刀具技術是實現高速切削加工的關鍵技術之一，刀具的耐用度性芬、幾何角度及其整體結構是高速切削刀具研究的重要方向峡眶。高速切削刀具材料要求在高溫下既要有較高的硬度和耐磨性，又要有較高的強度和韌性植锉。因此骡榨，高速切削中切屑的形成過程、刀具的磨損機理及其溫度分布奕截，以及刀具的結構特性將是高速切削刀具研究中的重點寻僧。

　　目前，高速切削刀具研究中理論研究和試驗方法并重噪境，理論研究主要集中在理論建模與計算以及有限元模擬2方面者赴，而有限元模擬方法比較直觀，更接近真實的切削過程瞎介，研究周期也較短，成本較低习荚，因此近年來得到了快速的發(fā)展融辈。

　　刀具研究中常用有限元軟件

　　應用有限元方法對切削過程進行仿真研究具有周期短、成本低等優(yōu)點仁娱，因此在刀具磨損胧蹲、刀具溫度分布和切屑形成等問題的研究中得到了越來越廣泛的應用。目前囊祝，常用的有限元軟件有ABAQUS殉酬、DEFORM、MARC伞辛、ANSYS和ADVANTEDGE等烂翰。

　　1ABAQUS

　　ABAQUS能解決大量結構(應力/位移)問題，還可以模擬其他工程領域的許多問題蚤氏，例如熱傳導甘耿、質量擴散踊兜、熱電耦合分析、聲學分析佳恬、巖土力學分析等捏境。ABAQUS有ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit兩個主求解器模塊，對某些特殊問題還提供了專用模塊來加以解決毁葱，建立模型時可以參數化垫言，非線性分析非常完善，但ABAQUS是基于裝配思想建立有限元模型的倾剿，對于建立復雜的模型來說顯得很繁瑣筷频。同時ABAQUS沒有流體模塊，所以不能做流體計算柱告。

　　目前退博，在高速切削刀具研究中，ABAQUS能夠很好地模擬帶狀切屑和鋸齒狀切屑的形成過程旋囤，還可以改變刀具角度來模擬不同切削參數對切屑變形的影響别印。

　　2Deform

　　Deform是金屬成形分析軟件，屬于專用有限元軟件凯怕。Deform系列軟件包括Deform-2D嫁昌、Deform-3D、Deform-PC甩楷、Deform-PCPro和Deform-HT(熱處理)锁荚。Deform系列所有產品在金屬成形分析中都可以對冷、溫催锯、熱鍛的成形滴练、熱傳導耦合及正火、退火孵熏、淬火摊桅、回火、滲碳等工藝過程進行模擬研究捺氢。

　　目前經常使用的Deform-2D有限元分析軟件盡管能比較方便地模擬切削過程藻丢，但由于這種軟件處理非線性問題的能力不強，造成模擬與實驗結果有較大差異摄乒。

　　目前悠反，在高速切削刀具研究中，Deform主要用來模擬鋸齒狀切屑和螺旋狀切屑的形成過程馍佑、刀具溫度場的分布以及不同的切削介質下刀具的磨損形式和刀具的壽命斋否。

　　3MARC

　　MSC.Marc是功能齊全的高級非線性有限元軟件的求解器，可以處理分析各種線性和非線性結構，如線性/非線性靜力分析如叼、模態(tài)分析和破壞分析等冰木。對非結構的場問題如包含對流、輻射笼恰、相變潛熱等復雜邊界條件的非線性傳熱問題的溫度場踊沸，以及流場、電場社证、磁場也提供了相應的分析求解能力逼龟。

　　為了滿足高級用戶的特殊需要和進行二次開發(fā)，MSC.Marc提供了方便的開放式用戶環(huán)境车匪。Marc對于復雜的圖形建模比較困難秦代，另外，Marc的版本也有較大變化臼裂，并對與之連接的FORTRAN版本也有要求蚯景，對于初學者來說有諸多弊端。目前前肥，在高速切削刀具研究中楣索，Marc主要用來研究刀具溫度場的分布。

　　4ANSYS

　　ANSYS軟件是融結構淀肿、流體媳惦、電場、磁場讯谎、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件其軟件包是一個多用途的有限元法計算機設計程序偿尘，可以用來求解結構即碗、流體、電力烙欧、電磁場及碰撞等問題削锰。

　　ANSYS各版本比較穩(wěn)定杏住，在結構分析疙挺、建模和編程方面很完善缺厉，在解決常規(guī)的線性及耦合問題時，具有較好的性價比恋拍，但對于非線性分析方面還存在缺陷。

　　目前藕甩，在高速切削刀具研究中施敢，ANSYS主要用于刀具的模態(tài)、瞬時動態(tài)及刀具系統(tǒng)靜力學分析狭莱，也用于模擬研究刀具的磨損機理僵娃。

　　5ADVANTEDGE

　　AdvantEdgeFEM是一款用于優(yōu)化金屬切削工藝的CAE軟件,適用于提高零件質量,增加材料去除率，延長刀具壽命等。

　　利用AdvantEdgeFEM可以減少試切次數默怨，通過方案比較能夠獲得優(yōu)化的切削參數及刀具選擇讯榕。AdvantEdgeFEM可以分析車削、銑削(含插銑匙睹、玉米銑)愚屁、鉆孔、攻絲顺盆、鏜孔蛹活、環(huán)槽、鋸削莹遍、拉削等的工藝匕磅，對于進給在10nm以上1μm以下的微切削目前只支持2D車削仿真，還能夠實現車削刀具和環(huán)槽刀具磨損以及車削陶啥、3D銑削殘余應力仿真晃逞。后處理可以得到切削力、溫度眉剿、應力虽才、應變率等結果。

　　目前交掌，在高速切削刀具研究中续残，AdvantEdge主要用于研究刀具溫度場的分布情況，還可以模擬車削刀具和環(huán)槽刀具磨損情況荧孽。

　　有限元法在刀具研究中的主要應用

　　1切屑形成過程模擬

　　謝卿陽通過大型商用有限元軟件ABAQUS建立H13鋼高速正交切削有限元模型鸵赫，模擬了帶狀切屑和鋸齒狀切屑的形成過程，重點研究了鋸齒狀切屑內的絕熱剪切現象躏升，通過改變刀具角度來模擬不同切削參數對切屑變形的影響辩棒。刀具角度的減小促進了鋸齒狀切屑的產生。

　　B?ker等利用ABAQUS軟件膨疏，采用規(guī)則的四邊形網格模擬二維高速切削剪切區(qū)的鋸齒狀切屑的形狀一睁；隨后又研究了刀具熱傳導對切屑變形的影響，熱傳導系數增加佃却，切屑片段減小者吁，切削力增加，在剪切帶處饲帅，對切屑影響最顯著复凳。

　　魯世紅采用有限元ABAQUS軟件，對Ti6Al4V鈦合金高速正交切削過程進行了有限元仿真研究灶泵，通過有限元分析得出了鋸齒形切屑的形成機理育八，并驗證了有限元仿真關于鈦合金鋸齒形切屑形成機理為熱塑性失穩(wěn)的結論对途。

　　?zel等基于DEFORM-2D軟件，采用未涂層的WC刀具模擬了HRC30的P20模具鋼的切削過程髓棋，2-D的切屑形狀呈標準的鋸齒狀形狀锉寿，3-D的切屑形狀呈螺旋狀。

　　2刀具磨損機理的研究

　　趙威通過高速摩擦磨損試驗趴国、切削加工試驗泣虚、刀具磨損試驗以及有限元模擬等試驗與理論，分析了氮氣及空氣介質下硬質合金刀具在高速切削鈦合金時的主要磨損形式和刀具壽命甜序；揭示了氮氣及空氣介質下高速切削鈦合金時硬質合金刀具的脆性破壞和磨損機理以及影響硬質合金刀具壽命的主要因素抽堵。

　　李一民等應用有限元軟件Deform-2D,對航空用鈦合金Ti6Al4V進行了不同冷卻潤滑條件下的正交切削有限元模擬，結果表明切削介質的潤滑作用對刀具前刀面的擴散磨損率具有較大影響,而切削介質的冷卻作用則對刀具前刀面擴散磨損率無顯著影響驹拢。

　　李龍濤應用大型有限元軟件ANSYS對金屬切削過程進行了數值模擬起忠，分析了前刀面與切屑的摩擦情況。通過對最大等效應力和應變發(fā)生的位置及其變化分析帕吆，得出刀具后刀面磨損最嚴重的結論聋芹。

　　3高速切削過程中刀具溫度分布的模擬

　　杜美憬使用有限元分析軟件Deform模擬了AISI-1045鋼的高速切削過程，得到了刀具溫度場的分布情況及切削熱的分配情況觅霉，并對刀具的熱應力進行了分析沥涕。

　　趙云峰等運用AdvantEdge軟件模擬了鋁合金A12024的銑削過程，分析得到了銑削加工中工件和刀具上的溫度分布規(guī)律绑警。刀具上的最高溫度分布在前刀面與切屑接觸區(qū)求泰；切屑的溫度高于刀具溫度大約25℃。這與高速加工過程中切削溫度的分布規(guī)律以及切屑帶走大部分熱量的實際情況相吻合计盒。

　　楊振朝等利用專業(yè)金屬切削加工有限元軟件AdvantEdge渴频，對TC4鈦合金高速銑削過程進行了二維模擬仿真，獲得了銑削速度對刀具前后刀面切削溫度的影響規(guī)律北启。

　　盆洪民利用有限元軟件MSC.Marc建立了適于硬態(tài)切削的二維平面應變有限元模型卜朗，仿真運算得到了切削厚度為0.1mm，切削速度為120m/min時倒棱和倒圓刀具以及工件上的溫度分布咕村，從仿真結果對照中可以得出2種切削切削刃附近是熱量的主要聚集區(qū)场钉，熱量主要來源于材料的塑性變形和刀具與切屑、刀具后刀面與工件的摩擦懈涛。所不同的是圓弧刃刀具的最高切削溫度在刃前區(qū)逛万，而倒棱刀具的最高切削溫度在切屑流經第一變形區(qū)之后，此種切削溫度的分布情形是有利于刀具壽命和已加工表面完整性的批钠。在刀具與切屑接觸區(qū)宇植，刀具上的溫度略低于切屑的溫度。

　　4高速切削過程中刀具的結構特性分析

　　杜小東利用UG建立了立銑刀的實體模型岂张，再導入ANSYS建立了相應的立銑刀有限元模型墓篇，然后提取前5階固有頻率，進行了立銑刀有限元模型的模態(tài)分析础估；并用階躍響應的方法計算出立銑刀的基頻和相應阻尼系數瘾夯，進行了立銑刀有限元模型的瞬態(tài)動力分析。

　　高速切削時,由于刀具系統(tǒng)的轉速很高,離心力引起刀具系統(tǒng)的變形,從而影響刀具的壽命,謝黎明等運用ANSYS軟件對其進行了靜力學分析,并提出了改善刀具系統(tǒng)動平衡的技術方案牙德。

　　結束語

　　本文介紹了高速切削刀具中常用的有限元軟件巧嗡，對目前切削過程仿真已取得的成果進行了論述。

　　研究結果表明庭钢，應用有限元方法可以模擬帶狀切屑恋鞋、鋸齒狀切屑和螺旋狀切屑的形成過程，研究切削參數和刀具角度對切屑變形的影響讽钻，并由此對切削的形成機理進行分析赵须。同時，可以對切削區(qū)的溫度分布扎矾、刀具的破損和磨損過程進行模擬业嗅，并分析以上過程的主要影響因素。另外唉侄，還可對切削刀具的幾何角度咒吐、材料結構及切削用量等進行結構特性上的綜合分析。以上研究可對高速切削刀具材料和結構設計提供重要的理論支撐属划。

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