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CAE联盟论坛精品讲座系列【二】 ABAQUS 金属切削实例 主讲人：fuyun123 CAE 联盟论坛—ABAQUS 版主 背景介绍： 切削过程是一个很复杂的工艺过程，它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。同时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，切削表面的残余应力和残余应变严重影响了工件的精度和疲劳寿命。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。计算机技术的飞速发展使得利用有限元 仿真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。这种有限元仿真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。ABAQUS 作为有限元的通用软件， 在处理这种高度非 线性问题上体现了它独到的优势，目前国际上对切削问题的研究大都采用此软件，因此，下 面针对ABAQUS 的切削做一个入门的例子，希望初 学者能够尽快入门，当然要把切削做好， 不单单是一个例子能够解决问题的，随着深入的研究，你会发现有很多因素影响切削的仿真 的顺利进行，这个需要自己去不 断探索，在此本人权当抛砖引玉，希望各位切削的大神们 能够积极探讨起来，让我们在切削仿真的探索上更加精确，更加完善。 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 切削参数：切削速度300m/min，切削厚度0.1mm，切削宽度1mm 尺寸参数：本例作为入门例子，为了简化问题，假定刀具为解析刚体，因为在切削过程中， 一般我们更注重工件最终的切削质量，如应力场，温度场等，尤其是残余应力场，而如果是 要进行刀具磨损或者涂层刀具失效的分析的话，那就要考虑建立刀具为变形体来进行分析了。 工件就假定为一个长方形，刀具设置前角10°，后角6°，具体尺寸见INP 文件。 下面将切削过程按照ABAQUS 的模块分别进行叙述，并对注意的问题作出相应的解释。 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 建 模：建模过程其实没有什么好注意的，对于复杂的模型，我一般用其他三维软件导入进 来，注意导入的时候尽量将格式转化为IGES 格式，同时要把一些不必要的 东西去掉，比如 一些尖角，圆角之类的，如果不是分析那个部位的应力集中的话就没必要导入它，如果导入， 还要进行一些细化，大大降低了计算的效率。我一般做 的是二维切削，模型相对比较简单， 所以一般都是直接在ABAQUS 中进行建模。由于此处为刚体，要在part 里面建立刚体参考 点，而且注意不要在装配模块 建立参考点，因为有时候ABAQUS 找不到装配模块相应的参 考点。 1、工件 2、刀具 第二步定义材料参数，在这个阶段要注意的问题是要把参数定义全，尤其是你要考虑什么， 要计算什么，比如你要考虑热应力，那你就要定义热膨胀系数，你要考虑 刀具的温度场， 你就要定义刀具的密度，热导率，比热容等，这部分最终要的是关于工件塑性的问题，现在 切削大部分用的都是 J-C 模型，一方面它全面考虑了热 硬化，热软件等多种效应，另一方 面可以通过霍金普森实验比较容易确定，因此广泛应用于现代切削加工的塑性模型中。下面 针对这个模型做简单介绍。J-C 模型 的式子我就不再输入了，相信每一个做切削的人应该都 知道的，分为三个部分的乘积，分别代表了热硬化，热软化和温升效应，运用这个模型的时 候，参数根据实验 输入即可，在定义的时候，有个参考应变率，这个一定记住是做实验时 候的参考应变率，所以有时候不同的参考应变率，拟合的参数A,B 等可能是不同的，因此， 在选择模型的时候一定要注意参考应变率和实验的参考应变率相对应，这样你所得的参数才 是准确的。在定义材料参数时，要注意别忘了定义非弹性热系数，这个参 数将决定你的塑 性产热，如果你发现自己的切削温度场不对，很大程度上是因为没有定义这个参数。另外还 有一个非常重要的问题，单位一定要统一，不然你的计算 肯定会出错，记住 mm-t-MPa， 其他自己推一下就行。 3、 4 、 5、 6、 第三部装配模块，这个没啥说的，就是把你自己工件的刀具的相对位置确定