[发明专利]基于多工步的金属切削加工过程的三维有限元仿真方法

说明书

一种基于多工步的金属切削加工过程的三维有限元仿真方法，包括以下步骤：(1)建立工件和刀具的三维模型并进行装配；(2)设置动态热力耦合分析步及重启动参数；(3)对模型进行网格划分；(4)设置第一工步中切削的接触属性和边界条件；(5)模型第一次提交运算，提取切削力和切削温度；(6)将第一次运算的结果导入模型，作为第一工步中卸载过程初始条件；(7)设置刀具与工件卸载时的分析步、重启动参数、接触属性和边界条件，并进行重启动计算；(8)提取第一个工步的残余应力；(9)将上一步的计算结果导入模型，作为第二工步的初始条件；(10)提取第二个工步切削力、切削温度和残余应力。该方法仿真精度高，计算速度快，大幅度降低切削实验成本。

技术领域

本发明涉及一种金属切削加工过程的仿真分析方法，属于机械加工技术领域。

背景技术

金属切削是机加工领域中至关重要的加工过程，切削加工的质量在很大程度上决定着零件的使用性能。在加工之前，要确定合理的加工参数，改善切削时的切削力、切削温度以及切削后的残余应力等指标，从而获得较优的加工质量。

加工参数确定的传统方法采用的是试切法，该方法要进行大量的切削实验，周期长，效率慢，并会造成资源的浪费，而有限元仿真的方法能很好地解决这些问题。

目前的切削仿真大多数都将切削过程简化为二维平面应变问题，并且只针对单一工步进行仿真。而金属切削过程是一种高度的几何非线性、材料非线性及接触非线性问题，并且伴随着高温、高压以及高应变率的塑性变形。因此，单一工步的二维仿真并不能很好地反应金属切削过程中各项参数的复杂变化。

由于ABAQUS软件在仿真三维切削时，对于有多个分析步的模型容易发生计算不收敛的问题，且软件并不会给出计算错误的提示信息，查找起来十分麻烦。

所以，迫切需要一种既保证了计算过程的准确性又减少了计算时间的基于多工步的三维切削仿真方法，用于模拟和预测切削过程中切削力、切削温度和残余应力等参数的变化规律，从而指导切削加工过程，确定合理的加工参数。

发明内容

本发明针对现有三维切削仿真技术存在的不足，提供一种仿真精度高、能够大幅度降低切削实验成本的基于多工步的金属切削加工过程的三维有限元仿真方法。

本发明的基于多工步的金属切削加工过程的三维有限元仿真方法，包括以下步骤：

(1)根据被加工工件的几何参数和切削参数建立工件的三维模型，切削参数包括进给量(mm/r)和切削深度(mm)；根据工件材料的特性设置工件的材料参数，包括密度、弹性模量、泊松比、热导率、比热容、热膨胀系数、非弹性热份额以及工件的JC本构模型和JC损伤失效模型。

所述JC本构模型：

式中：A为材料在参考应变率和参考温度下的屈服强度；B和n为应变强化系数；C为应变率敏感系数；m为温度软化系数；σ_eq为等效应力；ε_eq为等效应变；为无量纲等效塑性应变率，为参考应变率；T^*＝(T-T_r)/(T_m-T_r)，为无量纲温度，T_r、T_m分别为参考温度和材料的熔点，T为当前温度。

所述JC损伤失效模型：

式中：D为损伤参数，D＝0～1，初始时D＝0，当D＝1时材料失效，Δε_p为一个时间步的塑性应变增量；ε_f为当前时间步的应力状态、应变率和温度下的破坏应变，破坏应变ε_f的表达式为：