基于正交切削模型的刀具前角对主切削力及切削温度的影响合肥工业大学材料科学与工程学院合肥，230009摘要：在金属切削过程中，刀具的形状直接影响金属切削质量。近年来，有限元方法在切削加工模拟中得到了越来越广泛的应用，在研究切削工艺参数及切屑成形机理方面有着不可替代的作用。本文利用商业化软件DEFORM2D建立了二维弹塑性金属正交切削有限元模型，自动对畸变网格进行重划分，通过用不同的刀具前角对金属刀具切削过程进行了数值模拟，分析总结结果，得出刀具切削过程中在不同切削前角时，主切削力、刀具与工件的温度的分布情况。模拟结果与相关研究的实验数据吻合，对选用刀具形状，提高切削表面质量提供了理论依据。本文的研究为后期研制新的刀具材料提供了理论模型，降低实验成本。最后，还对切削工艺有限元数值模拟的发展方向作了探讨。关键字：弹塑性有限元刀具前角数值模拟正交切削Abstract:Thegeometricalshapeoftoolhasadirecteffectonthequalityofworkpieceintheprocessofmetalcutting.Recently,thefiniteelementmethod(FEM)hasbeenwidelyappliedincuttingprocess,andplaysanimportantroleintheinvestigationsoftechnicalparametersandchipmechanism.A2dimensionalelasto-plasticfiniteelementmodelofmetalobliquecuttingisdevelopedwithaDEFORM2Dinthisstudy.Anautomaticremeshtechniqueisusedtoremeshthedistortionmesh;acoupleofnumericalsimulationshavebeendevelopedonthemetalobliquecuttingprocesswithdifferenttoolrakeangles,someconclusionsareobtainedaccordingtothesimulationresults:thevariationalruleofcuttingforceandthetemperaturedistributionoftool-workpiece.Theoryfoundationsareprovidedtotheselectionoftoolgeometryandtoimprovethesurfacequalityofworkpiece.Ourstudyhasprovidedatheoricalmodelforfuturedevelopmentofnewtoolmaterialandcouldalsoreducethecostofexperiment.Atlast,thenewtrendsofFEMsimulationforcuttingprocessarepredicted.Keywords:elasto-plasticfiniteelementmodelrakeanglenumericalsimulationorthogonalcutting1绪论1．1简介随着现代机械制造技术的发展，提高切削质量，降低切削成本成为市场竞争的前提。切削过程是一个很复杂的工艺过程，不需要的金属层被不断去除以形成切屑，最终留下与设计精度及尺寸要求相符的产品。切削过程不但涉及到弹性力学、塑性力学、断裂力学，还有热力学、摩擦学等，而且切削质量受到刀具形状、切屑流动、温度分布、热流和刀具磨损等影响[1]。但是，利用传统的解析方法，很难对切削机理进行定量的分析和研究。切削操作人员和刀具制造商往往都是利用试错法(trial-and-errorMethod)来获取一些经验值，既费时费力，又增加了生产成本，严重阻碍了切削技术的发展[2]。计算机技术的飞速发展使得利用数值模拟方法来研究切削加工过程以及各种参数之间的关系成为可能。近年来，有限元方法在切削工艺中的应用表明，切削工艺和切屑形成的有限元模拟对了解切削机理，提高切削质量是很有帮助的。这种数值模拟方法适合于分析弹塑性大变形问题，包括分析与温度相关的材料性能参数和很大的应变速率问题。它还可以预测切削力变化规律以及切削后的温度分布，优化切削参数，从而实现对切削过程的控制。1．2切削过程有限元模拟技术的发展状况[1]有限元方法最早被应用在切削工艺的模拟是在70年代，与其它传统方法相比，它大大提高了分析的精度，1973年美国Illinois大学的B.E.Klamecki最先系统地研究了金属切削加工中切屑(chip)形成的原理，1980年美国的NorthCarolina州立大学的M.R.Lajczok在其博士学位论文中应用有限元方法研究切削加工中的主要问题，初步分析了切削工艺。1982年，Usui和Shirakashi为了建立稳态的正交切削模型，第一次提出刀面角、切屑几何形状和流线等，预测了应力应变和温度这些参数。1984年，Iwata等将材料假定为刚塑性材料，利用刚塑性有限元方法分析了在低切削速度、低应变速率的稳态正交切削圈。但是，他们都没有考虑弹性变形，所以没有计算出残余应力。Streb激wsjum和Carroll将工...