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1、 引言本教學(xué)聚焦于金屬切削加工領(lǐng)域，通過 Abaqus 有限元分析軟件開展三維切削過程仿真建模實(shí)踐教學(xué)。

由于本文研究目的是分析在不同的銑削參數(shù)下切削力和切削溫度的變化規(guī)律，同時考慮到刀具的主切削刃相對于工件小得多，因此在ABAQUS有限元分析中假設(shè)刀具是剛體，不考慮刀具變形和磨損，刀具的物理參數(shù)見表2。

2 有限元仿真軟件介紹及設(shè)置本文所采用的有限元CAE軟件為Advant Edge，是一款專業(yè)性較強(qiáng)、針對優(yōu)化金屬切削和輔助刀具設(shè)計的軟件，提供了多種2D和3D（包括車削、銑削、鉆削和拉削等）工藝分析模塊。本文中的有限元仿真可直接采用Advant Edge自帶的二維拉削模塊進(jìn)行，其大致分析流程為：刀具及工件參數(shù)設(shè)定、網(wǎng)格劃分、材料定義、切削參數(shù)定義、求解過程分析和仿真結(jié)果分析。

由于本文研究目的是分析在不同的銑削參數(shù)下切削力和切削溫度的變化規(guī)律，同時考慮到刀具的主切削刃相對于工件小得多，因此在ABAQUS有限元分析中假設(shè)刀具是剛體，不考慮刀具變形和磨損，刀具的物理參數(shù)見表2。

2.2球頭銑刀模型一般精加工時，球頭銑刀只有底部參與切削，底刃在高速旋轉(zhuǎn)過程中，可以近似為半球面[20]。如圖1所示，將兩刃的6 mm球頭銑刀建模為一個半徑為3 mm的半球，在每個仿真步進(jìn)后距離球心小于半徑R的點(diǎn)P將被切削，同時銑刀球面上生成新的P'，即將點(diǎn)云模型中P點(diǎn)重置為P'位置，同時P'的法線設(shè)置為指向銑刀球面球心。

待切削工件采用歐拉類型進(jìn)行建模，創(chuàng)建計算域并對其進(jìn)行切分。 二、創(chuàng)建材料銑削是一個高速動態(tài)的過程，需同時考慮應(yīng)變、應(yīng)變率及溫度對被切削材料的影響，因此工件采用J-C本構(gòu)。

普通螺紋的對刀方法有試切法對刀和對刀儀自動對刀，可以直接用刀具試切對刀，也可以用G50設(shè)置工件零點(diǎn)，用工件移設(shè)置工件零點(diǎn)進(jìn)行對刀。螺紋加工對刀要求不是很高，特別是Z向?qū)?em>刀沒有嚴(yán)格的限制，可以根據(jù)編程加工要求而定。

普通螺紋的對刀方法有試切法對刀和對刀儀自動對刀，可以直接用刀具試切對刀，也可以用G50設(shè)置工件零點(diǎn)，用工件移設(shè)置工件零點(diǎn)進(jìn)行對刀。螺紋加工對刀要求不是很高，特別是Z向?qū)?em>刀沒有嚴(yán)格的限制，可以根據(jù)編程加工要求而定。

在金屬加工領(lǐng)域，切削液是保障CNC加工精度、延長刀具壽命的核心工業(yè)耗材，但不少制造企業(yè)在選購和使用中常常陷入困境：加工鋁合金、不銹鋼、鑄鐵等多種材質(zhì)時，不得不分槽換液，頻繁停工耽誤生產(chǎn)；普通切削液易變質(zhì)發(fā)臭，換液周期短，每年采購和廢液處理成本居高不下；潤滑性能不足導(dǎo)致刀具磨損快，斷刀率高，工件光潔度不達(dá)標(biāo)；泡沫多、異味重影響車間環(huán)境，甚至不符合環(huán)保要求。

刀具與工件材料之間接觸區(qū)域的顏色較深，表示該區(qū)域的應(yīng)力值較高，這是由于在切削過程中，工件受到擠壓和剪切力的作用，產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象。03 結(jié)論 作為國民經(jīng)濟(jì)各工業(yè)部門的基礎(chǔ)配套產(chǎn)業(yè)，切削刀具對提高制造業(yè)效率起著不可替代的作用。為了滿足制造業(yè)和科研工作者的仿真需求，神工坊高性能仿真平臺可實(shí)現(xiàn)對刀具切削過程的模擬，助力提高刀具切削質(zhì)量，降低制造成本

由于切削時切削力大，切削熱高，刀具與切屑的直接摩擦加劇，所以導(dǎo)致刀具材料與工件材料產(chǎn)生親和作用，加上材料硬質(zhì)點(diǎn)的存在和嚴(yán)重的加工硬化現(xiàn)象，刀具在切削過程中易產(chǎn)生黏結(jié)磨損、擴(kuò)散磨損、磨料磨損和溝紋磨損，使刀具喪失切削的能力。切削時的切屑為帶狀的纏繞屑，既不安全，又影響切削過程的順利進(jìn)行，也不便于處理。在加工中容易產(chǎn)生熱變形，因而一些精密尺寸和形狀不易保證。

切削用量的合理選擇 切削用量的確定是數(shù)控加工工藝的重要內(nèi)容，它的大小是機(jī)床主運(yùn)動和進(jìn)給運(yùn)動的重要參數(shù)，對工件加工精度、加工效率以及刀具磨損有著重要的影響。切削用量的選擇包括切削速度、背吃刀量以及進(jìn)給量。基本的選擇原則是：在剛度允許的條件下，粗加工取較大的切削深度，以減少走刀次數(shù)，提高工件生產(chǎn)率；精加工一般取較小的切削深度，以獲得較高的表面質(zhì)量。

切削用量的合理選擇 切削用量的確定是數(shù)控加工工藝的重要內(nèi)容，它的大小是機(jī)床主運(yùn)動和進(jìn)給運(yùn)動的重要參數(shù)，對工件加工精度、加工效率以及刀具磨損有著重要的影響。切削用量的選擇包括切削速度、背吃刀量以及進(jìn)給量。基本的選擇原則是：在剛度允許的條件下，粗加工取較大的切削深度，以減少走刀次數(shù)，提高工件生產(chǎn)率；精加工一般取較小的切削深度，以獲得較高的表面質(zhì)量。 學(xué)無止境，沒有最好，只有更好。

圖6 從仿真精度和時間尺度總結(jié)切削力的有限元仿真進(jìn)展c）刀具磨損的產(chǎn)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(jù)。d）切削過程中的應(yīng)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(yīng)力的變化和分布情況，如圖7所示。

由于順銑的切削效果最好，通常首選順銑，只有當(dāng)機(jī)床存在螺紋間隙問題或者有順銑解決不了的問題時，才考慮逆銑。在理想狀況下，銑刀直徑應(yīng)比工件寬度大，銑刀軸心線應(yīng)該始終和工件中心線稍微離開一些距離。當(dāng)?shù)毒哒龑?em>切削中心放置時，極易產(chǎn)生毛刺。

當(dāng)數(shù)控銑削刀路編寫完成后，還需要進(jìn)行刀路仿真，通過仿真模擬檢查數(shù)控銑削是否存在刀路過切或在加工過程中撞刀等故障，對于出現(xiàn)的過切或撞刀等的刀路，應(yīng)對數(shù)控程序進(jìn)行檢查，找出原因，并對其進(jìn)行修改，再重復(fù)仿真模擬，直到不發(fā)生過切或撞刀為止。

由于順銑的切削效果最好，通常首選順銑，只有當(dāng)機(jī)床存在螺紋間隙問題或者有順銑解決不了的問題時，才考慮逆銑。在理想狀況下，銑刀直徑應(yīng)比工件寬度大，銑刀軸心線應(yīng)該始終和工件中心線稍微離開一些距離。當(dāng)?shù)毒哒龑?em>切削中心放置時，極易產(chǎn)生毛刺。

一、工件過切原因：1、彈刀，刀具強(qiáng)度不夠太長或太小，導(dǎo)致刀具彈刀。2、操作員操作不當(dāng)。3、切削余量不均勻。（如：曲面?zhèn)让媪?.5，底面留0.15）4、切削參數(shù)不當(dāng)（如：公差太大、SF設(shè)置太快等）。改善：1、用刀原則：能大不小、能短不長。2、添加清角程序，余量盡量留均勻，（側(cè)面與底面余量留一致）。

一·工件過切： 原因： 1、彈刀，刀具強(qiáng)度不夠太長或太小。導(dǎo)致刀具彈刀。 2、操作員操作不當(dāng)。 3、切削余量不均勻。（如：曲面?zhèn)让媪?.5，底面留0.15） 4、切削參數(shù)不當(dāng)（如：公差太大、SF設(shè)置太快等）。 改善： 1、用刀原則：能大不小、能短不長。