有限元在高速切削刀具中的研究及應(yīng)用單位：沈陽理工大學(xué)作者：劉慶濤姜增輝發(fā)布時間：2011-7-2913:14:46刀具技術(shù)是實現(xiàn)高速切削加工的關(guān)鍵技術(shù)之一，刀具的耐用度、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，又要有較高的強度和韌性官］。因此，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，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，高速切削刀具研究中理論研究和試驗方法并重，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，更接近真實的切削過程，研究周期也較短，成本較低，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、成本低等優(yōu)點，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。目前，常用的有限元軟件有ABAQUS、DEFORM、MARC、ANSYS和ADVANTEDGE等。ABAQUSABAQUS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，例如熱傳導(dǎo)、質(zhì)量擴散、熱電耦合分析、聲學(xué)分析、巖土力學(xué)分析等。ABAQUS有ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit兩個主求解器模塊⑶，對某些特殊問題還提供了專用模塊來加以解決，建立模型時可以參數(shù)化，非線性分析4非常完善，但ABAQUS是基于裝配思想建立有限元模型的，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，所以不能做流體計算。目前，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，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。DeformDeform是金屬成形分析軟件，屬于專用有限元軟件。Deform系列軟件包括Deform-2D、Deform-3D、Deform-PC、Deform-PCPro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、溫、熱鍛的成形、熱傳導(dǎo)耦合及正火、退火、淬火、回火、滲碳等工藝過程進行模擬研究。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⑸。目前，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、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。MARCMSC.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)⑹，如線性/非線性靜力分析、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、輻射、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、電場、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)，MSC.Marc提供了方便的開放式用戶環(huán)境⑺。Marc對于復(fù)雜的圖形建模比較困難，另外，Marc的版本也有較大變化，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。目前，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。ANSYSANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、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，可以用來求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場及碰撞等問題。ANSYS各版本比較穩(wěn)定，在結(jié)構(gòu)分析、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，具有較好的性價比，但對于非線性分析方面還存在缺陷。目前，在高速切削刀具研究中，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(xué)分析，也用于模擬研究刀具的磨損機理。ADVANTEDGEAdvantEdgeFEM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，延長刀具壽命等。利用AdvantEdgeFEM可以減少試切次數(shù)，通過方案比較能夠獲得優(yōu)化的切削參數(shù)及刀具選擇。AdvantEdgeFEM可以分析車削、銑削（含插銑、玉米銑）、鉆孔、攻絲、鏜孔、環(huán)槽、鋸削、拉削等的工藝，對于進給在10nm以上1〃m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、3D