切屑形態
關注創建者：領航科工-專業切削仿真 創建時間：2020-10-06
切屑形態的視頻教程
斷屑槽方向的科研創新點與仿真評價標準研究
特別是在加工鈦合金、高溫合金等難加工材料時，連續切屑容易纏繞刀具和工件，導致切削區域材料非穩定變形、切削力波動，嚴重影響加工質量和刀具壽命。斷屑槽作為控制切屑形態和斷裂的核心結構，其設計與優化一直是切削加工領域的研究熱點。隨著先進制造技術和計算機仿真技術的快速發展，斷屑槽方向的研究呈現出多學科交叉、多尺度模擬、智能化控制等新趨勢。
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切屑形態的實例教程
二、不同應變率系數C下的切屑形態
目前，切屑研究主要集中在常規切削的鋸齒形切屑形成機理、切屑形態、切屑成分等方面，哈爾濱理工大學的吳明陽等對PCBN刀具切削高溫合金鋸齒形切屑形成機理進行了研究；華北電力大學的范孝良等對GH4169 切屑形態進行了研究；段春爭等對鋸齒形切屑形成過程進行了有限元仿真研究；THAKUR 等研究了切削參數對切削過程中切屑厚度和刀- 屑接觸長度的影響規律；SCHULZ 等對鋸齒形切屑的幾何形狀進了定量分析；KOMANDURI 等研究了切削參數對鋸齒形切屑的影響規律；以上國內外學者對高溫合金加工過程中所形成的切屑進行了研究，但絕大多數為常規切削，對高壓冷卻切屑折斷研究較少，因此高壓冷卻下切屑折斷機理的研究具有重要意義。
PCBN 刀具因材料特性采用平前刀面，通常沒有斷屑槽，在切削過程中易產生連續型切屑，以往針對槽型刀具利用幾何方法對切屑卷曲折斷進行研究分析，此方法在PCBN 刀具加工過程中不太適用，因此哈爾濱理工大學的吳明陽教授團隊嘗試從力學角度研究切屑卷曲折斷機理。他們在《機械工程學報》2017年第9期發表的《高壓冷卻下 PCBN 刀具切削高溫合金切屑卷曲折斷機理及試驗研究》一文中，在常規切削試驗基礎上，以切削力學研究為基礎，建立切屑卷曲半徑預測模型及斷屑模型，分析高壓冷卻下高溫合金切削加工中的切屑折斷機理，并進行高壓冷卻切削試驗，找到不同冷卻液壓力下的切屑卷曲半徑變化規律，對理論分析結果進行驗證。
展開 本文主要對軟組織和骨骼切削這兩大類常見的建模問題進行了總結，同時以切削力、切屑形態、切削溫度等物理量作為評價標準對切削過程進行分析。
由于骨骼具有各向異性、準脆性和不均勻性的特點，所以它的切削加工過程是一個相對復雜的過程，同時這些特點會增加對切削力預測以及刀具優化的難度。隨著金屬切削技術的發展，相關專家使用解析或模擬方法對骨骼切削進行了探索，并且已經取得一定的成果。
以下是骨骼切削的解析模型。
圖.1銑刀 （a）骨加工工具，（b）工具和切削力的示意圖；（c）正交切削（d）斜切削
在脆性斷裂、延性破壞的過程中，單一的數學模型很難全面的預測切削過程中的各物理量變化。同時，隨著計算機技術的發展，人們開始采用計算仿真的方法來模擬骨骼切削過程。以下是用有限元分析軟件得到的仿真模型。
圖.2 由各向同性模型獲得的切屑形態以及包括縱向、橫向界面的各向幾何模型。
圖.3 骨骼鉆削的熱固耦合有限元模擬（a）網格劃分（b）溫度分布
雖然有限元分析在切削仿真中得到了廣泛的應用，但是有限元分析模型經常會遇到單元過度變形和元件穿透等問題。一般而言“自適應網格劃分”技術可以在一定程度上解決這些問題，但是這樣會降低仿真效率，同時需要非常精細的網格才能產生理想的結果。因此，我們嘗試了使用光滑粒子流體動力學（SPH）方法模擬切削過程，這樣既可以解決上述問題，又可以提高仿真效率。
展開 a）對比了各種仿真方法對切屑形態、切削力殘余應力等仿真結果的準確性。
b）分析了各種本構模型，摩擦模型，損傷模型及其修正模型的適用性、改進的方向，尤其是本構模型在高溫、高應變、應變-應變率-溫度耦合條件的應用，二維和三維有限元建模時摩擦模型的差異，以及在損傷起始、損傷演化和失效過程中如何建立損傷準則使仿真結果的準確性更接近于真實情況。如圖3、圖4、圖5所示。
圖3 J-C本構模型及其修正模型
圖4 二維和三維有限元建模損傷模型及其適用性
圖5 損傷其實和損傷演化階段物理量的變化
2）綜述了宏觀切屑形態、切削力、刀具磨損、殘余應力的建模方法和它們對刀具壽命和工件表面質量影響的有限元分析，通過改進模型進而提高各變量仿真預測準確性。
a） 切屑形成的有限元模型為刀具與工件相互作用提供更全面的理解。同時，真實描述切屑形成和分離過程材料的損傷演化情況，是提高仿真預測準確性研究的另一目標。
b） 如圖6所示，在學者現有的研究結果基礎上，建立更準確的有限元模型。將有限元仿真與新技術的結合提高仿真結果準確性的方法也是未來研究的新方向。
圖6 從仿真精度和時間尺度總結切削力的有限元仿真進展
c）刀具磨損的產生原因、分布和影響因素的仿真研究，為改善刀具表面的摩擦、磨損和失效性能，提高刀具有效壽命提供依據。
d）切削過程中的應力不能在所需的時間和空間分辨率中測量，而有限元仿真可以很好的研究殘余應力的變化和分布情況，如圖7所示。
圖7 不同類型殘余應力的有限元仿真模型
3）回顧了在微觀切削過程中，建立有限元模型模擬材料去除機制，重點介紹了切屑形成中未切削切屑厚度，微切削力，微刀具磨損，微切削殘余應力和微觀組織演化的有限元建模與宏觀切削的區別。
展開 試件為三維平板，厚度方向取一層單元，因為三維模型的通用接觸可以自動考慮Cohesive單元破壞后的接觸問題；通過這一模型，可以分析材料參數、刀具形態、工藝數據對切屑形態的影響，該方法特別適合于脆性材料的切削仿真。
【案例：晶體壓縮破碎仿真】
本例同樣采用ABAQUS/Explicit顯式動力學分析方法。試件為三維圓柱體，內部由多面體組成，荷載為準靜態的壓縮加載，因此需要控制加載速度和質量縮放系數，防止動能過大，同時通過這個案例，讓大家了解網格質量對顯式計算的重要性，并學習和掌握網格編輯工具的使用技巧。
切屑形態的最新內容
Abaqus三維切削案例教學11個月前
課程以典型切削工況為對象，系統講解從幾何建模、材料定義、網格劃分到載荷施加及結果分析的全流程操作，旨在使學員掌握：
? 三維切削模型的簡化與參數化建模方法
? 切削過程中材料本構關系與失效準則的工程應用
? 網格自適應技術在大變形切削仿真中的優化策略
? 切削力、溫度場及切屑形態等關鍵物理量的提取與分析方法
2、 幾何模型與材料參數
（1） 模型構建：
本教學中涉及的部件模型均通過
一、研究背景
金屬切削過程中伴隨著復雜的應力場、應變場和溫度場，刀具幾何參數和切削參數對切屑形態、切削力、刀具磨損、殘余應力的綜合影響是復雜的。在宏觀尺度和微觀尺度上，材料具有不同的去除機制，這使得過程變量對工件表面質量和刀具壽命的影響和過程變量的影響因素有顯著差異。
真正的高手能根據切屑的形態來判斷加工狀態，今天我們從理論方面分享一些干貨。
仿真方面的文章在撰寫時，一般包含應用場景、研究要點、仿真模型、仿真結果、應用軟件和參考文獻選擇幾方面，對于應用場景的研究內容主要有新型材料、特種加工工藝、切削設備和加工機理等幾方面；研究要點主要集中在熱力耦合、切屑形態和能量消耗等；仿真模型主要是幾何模型的建立、材料本構模型的選擇、接觸屬性的設置以及邊界條件的添加等；仿真結果主要為數據的整理輸出、應力溫度圖的輸出、網格節點位移的提取、輸出結果的分析以及仿真結果的討論等方面
【單號6017】
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使用軟件：Abaqus
需求描述：Abaqus二維切削仿真 想要做不同刀具前角，切削速度以及切削深度下的二維切削仿真； 分析不同參數下切削力和切屑形態變化； 刀具前角分別為0，-4，-6，-8和-10° 切削深度分別為10μm（0.01mm），15μm，20μm，25μm和30μm 切削速度為2000、2500和3000mm
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晶體切削仿真
試件中嵌入隨機的泰森（Voronoi）多棱柱，模擬晶體與晶界，并采用POLARIS_InsertCohElem插件全局嵌入零厚度Cohesive單元，其中晶界位置的Cohesive單元強度低于晶體內部Cohesive單元時，模擬切削過程的塑性應變云圖和斷裂情況如下所示，觀察切屑的形態和破壞方式可知，該方法適合模擬脆性材料的切削過程
晶體切削仿真
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目前，切屑研究主要集中在常規切削的鋸齒形切屑形成機理、切屑形態、切屑成分等方面，哈爾濱理工大學的吳明陽等對PCBN刀具切削高溫合金鋸齒形切屑形成機理進行了研究；華北電力大學的范孝良等對GH4169 切屑形態進行了研究；段春爭等對鋸齒形切屑形成過程進行了有限元仿真研究；THAKUR 等研究了切削參數對切削過程中切屑厚度和刀- 屑接觸長度的影響規律；SCHULZ 等對鋸齒形切屑的幾何形狀進了定量分析；KOMANDURI
