刀具技術(shù)是實現(xiàn)高速切削加工的關(guān)鍵技術(shù)之一哟俩，刀具的耐用度客净、幾何角度及其整體結(jié)構(gòu)是高速切削刀具研究的重要方向。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基列，又要有較高的強度和韌性熟督。因此，高速切削中切屑的形成過程军笑、刀具的磨損機理及其溫度分布雨株，以及刀具的結(jié)構(gòu)特性將是高速切削刀具研究中的重點。

　　目前标晤，高速切削刀具研究中理論研究和試驗方法并重歇决，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，而有限元模擬方法比較直觀蕴轩，更接近真實的切削過程，研究周期也較短凳嘁，成本較低搁突，因此近年來得到了快速的發(fā)展。

　　刀具研究中常用有限元軟件

　　應(yīng)用有限元方法對切削過程進行仿真研究具有周期短只磷、成本低等優(yōu)點经磅，因此在刀具磨損、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(yīng)用钮追。目前预厌，常用的有限元軟件有ABAQUS阿迈、DEFORM、MARC轧叽、ANSYS和ADVANTEDGE等苗沧。

　　1 ABAQUS

　　ABAQUS 能解決大量結(jié)構(gòu)（應(yīng)力/位移）問題，還可以模擬其他工程領(lǐng)域的許多問題炭晒，例如熱傳導(dǎo)待逞、質(zhì)量擴散、熱電耦合分析网严、聲學(xué)分析识樱、巖土力學(xué)分析等。ABAQUS有ABAQUS/Standard 和 ABAQUS/Explicit兩個主求解器模塊震束，對某些特殊問題還提供了專用模塊來加以解決怜庸，建立模型時可以參數(shù)化，非線性分析非常完善姚转，但ABAQUS是基于裝配思想建立有限元模型的谋扼，對于建立復(fù)雜的模型來說顯得很繁瑣。同時ABAQUS沒有流體模塊雕残，所以不能做流體計算侥丝。

　　目前，在高速切削刀具研究中榛湖，ABAQUS能夠很好地模擬帶狀切屑和鋸齒狀切屑的形成過程贬打，還可以改變刀具角度來模擬不同切削參數(shù)對切屑變形的影響。

　　2 Deform

　　Deform是金屬成形分析軟件巫邻，屬于專用有限元軟件猫荤。Deform系列軟件包括Deform-2D、Deform-3D溺察、Deform-PC瞭芬、Deform-PC Pro和Deform-HT（熱處理）。Deform系列所有產(chǎn)品在金屬成形分析中都可以對冷矫评、溫卜壕、熱鍛的成形、熱傳導(dǎo)耦合及正火烙常、退火轴捎、淬火、回火蚕脏、滲碳等工藝過程進行模擬研究侦副。

　　目前經(jīng)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，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(jié)果有較大差異秦驯。

　　目前尺碰，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译隘、刀具溫度場的分布以及不同的切削介質(zhì)下刀具的磨損形式和刀具的壽命亲桥。

　　3 MARC

　　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(jié)構(gòu)细燎，如線性/非線性靜力分析两曼、模態(tài)分析和破壞分析等。對非結(jié)構(gòu)的場問題如包含對流玻驻、輻射瞳胸、相變潛熱等復(fù)雜邊界條件的非線性傳熱問題的溫度場，以及流場冷吏、電場节拷、磁場也提供了相應(yīng)的分析求解能力。

　　為了滿足高級用戶的特殊需要和進行二次開發(fā)些惑，MSC.Marc提供了方便的開放式用戶環(huán)境啦掸。Marc對于復(fù)雜的圖形建模比較困難，另外鲸锻，Marc的版本也有較大變化匀象，并對與之連接的FORTRAN 版本也有要求，對于初學(xué)者來說有諸多弊端鸡捉。目前乏茶，在高速切削刀具研究中，Marc 主要用來研究刀具溫度場的分布甚岩。

　　4 ANSYS

　　ANSYS 軟件是融結(jié)構(gòu)贱按、流體、電場涡相、磁場哲泊、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(shè)計程序催蝗，可以用來求解結(jié)構(gòu)切威、流體、電力丙号、電磁場及碰撞等問題牢屋。

　　ANSYS各版本比較穩(wěn)定，在結(jié)構(gòu)分析槽袄、建模和編程方面很完善，在解決常規(guī)的線性及耦合問題時弛秋，具有較好的性價比肠豺，但對于非線性分析方面還存在缺陷。

　　目前饶辙，在高速切削刀具研究中乾戏，ANSYS主要用于刀具的模態(tài)迂苛、瞬時動態(tài)及刀具系統(tǒng)靜力學(xué)分析，也用于模擬研究刀具的磨損機理鼓择。

　　5 ADVANTEDGE

　　AdvantEdge FEM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(zhì)量, 增加材料去除率甘虑，延長刀具壽命等。
利用AdvantEdge FEM可以減少試切次數(shù)的讯，通過方案比較能夠獲得優(yōu)化的切削參數(shù)及刀具選擇匪笨。AdvantEdge FEM可以分析車削、銑削( 含插銑某现、玉米銑)匙桦、鉆孔、攻絲宋睦、鏜孔阁陌、環(huán)槽、鋸削琐侣、拉削等的工藝奖朴，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?qū)崿F(xiàn)車削刀具和環(huán)槽刀具磨損以及車削汇径、3D銑削殘余應(yīng)力仿真曼刀。后處理可以得到切削力、溫度菊碟、應(yīng)力节芥、應(yīng)變率等結(jié)果。

　　目前逆害，在高速切削刀具研究中头镊，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)槽刀具磨損情況魄幕。

　　有限元法在刀具研究中的主要應(yīng)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相艇，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(nèi)的絕熱剪切現(xiàn)象纯陨，通過改變刀具角度來模擬不同切削參數(shù)對切屑變形的影響坛芽。刀具角度的減小促進了鋸齒狀切屑的產(chǎn)生。

　　B?ker等利用ABAQUS軟件翼抠，采用規(guī)則的四邊形網(wǎng)格模擬二維高速切削剪切區(qū)的鋸齒狀切屑的形狀咙轩；隨后又研究了刀具熱傳導(dǎo)對切屑變形的影響，熱傳導(dǎo)系數(shù)增加，切屑片段減小活喊，切削力增加丐膝，在剪切帶處，對切屑影響最顯著箫俯。

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

　　?zel等基于DEFORM-2D軟件，采用未涂層的WC刀具模擬了HRC30的P20模具鋼的切削過程旅测，2-D的切屑形狀呈標(biāo)準(zhǔn)的鋸齒狀形狀肘勾，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钢陨、切削加工試驗粹龄、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(zhì)下硬質(zhì)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材圈；揭示了氮氣及空氣介質(zhì)下高速切削鈦合金時硬質(zhì)合金刀具的脆性破壞和磨損機理以及影響硬質(zhì)合金刀具壽命的主要因素插驾。

　　李一民等應(yīng)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(jié)果表明切削介質(zhì)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(zhì)的冷卻作用則對刀具前刀面擴散磨損率無顯著影響三稿。

　　李龍濤應(yīng)用大型有限元軟件ANSYS對金屬切削過程進行了數(shù)值模擬篇裁，分析了前刀面與切屑的摩擦情況。通過對最大等效應(yīng)力和應(yīng)變發(fā)生的位置及其變化分析赡若，得出刀具后刀面磨損最嚴(yán)重的結(jié)論达布。

　　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逾冬，并對刀具的熱應(yīng)力進行了分析黍聂。

　　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)律身腻。刀具上的最高溫度分布在前刀面與切屑接觸區(qū)产还；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嘀趟。

　　楊振朝等利用專業(yè)金屬切削加工有限元軟件AdvantEdge脐区，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)律她按。

　　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(yīng)變有限元模型牛隅，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酌泰，從仿真結(jié)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)媒佣，熱量主要來源于材料的塑性變形和刀具與切屑触法、刀具后刀面與工件的摩擦。所不同的是圓弧刃刀具的最高切削溫度在刃前區(qū)胖移，而倒棱刀具的最高切削溫度在切屑流經(jīng)第一變形區(qū)之后替独，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。在刀具與切屑接觸區(qū)鞠撑，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(jié)構(gòu)特性分析

　　杜小東利用UG建立了立銑刀的實體模型孕赫，再導(dǎo)入ANSYS建立了相應(yīng)的立銑刀有限元模型还幅，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)分析玉惫；并用階躍響應(yīng)的方法計算出立銑刀的基頻和相應(yīng)阻尼系數(shù)挠氛，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(zhuǎn)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(xué)分析, 并提出了改善刀具系統(tǒng)動平衡的技術(shù)方案计灌。

　　結(jié)束語

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

　　研究結(jié)果表明钟牛，應(yīng)用有限元方法可以模擬帶狀切屑允悦、鋸齒狀切屑和螺旋狀切屑的形成過程，研究切削參數(shù)和刀具角度對切屑變形的影響虑啤，并由此對切削的形成機理進行分析隙弛。同時，可以對切削區(qū)的溫度分布狞山、刀具的破損和磨損過程進行模擬全闷，并分析以上過程的主要影響因素。另外萍启，還可對切削刀具的幾何角度总珠、材料結(jié)構(gòu)及切削用量等進行結(jié)構(gòu)特性上的綜合分析。以上研究可對高速切削刀具材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計提供重要的理論支撐勘纯。

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