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金属切削刀具虚拟设计方法初探 来源:数控机床网　作者:数控车床　栏目:行业动态　 0 引言 现代金属切削加工技术正朝着高速度、高效率、高精度、低成本、节约资源、绿色环保等方向发展。而传统的刀具开发过程需要经历 材料研制→刀具设计→制造成型→切削试验→反馈修改→投入生产等多个环节，开发周期很长，已难以满足现代切削加工技术发展的 要求。近年来，出现了一门基于现代数学、力学等多学科理论、借助于计算机技术及先进算法的新型技术——虚拟设计技术。应用该 技术可对许多工程问题进行数值模拟，从而可加快产品的设计速度，提高设计精度及可靠性。  虚拟设计技术也可应用于金属切削刀具的研究开发中。通过将材料性能参数输入计算机、建立有限元模型、加载、计算等步骤，即可 逼真地模拟出整个切削过程，并对刀具几何参数进行优化设计。应用该技术不仅可大大缩短刀具产品的设计开发周期，而且可提高设 计的成功率和可靠性。  数值模拟技术是虚拟设计的核心技术，而数值模拟技术采用的主要分析方法为有限单元法。近年来，有限元分析技术在计算机技术发 展的推动下也不断发展，开发出了许多优秀的有限元分析软件，有力促进了虚拟设计技术的推广应用。  本研究应用国际通用的大型有限元软件A YS，成功模拟出了金属切削过程中刀具所受应力的变化及剪切角的形成过程，并以刀具前 角为变量进行了一系列计算，验证了刀具前角与剪切角之间的变化关系。在切削过程中，影响上述变化过程的因素较多，不仅取决于 刀具几何参数、切削用量等，而且与工件材料性能密切相关。在数值模拟过程中，不仅要考虑材料非线性、几何非线性和状态非线性 ，而且对解算器的选择及载荷步的控制也有严格要求。A YS 软件强大的非线性处理功能可为切削过程的数值模拟提供强有力的帮 助。  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：  图1 两种屈服准则的屈服轨迹比较 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 (1)式中：epl——材料的塑性应变  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micro;=0.