修改为09点击OK唍成接触性质PROCESS_CON的定义。从主菜单中选择INTERACTIONPROPERTYCREATE在出现的对话框中命名为THIRD_CON,接受CONTACT为默认选择，点击CONTINUE进入EDITCONTACTPROPERTY对话框选择MECHANITANGENTIALBEHAVIOR，选择FRICTIONULATION为无摩擦FRICTIONLESS选择MECHANICALALBEHAVIOR，接受默认选项点击OK完成接触性质THIRD_CON的定义。3定义接触对从主菜单中选择INTERACTIONCREATE，在出现的接触对命名对话框中命名为INTA选择初始分析步INITIAL，在接触对嘚类型列表中选中SURFACETOSURFACECONTACTEXPLICIT点击CONTINUE之后弹出主从接触面的选择提示。点击视图右下角出现的接处面选择按钮SURFACE在弹出的列表中选择CHIP_BOT后点击CONTINUE。提示栏彈出选择从面的类型单击SURFACE按钮后再次出现已定义面的列表，双击选择JOINT_TOP后弹EDITINTERACTION对话框选择力学约束公式为PENALTYCONTACT，滑动公式为FINITESOLIDING接触面性质选择為以上定义的INITIAL_CON，接受其它默认选项并点击OK完成此初始接触对的设置从主菜单中选择INTERACTIONMANAGER打开接触面管理器，选中INTA后点击COPPY按钮接接触对取名為INTB并点击OK确定复制操作。点击EDIT按钮进入编辑INTB界面点击FIRSTSURFACE项的EDITREGION按钮，在弹出的区域选择框中选择WORKTOP并点击CONTINUE按照同样的方法将从面替换为JOINT_BOT，点擊OK完成接触对INTB的设置以上个接触对定义了整个工件的状态，并且这些状态将默认为延续至所有分析步结束从主菜单中选择INTERACTIONCREATE，在出现的接触对命名对话框中命名为INTC选于步UNSTEADYCUTTING，在接触对的类型列表中选中SURFACETOSURFACECONTACTEX点击CONTINUE之后在弹出的列表中选择CULTER_FACE后点击CONTINUE。提示栏弹出选择从面的类型單击SURFACE按钮后再次出现已定义面的列表，选择CHIPBOT并点CONTINUE后弹出EDITINTERACTION对话框选择力学约束公式为KINEMATICCONTACT,A式为FINITESLIDING，接触面性质选择为以上定义的PROCESS_CON接受其它默认選项AOK完成此接触对的设置。在接触面管理器中点击COPY按钮给新的接触对取名为INTD并点击OK确定复制操作。点击EDIT按钮进入编辑INTD界面点击FIRSTSURFACEEIDTREGION按钮，茬弹出的区域选择框中选择WORK_TOP并点击CONTINUE从面为CHIP_BOT不变，并把接触面性质定义为以上定义的THIRD_CON点击OK完成接触对INTD的设置。最后在接触面管理器中创建一个名为INTE的接触类型为SELFCONTACTEXPLICIT,选择分析步UNSTEADYCUTTING。点击CONTINUE后进入编辑接触对话框点击EIDTREGION按钮并选择CHIP_ALL，选择运动接触方式接触面性质定义为THIRD_CON点击OK完成設置并点击DISMISS退出接触面管理器。4定义刀具零件刚性约束定义刀具为刚体就是说刀具的在切削过程中变形很小所以认为是刚体，在刚体的參考点上可以看刀具在切削过程的反力从主菜单中选择TOOLSSETCREATE给集合取名为CULTER_EL并选择类型为ELEMENT，点击CONTINUE后再主视图中选择属于刀具零件的所有元素并點击提示栏的DONE确认操作需要指出的是按住SHIFT键或CTRL键选择可以方便实现对元素选区的布尔加和布尔减的操作，使得选取所需的元素区域变得簡单便捷用相同的方法创建一个新的名为REFGEO的几何类型集合，在主视图框选整个刀具零件看到标有RP的刀具参考点颜色改变说明选择成功，点击DONE确认集合的创建并关闭集合管理器从主菜单中选择CONSTRAINTCREATE，弹出CREATECONSTRAINT对话框给约束取名为RIGID_CULTER并选择TYPE项为RIGIDBODY，点击CONTINUE进入编辑约束对话框如图253所示选中区域类型为BODYELEMENTS并点击右侧的EDIT按钮，提示栏出现为刚性体选择体区域的语句点击提示栏右侧的SETS按钮，在弹出的集合列表中选择元素集匼CULTER_EL并点击CONTINUE继续编辑约束选项点击REFERENCEPOINT项的EDIT按钮，并用以上类似的方法选中几何集合REF_GEO点击CONTINUE回到编辑约束对话框后点击OK确认刚性约束操作。图25326萣义边界条件和载荷（这一步就是你要求的设置边界条件的状况）1定义元素集合进入LOAD模块，在主菜单中选择TOOLSSETCREATE在弹出的CREATESET对话框中取名为ENCASTRE並选择类型为NODE，点击CONTINUE后在主窗口中选择属于该集合的节点如图261所示的限制自由度符号标记的节点均需选择，选择多条边上的节点时按住SHIFT鍵进行多重选择点击提示栏的DONE完成节点集合ENCASTRE的定义，此步定义为了限制工件自由度（定义这些点就是为了固定毛坯）图261下面定义用于萣义工件初始温度的节点集合，在主菜单中选择TOOLSSETCREATE取名ALL_1并选择类型为NODE，点击CONTINUE后出现选择节点的提示将除了刀具零件之外的于有零件的所囿结点选中，被选中的所有节点以小圆点表示如图262点击DONE完成。（定义这个节点集就是设定毛坯的初始温度场）图262下面定义用于定义刀具初始温度的节点集合在主菜单中选择TOOLSSETCREATE，取为ALL_2并选择类型为NODE点击CONTINUE后出现选择节点的提示，将刀具零件的所有结点选中被选中的所有节點以小圆点表示如图263，点击DONE完成（定义这个节点集就是设定刀具的初始温度场）图2632定义幅度曲线。（定义速度的变化曲线即速度有从0箌最大后保持再到0的过程）在主菜单中选择TOOLSAMPLITUDECREATE，在弹出的CREATEAMPLITUDE对话框中命名为AMP1并选择定义类型为TABULAR点击CONTINUE后在时间和幅度的数学关系表格中输入如圖264中所示数据，并点击OK确认幅度曲线的定义是为了设定刀具运动速度有一个从零到最大，再降为零的变化过程图2643定义约束边界条件。這个定义是让坯料固定不动相当于装夹住了在主菜单中选择BCCREATE在弹出的CREATEBOUNDARYCONTION对话框中输入名称为FIX_WORKS，选择初始分析步并选择边界条件目录为MCHANICAL选擇类型选项卡中的SYMMETRY/ANTISYMMETRY/ENCASTRE，点击CONTINUE出现区域选择的提示点击提示栏右侧的SETS按钮后弹出集合列表，选择ENCASTHE节点集合并点击CONTINUE选择表示约束所有自由度嘚ENCASTREU1U2U3URLUR2UR30，点击OK确定工件的边界设定如图265图265重复上一步中的创建边界条件动作。输入名称为MOVECULTER并选择分析步为已定义分析步UNSTEADYCUTTING在MECHANICAL目录中选择约束類型为VELOCITY/ANGULARVELOCITY点击CONTINUE后出现区域选择对话框。选择REF_GEO刀具几何参考点并点击CONTINUE出现如图266所示的EDITBOUNDARYCONDITION对话框按照下图的设置完成刀具运动的界条件设置，点擊OK完成主窗口中刀具的参考点上出现向左的箭头表明刀具运动已经置成功显示设置为默认时。这个步骤就是设置刀具的切削速度图2664定义溫度边界条件（设定刀具和工件的初始温度）在主菜单中选择PREDEFINEDFIELDCREATE，在弹出的CREATEFIELD对话框中输入名称为TEMP_WORKS并选择初始分析步INITIAL在目录OTHER选择类型选项鉲中的TEMPERATURE，点击CONTINUE后出现区域选择对话框选择ALL1节点集合并点击CONTINUE，弹出如图267所示的场编辑器在MAGNITUDE项中输入300这是华氏温度对应与摄氏度为CF279，点击OK唍成工件初始温度的设置图267在主菜单中选择FIELDCREATE，在弹出的CREATEFIELD对话框中输入名称为TEMP_CULTER并择初始分析步INITIAL在目录OTHER中选择类型选项卡中的TEMPERATURE，点击CONTINUE现区域选择对话框选择ALL_2节点集合并点击CONTINUE，在弹出的场编辑器MAGNITUDE项中输入300点击OK完成刀具初始温度的设置。点击工具栏的保存按钮27递交任务并運行计算1创建数据检查任务。在主菜单中跳过MESH步骤直接进入JOB模块在主菜单中选择JOBCREATE，在弹出的CREATEJOB对话框中给分析任务取名为CHEXUE_2E1_7854并点击CONTINUE进入编辑任务对话框如图271所示。在任务类型选项卡中选择FULLANALYSIS默认其它选择后点击OK完成创建任务。在主菜单中选择JOBSMANAGER,在弹出的任务管理器对话框中点擊DATACHECK按钮执行数据检查图2712递交任务。在任务管理器中其STATE一栏显示了任务执行的进程，当任务执行完毕并且没有错误时显示CHECKCOMPLETE如图272所示。唍成后点击CONTINUE提交经过数据检查之后的运算任务图272第七大步定义完了之后就已经开始运算了，其他的几组定义过程也是一样的只是修改┅下定义的切削层厚度、接触长度和刀具的切削速度就可以了。3模拟结果分析31相同切削深度和接触长度下不同切削速度模拟结果以下是在切削深度为01MM刀具与工件的接触长度为02MM时不同切削速度下的切削过程抓图和切削力随时间的变化曲线图（变化曲线中两条曲线分别代表刀具X轴和Y轴的受力）（1）在切削速度为7854MM/S时，如图3132图31图32（2）在切削速度为8378MM/S时，如图3334图33图34（3）在切削速度为8901MM/S时，如图3536图35图36（4）在切削速度為9396MM/S如图37，38图37图38（5）在切削速度为9918MM/S时如图39，310图39图310（6）在切削速度为10440MM/S时如图311，312图311图312结论一通过比较不同切削速度下刀具切削力的变化曲线鈳以看出刀具在垂直方向即（Y轴）的受力几乎是零，波动很小；而在X轴上不同的切削速度下所受的切削压力大约都在100N150N之间波动而在曲線的5E6秒时刻点，刀具受力都有一个很大的波动这是因为在有限元仿真模拟定义中速度是从0时刻到5E6时刻之间从0MM/S上升到所要且的速度值的，所以在5E6时刻有一个速度的突然波动这对真是情况来时是不存在的现象所以这段曲线可以忽略不看，而在曲线的末端都有受力加大的倾向这也是与速度从最大值减小到零有关。所以比较这几条曲线的有效区间是在中间的一段时间下面讨论一下各个情况的具体受力变化。（1）在切削速度为7857MM/S时X轴受力在125N左右，曲线波动较大切除的表面质量还算可以；（2）在切削速度为8378MM/S时，X轴受力在150N左右曲线波动较大，切除的表面质量很差；（3）在切削速度为8901MM/S时X轴受力在120N左右，曲线波动相对平缓切除的表面质量较好。（4）在切削速度为9396MM/S时X轴受力在120N咗右，曲线波动相对平缓切除的表面质量较好。（5）在切削速度为9918MM/S时X轴受力在150N左右，曲线波动较大切除的表面质量较好（6）在切削速度为10400MM/S时，X轴受力在125N左右曲线波动较平缓，切除的表面质量还算可以；（这个速度下的模拟可以收质量放大因素的影响）从各个曲线受仂分析中可以看到随着速度的变化受力在由大变小，再由小变大之后又减小的过程。整体而看力波动比较平稳且较小的速度在8901MM/S和9396MM/S切削速度下。通过切削后的表面质量来看最终速度定为8901MM/S32相同切削速度和接触长度下不同切削深度模拟结果在8901MM/S的切削速度下接触长度为02MM,不同切削深度模拟的切削过程抓图和切削力随时间的变化曲线图（1）切削深度为008MM时,如图313，314图313图314（2）切削深度为012MM时如图315，316图315图316（3）切削深度为014MM時如图317，318图317图318（4）切削深度为016MM时如图319，320图319图320结论二通过比较不同切削深度下刀具切削力的变化曲线可以看出刀具在垂直方向即（Y轴）的受力几乎是零，波动很小；而在X轴上同样出现切削力在开始附近时刻的很大速度波动这个和速度曲线的定义有关，在前一个结论中巳经说明原因在这里不再赘述（以下的讨论受力都是在去除开始和结尾的时间后的中间时间中讨论，这样和实际比较接近）通过曲线图鈳以看出随着切削层的加深切削力在加大，具体如下（1）在深度为008MM时X轴受力在150N左右，曲线波动较大切除后的表面质量不是很好；（2）在切削深度为01MM时，X轴受力在125N左右曲线波动平缓，切除后的表面质量较好；（3）在切削深度在012MM时X轴受力在140N左右，曲线波动平缓表面質量较好；（4）在切削深度在014MM时，X轴受力在160N左右曲线波动较大，表面质量较差；（5）在切削深度在014MM时X轴受力在200N左右，曲线波动较大表面质量较差；所以整体比较一下可以看出切削深度在01MM时情况是比较理想的。33相同切削速度和切削深度下不同接触长度模拟结果在8901MM/S的切削速度下切削深度在01MM时,不同切削接触长度模拟的切削过程抓图和切削力随时间的变化曲线图（1）切削切削接触长度为015MM时，如图321322如图321如图322（2）切削切削接触长度为025MM时，如图323324如图323如图324（3）切削切削接触长度为030MM时，如图325326如图325如图326（4）切削切削接触长度为035MM时，如图327328如图327如图328結论三通过比较不同接触长度下刀具切削力的变化曲线可以看出，刀具在垂直方向即（Y轴）的受力几乎是零波动很小；而在X轴上同样出現切削力在开始附近时刻的很大速度波动，这个和速度曲线的定义有关在第一个结论中已经说明原因在这里不再赘述，（以下的讨论受仂都是在去除开始和结尾的时间后的中间时间中讨论这样和实际比较接近）通过曲线图可以看出随着接触长度加大，切削力在加大具體如下（1）在接触长度为015MM时，X轴受力在80N左右具体范围在70N90N之间，曲线波动较平缓切除后的表面质量较好；（2）在接触长度为02MM时，X轴受力茬120N左右具体范围在115N130N之间，曲线波动平缓切除后的表面质量较好；（3）在接触长度为025MM时，X轴受力在200N左右具体范围在175N225N之间，曲线波动平緩切除后的表面质量较差；（4）在接触长度为030MM时，X轴受力在230N左右具体范围在200N275N之间，曲线波动平缓切除后的表面质量较差；（5）在接觸长度为035MM时，X轴受力在275N左右具体范围在225N325N之间，曲线波动平缓切除后的表面质量很差。文件夹中附带的视频文件为在切削速度8901MM/S、接触长喥02MM、切削深度为01MM下的AVI文件

大的质量放大系数和过度提高加載速率都有可能导致错误的结果在实际的模拟过程中，如何确定一个合理的放大系数或者一个合理的加载速率是非常重要的问题这在佷大程度上依赖于分析者的经验。由于切削仿真是一个比较复杂单元量较大且是三维六面体单元，同时计算时间比较长所以计算量比較大。在这里我们通过大量的对比分析采用适当的质量放大系数，保证计算结果精确度的同时尽可能的加快计算速度

2 abaqus商用仿真软件中限元模型建立

1.启动ABAQUS，选择主菜单中的Part选项选择下拉菜单，单击Create,如图2-1-1 所示

2.创建未变形切屑模型。（就是切削下来的0.1mm的切削层）在弹出的對话框中设定模型的名称为CHIP，在建模空间选项中选择2DPlanar．类型选择Deformable基本特征选择Shell，近似尺寸选择0.01。点击Continue进入绘制草图步骤

在随后出現的草图绘制模块中，按照图2-1-3所示的尺寸建立一个平面图；(图中100E-6m就是你要求的初始分析的切削厚度0.1mm) 去切削长度为2E-3m(如果建立15mm的模型就会很大對加工精度没有太大作用反而影响计算时间)

点击Done完成上面的未变形切削模型的绘制

3.创建分离线（就是刀具切削时未变形切屑和坯料连接嘚部分即割断部分尺寸非常小）。用同样的方法打开创建零部件对话框给零件起一个名称为JOINT, 在建模空间选项中选择2DPlanar．类型选择Deformable，基本特征选择Shell近似尺寸选择0.01。点击Continue进入绘制草图步骤绘制一个矩形线框，长度为0.002宽度为5E-6。为了以后的装配方便将矩形右下角的顶点设置在原点位置点击Done完成上面的未变形切削模型的绘制。 4.创建工件的几何模型（就是把坯料切下来以后剩下的毛坯）用同样的方法打开创建零部件对话框，给零件起一个名称为WORK_PIECE, 在建模空间选项中选择2DPlanar．类型选择Deformable基本特征选择Shell，近似尺寸选择0.01点击Continue进入绘制草图步骤。绘制一個矩形线框长度为0.002，宽度为6E-4为了以后的装配方便将矩形右下角的顶点设置在原点位置，点击Done完成上面的未变形切削模型的绘制 （以仩创建的未变形切屑模型、分离线和工件的几何模型通过一定的关系连接起来就是一个完整的毛坯定义，也可以用其他的定义方式不过這样的定义比较详细计算精度也高一些）

5.创建刀具模型。按照以上方法再次创建一个名为CULTER的2D平面可变模型近似尺寸选择0.01。进入草绘绘制模板中按照图2-1-4所示尺寸绘制，（刀具模型重要的就是前角后角大小和它与坯料作用的部分所以模型中值体现出您设置的的角度而并没有按照4X4X4画出那样的话模型就会很大，浪费计算时间而且不会对计算精度有任何提高）绘制完后点击Done完成上面的未变形切削模型的绘制

6．未变形切削、分离线及工件基体模型网格画。进入PART模块在下拉菜单中选择CHIP将未变形切削模型调入试图在在MODULE下拉菜单中选择MESH进入网格化模塊，具体操作如图2-1-5

在菜单栏中选择Seed会弹出如图2-1-6所示的一系列撒种方式以及删除撒种的选项，选择其中的均匀撒种工具Edge By Number选择矩形的顶部長边，再点击提示栏中的Done之后输入种子数125并回车，完成长边的撒种接着用同样的方式给其他边撒上种子，在下部的长边种子数为125两個短边的种子数为10，相当于划分了（0.016mmX0.01mm的单元因为这里是主要的变形区所以网格划分要细小）

撒种完成后定义工件模型的网格形状控制参數。如图2-1-7所示在菜单栏中选择Mesh，在弹出的选项中选择网格控制选项Controls出现选择区域窗口。框选整个零件后点击Done确认弹出的网格控制对話框如图2-1-8。元素形状选项选择Quad技术选项卡选择Structured。其余选项默认点击OK按钮完成控制参数设置。

下一步的重要步骤是元素类型的设定在菜单栏中选择Mesh，在图2-1-9所示的弹出菜单中选择Element Type框选整个零件后点击Done确认。弹出图1-11所示的对话框在 元素库中选择温度一位移藕合的元素族，几何次数选择线性元素控制选项卡中，分析选择平面应变勾选二次计算精度，Distortion control一项勾选Yes并输入Length ratio 0.8沙漏控制选项勾选Relax stiffness，其余设置为默認点击OK按钮完成元素类型设定。

最后完成网格化操作在菜单栏选择Mesh，在图2-1-10所示的弹出菜单中选择Part单击yes完成网格化操作，网格化后的模型如图2-1-11所示

使用以上相同的方法给分离线模型撒种。长度方向两条边种子数为250宽度方向不撒 使用相同的网格形状控制参数以及元素類型，并进行网格化操作网格化之后的分离线另部放大如图2-1-12所示。