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铝合金7050-T7451切削加工有限元模拟

0引言

金属切削加工有限元模拟，是一个非常复杂的过程。这是因为实际生

产中，影响加工精度、表面质量的因素很多，诸如:刀具的儿何参数、装夹

条件、切削参数、切削路径等。这些因素使模拟过程中相关技术的处理具

有较高的难度。本文建立的金属正交切削加工热力耦合有限元模型是基于

以下的假设条件：

（1）刀具是刚体且锋利，只考虑刀具的温度传导;

（2）忽略加工过程中，由于温度变化引起的金相组织及其它的化学变化;

（3）被加工对象的材料是各向同性的；

（4）不考虑刀具、工件的振动；

切削过程涉及到弹性力学，塑性力学以及损伤力学等相关学科领域初，学者

在使用ABAQUS做切削分析时，很难对材料属性（materialproperty）的施加。

即使是方法正确、操作正确，也得不到比较满意的结果。材料参数的选择，好的

失效准则的使用，都可能使结果发生很大的偏差。

1.1建立部件

（本文采用的统一单位：N,MPa,mm,s,ºC,J软件版本：6.10-1）注意单位

问题，ABAQUS中保证单位链封闭就行。

启动ABAQUS，选择环境栏Module中的Part选项，单击工具区的CreatPrat

选项

1.1.1创建工件3D模型

在弹出的对话画框中，Name栏输入workpiece，Approximatesize栏输入50，

其余默认，单击Continue，弹出创建部件对话框。

在随后出现的草图中，绘制一个长4mm，宽2mm的矩形。单击鼠标中键，

弹出EditBaseExtrusion对话框，在Depth栏中填入2，单击OK，工件模型建立

完成，如图1、2。

图1工件草图图2工件成型图

1.1.2创建刀具3D模型

单击工具区CreatPrat选项，在弹出的对话画框中，Name栏输入tool，

Approximatesize栏输入50，其余默认，单击Continue，弹出创建部件对话框

在随后出现的草图中，绘制如图所示刀具草图，刀具前角为10°，后角为6。

单击鼠标中键，弹出EditBaseExtrusion对话框，在Depth栏中填入3，单击OK，

刀具模型便建立完成。如图3、4

图3刀具草图图4刀具成型图

1.2赋予工件刀具材料属性

1.2.1定义各零部件的材料参数

选择环境栏Module中的Property选项，单击工具区的CreatMaterial选项

创建新材料。新材料取名为workpiece_m，在General→Density选项中，输入Mass

Density（密度）2.83e-09，如图5所示。选择Mechanical→Elasticity→Elastic，在

Data选项卡中，分别设置YoungsMod（杨氏模量）和PoissonsRatio（泊松比）

的值为71700和0.3，如图6、7所示。

图5设置材料密度图6设置材料弹性模量

图7填写材料弹性模量

材料的本构关系

材料本构模型用来描述材料的力学性质，表征材料变形过程中的动态响应。

在切削过程中，工件在高温、大应变下发生弹塑性变形，被切削材料在刀具的作

用下变成切屑时的时间很短，而且被切削层中各处的应变、应变速率和温度并不

均匀分布且梯度变化很大。因此能反映出应变、应变速率、温度对材料的流动应

力影响的本构方程，在切削仿真中极其关键。

Johnson-Cook模型用来模拟在冲击载荷作用下的变形，Johnson-Cook强化模

型(JC)表示为三项的乘积，分别反映了应变硬化，应变率硬化和温度软化。这里

使用JC模型的修正形式：



•

