金属切削刀具虚拟设计方法初探
0 引言
1 建模与计算
- 有限元建模
- 建立正确的有限元模型是实现数值模拟的关键。结合金属切削的实际情况，建模时应重点考虑以下几个问题：
- 建立合理的材料模型是模拟切削过程的首要条件。考虑到刀具材料硬度远大于工件材料硬度，建模时可将刀具视为弹性体，将工件建成为弹塑性模型。在整个切削过程中，材料的变化是非线性的，因此需要确定材料的屈服准则、流动准则及强化准则。在复杂应力状态下，连续体进入屈服状态的判断标准通常采用 Tresca 屈服准则和Von Mises 屈服准则。Tresca 屈服准则认为：变形体内的最大剪应力达到某一临界值时即进入屈服状态。而VonMises 屈服准则认为：当变形体内单位体积的形状改变弹性能或单位体积的弹性形变能达到某一极限值时，变形体即进入屈服状态。由于Tresca 屈服准则中未反映出中间主应力s2对屈服准则的影响，因此它在数学上和几何上都是不连续的；而Von Mises 屈服准则的几何图形在s1 -s2应力平面中是一个外接于Tresca 六角形的椭圆，这就消除了屈服轨迹上的角点，解决了数学上的不连续问题。两种屈服准则的屈服轨迹比较如图1所示。
- 对于大多数金属材料，Von Mises 屈服准则与实验数据更为吻合，故本研究建模时选择Von Mises 屈服准则作为材料是否进入屈服状态的判定标准。材料在热软化过程中将出现流动性，单个塑性应变分量eplx、eply的发展方向可通过流动准则来描述，其表达式为
式中：epl??材料的塑性应变
(1) - l??塑性增量系数
- Q??决定材料应变方向的应力函数
- 随着塑性应变的发展，屈服准则可用等向强化和随动强化两种强化准则来描述，本研究选用了多线性等向强化准则(MISO)，它采用输入最多5 个应力?应变数据点的方法来表示应力?应变曲线，适用于遵守Von Mises 屈服准则、按比例加载的情况以及大应变分析。
- 在切屑形成过程中，切屑中单元位移的改变和单元取向的改变会影响模型的总体刚度，这是一个包括大应变和大挠度的几何非线性问题，对于此类问题，可以通过激活大应变效应方程迭代出一个正确的解。
- 刀具前刀面与切屑之间以及刀具后刀面与已加工表面之间均存在摩擦。为了正确描述摩擦模型，必须考虑整个过程的状态非线性接触问题，本研究选用了刚性体对柔性体的接触模式。由于前刀面上存在粘结区和滑动区，且两区域的位置因切削条件不同而异，故可通过设置一个最大许可剪应力tmax来加以控制，即界面剪应力低于tmax的区域为粘结区，界面剪应力高于tmax的区域为滑动区。
- 为使数值模拟实验更具代表性，本研究选取硬质合金WC-TiC-TaC-Co 作为刀具材料，其弹性模量E=550GPa，泊松比µ=0. 3；选取A3 钢作为工件材料，其弹性模量E=210GPa，泊松比µ=0. 3，极限应力sb=520MPa，屈服应力ss=320MPa，极限变形为20%。
图2 直角自由切削有限元模型
图3 剪切角形成图
图4 刀具体有效应力分布图
图5 刀具前刀面上各点的有效应力与其距刀尖距离的关系 - 对于大多数金属材料，Von Mises 屈服准则与实验数据更为吻合，故本研究建模时选择Von Mises 屈服准则作为材料是否进入屈服状态的判定标准。材料在热软化过程中将出现流动性，单个塑性应变分量eplx、eply的发展方向可通过流动准则来描述，其表达式为
图1 两种屈服准则的屈服轨迹比较 - 建立正确的有限元模型是实现数值模拟的关键。结合金属切削的实际情况，建模时应重点考虑以下几个问题：
