基于ansys的金屬切削過程分析研究畢業論文(已修改)

　

【正文】 基于Ansys的金屬切削過程分析研究畢業論文目 錄第1章 緒論 1 研究的目的和意義 1 ANSYS4 ANSYS分析計算流程 5 第二章 金屬切削理論基礎 7 第三章 金屬切削過程的有限元建模與分析14 第四章 金屬切削有限元分析結果24 第五章 總結與展望34 致謝 36參考文獻 37第1章 緒論在機械制造行業中，金屬切削是一種非常重要的加工方式。數據表明，日本平均每年花費的切削加工相關費用為10000億日元，美國每年花費在金屬切削方面的為1000億美元。目前，中國擁有各種類型的金屬切削機床4000000多臺，在刀具制造過程中，硬質合金的使用量超過5300噸/年。由此可見，金屬切削依然是目前世界上加工金屬零件的重要手段。大約在1850年，科學家們把目光轉移到研究金屬切削的過程，逐漸開始了一系列的研究。因為金屬切削的過程包含及其復雜的機械原理，其中，會運用到金屬材料學、力學原理、物理學、彈塑性理論、熱力學、摩擦學等很多專業知識。而且大部分科學家在過去都會采取實驗法來研究，雖然這個方法得出的結論是有一定可信度的，但是由于采用這種方法的實驗周期長、成本費用高、穩定性差，長期使用有一定的困難。綜合上述原因，可以看出對金屬切削過程的研究在國內外的研究中都是難點和重點。切削工藝是根據相關圖紙規格，借助刀具在材料表面切除多余不符的材料層，來加工出尺寸大小、形狀、表面光滑度與預期符合的工件的一種加工方法。如何充分利用各種數據關系來有效精準的控制加工過程一直是眾多學者和工作者研究的重點和難點，隨著計算機技術逐漸應用到各種生產工藝中的這一趨勢，有限元將會使這項研究有一個突破性的進展。近年來，切削工藝和切屑形成的有限元模擬在切削工藝中的應用表明，有限元方法可以幫助我們有效的分析切削機理，從而提高材料的切削精準度。隨著時代的發展和非線性有限元技術的廣泛應用，特別是在工程領域成功使用了的數值模擬技術后，使得工件切削過程的數值模擬也成為了可能。應用此方法可以得到比傳統方法更為復雜的有限元計算模型。這些模型主要用于計算工件的殘余應力、殘余應變、溫度分布以及預期的切削力等等。模擬切削的關鍵是切屑形成問題，（CZM），成功地解決了切削分離問題，且操作簡便，對于切削分析具有借鑒意義。本文運用相關理論對金屬切削過程進行有效合理的分析研究，再通過在ANSYS軟件中加入合理的參數進行實驗，以材料變形的彈塑性有限元理論為基礎，建立了45號鋼材料的正交切削有限元分析模型，借助大型商業有限元軟件ANSYS強大的大變形分析功能，對45號鋼材料正交金屬切削過程進行了模擬分析。對切削過程中的兩個重要部分：應力場、溫度場進行模擬分析。目前，在分析金屬成形時，可以用的有限元軟件比較多，可是還都不能夠直接地模擬出金屬切削過程。ANSYS軟件是一種通用性很強的有限元分析軟件，它具有很強大的前處理、后處理以及求解功能，但是在ANSYS軟件中依舊沒有能直接用于分析金屬切削過程的專用模擬分析模塊。本文在實例模擬分析中使用粘結區模型（CZM），成功地解決了切削分離問題。隨著ANSYS軟件的開發，使用有限元分析來研究相關問題已經是一種趨勢、一種公認的研究方法。再加上實驗設備種類多、費用大，不容易隨意改變實驗過程和數據。因此利用ANSYS軟件在切削過程中對切削力和切削溫度問題進行建模模擬和仿真研究是為研究切削問題提供了另一條簡便且可行的途徑。通過對金屬切削過程的模擬研究，能收集到更真實可信的一系列數據，這樣就方便了我們在生產過程中選用的切削工藝參數、設計工藝流程、研究切削機理。（1973）通過大量的實驗數據采集，根據大量前人的實驗結果，在對金屬切削過程的研究中首先提出了一個系統的討論。同年，Lee和Kobayashi是最先把矩陣法和有限元數值模擬技術運用于在金屬塑性成形過程的。TayStevenson和Davis（1974）首次通過正交切削有限元方法計算切屑、工件的溫度分布；Zienkiewicz（1979）提出了粘塑性有限元法，并推導出粘塑性高溫形成問題的有限元分析函數。從1980年至今，將金屬塑性成形過程利用計算機進行模擬，逼近真實實驗效果，從開始的電腦演練已經發展到今天的實用階段，在金屬切削過程分析的研究領域里，世界各地的研究人員都對有限元在金屬切削分析中的應用進行了大量的研究和實踐。1992年，Enkowski和Moon提出了能應用于金屬切削模型研究的Euler方程。人們通過應用該方程來建立了金屬切削有限元模型并進行了分析，其結果與實際切削過程中的測量值基本是吻合的。美國Ohio大學T．Altan教授在塑性金屬加工的研究實驗和數據研究中，得到了不小的收獲，目前該研究團隊正致力于對刀具磨損機理和因素的有限元模擬分析。 Marusich和Ortizls（1994）用Lagrange模型對金屬切削加工的過程進行了模擬仿真，并首次提到網格自動重劃分技術在模擬金屬切削過程中的應用，由其提出的方案能很好地解決模擬金屬切削過程中網格畸變問題。2006年6月，美國俄亥俄州立大學的Altan帶領其研究小組在CIRP舉辦的金屬切削研究會議上，對金屬切削的有限元模擬研究現狀和成果做了詳細的分析，并據此提出了金屬切削未來的研究方向。隨著國外的各類有限元分析軟件被引進到國內，以及許多國內專家學者們針對有限元理論和應用軟件的研究，國內在金屬切削理論的研究和有限元模擬技術在金屬切削過程中的應用等問題上都有了很大的進展。國內許多學者在金屬切削有限元分析研究中都取得了明顯的成果，清華大學的方剛等人把已有的針對金屬切削的Lagrange和Euler理論方法運用到對切削加工的有限元模擬分析中，實驗結果表明該種方法比單獨用其中任意一個原理得到的結果更加完善和準確。董輝躍、孫云杰、王濤等人用有限元法對用于航空的大型整體結構元件的加工變形機理、標準校正和加工時的殘余應力進行了分析研究，該研究為實際生產過程提供了非常有價值的結果和參數。哈爾濱工業大學的莊文義、湯敬計等人用有限元法對精密微切削過程進行了分析研究，得到的結果與實際切削中的測量數據很相近，這就進一步證明了有限元法應用于金屬切削分析研究的可行性。這些國內學者們的研究過程和成果極大地促進了國內金屬切削有限元仿真模擬研究的發展，將已有的傳統研究方法有限元法結合在一起，使我們對金屬切削機理有了更深入的了解和認知，正是由于人們堅持不懈的分析研究，使當今的切削加工技術有了的飛躍發展和進步。綜合國內外關于有限元技術在模擬金屬切削過程中應用的研究，得知其主要還存在以下問題:（1） 在進行金屬切削加工過程的有限元模擬分析時，大多數人在建立有限元模型的時候會設立工件與切屑的分離線來引導工件與切削的分離，雖然用這種方法操作簡便且能得到很穩定的分析結果，但其實這是不符合實際情況的。（2） 綜合現有的金屬切削有限元仿真，我們發現大多數學者都是建立的正交切削模型，而在實際切削過程中，刀具與工件接觸并且會相對移動，這使得刀具與工件并不總是正交的，因此這就要求我們要對有金屬切削限元模型做進一步完善，使其能更逼真地模擬出實際切削加工的過程。（3） 為了切削加工有限元分析的順利進行，在設定參數時，我們會提出了各種假設，將切削過程進行了簡化，實際上就是簡化了許多條件，但這些被簡化忽略的因素在實際切削時是會對切削過程產生一些不可忽視的影響的，因此，我們要進一步加深對金屬切削機理的了解，能將那些被簡化的因素量化并考慮到切削過程的有限元仿真中，以此來得到更真實的結論，才能用來指導實際生產。（4） 切削加工中，切屑形成過程的模擬中需要用到切屑分離準則，但是到目前為止，還沒有總結歸納出適用性強的通用分離準則，并且就目前的研究現狀來看，在這方面的技術還不夠成熟，所以對金屬切削過程的研究仍然有很長一段路要走。 ANSYSANSYS軟件