[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

摘要

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。

主权项

1.一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，其特征在于，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和切削深度；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；(2)根据刀具参数建立不同刀具的三维模型，刀具参数包括前角γ₀、后角α₀、切削刃钝圆半径r以及刀具的长a、宽b、高c，并将刀具设置为刚体；(3)将所建立的工件和不同刀具的三维模型按照实际加工条件进行装配，移动工件和刀具的相对位置；(4)设置第一工步中刀具切削工件过程的分析步，采用动态热力耦合分析，根据切削速度和工件长度设置切削时间，对切削力和切削温度的输出参数进行设置，设置重启动的相关参数；(5)对建立的模型进行网格划分，其中工件的三维模型采用六面体网格，刀具的三维模型采用四面体网格，对工件的被切削部分和刀具的刀尖部分进行网格加密；(6)设置第一工步中刀具切削工件过程中的接触属性和边界条件；(7)将模型第一次提交运算，保存计算结果，从中提取切削时的切削力和切削温度。(8)将第一次运算的结果导入模型，作为第一工步中卸载过程的初始条件；(9)设置第一工步中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，卸载时刀具与工件不发生接触，边界条件保持工件固定，设置刀具速度约束，使刀具退出，将模型提交进行重启动计算；(10)将上一步的计算结果再次导入模型，作为第一工步中刀具与工件冷却过程的初始条件，设置刀具与工件冷却时的分析步、重启动参数、接触属性和边界条件；接触属性中设置切屑、工件、和刀具表面与空气间的对流换热；边界条件中去除工件的固定约束；将模型提交进行重启动计算，保存计算结果，提取第一个工步的残余应力；(11)将上一步的计算结果导入模型，作为第二工步中切削过程的初始条件；(12)设置第二工步中刀具切削工件时的分析步、重启动参数、接触属性和边界条件，除刀具速度和进给量改变外，其它设置条件同步骤(6)，将第二工步的模型提交进行重启动计算，重复步骤(7)‑(10)，提取第二个工步切削力、切削温度和残余应力。