1、毕业论文基于DEFORM3D的切削温度仿真论文题目:基于DEFORM3D的刀具切削温度仿真学生姓名: 所在院系：所学专业：导师姓名： 摘 要 1 第二章 仿真软件介绍6 第三章 Deform3D软件简介9摘 要 在金属切削加工中，切削温度对切削加工过程有着非常重要的意义。为了更好的研究金属材料的切削加工过程中切削温度的分布，本文以Deform-3D软件为平台，利用有限元方法对45号钢的切削过程中的温度进行了建模与仿真，分别分析了切削过程中刀具和工件的切削温度场分布，以及切削速度变化时对切削温度的影响。仿真结果表明:刀屑接触区及工件上的最高温度随切削速度的增加而升高,但工件上温度升高的趋势较平缓
2、；无论切削条件怎么变化，切削温度的最高点总不在刀刃处，而是位于前后刀面上距离刀刃不远的地方；剪切面上各点的温度几乎相同。仿真结果表明,Deform3D软件所得的仿真结果和理论依据的吻合度较高，说明仿真具有较高的可信度,为生产实践中切削速度的优化选择,刀具及工件材料的选择提供理论依据关键词：Deform-3D，有限元仿真，切削温度AbstractIn the process of metal cutting, the cutting temperature of the cutting process has very important significance. In order to be
3、tter study the metal material cutting process of cutting temperature distribution, Based on the Deform -3D software as the platform， using the finite element method for45 steel cutting temperature by modeling and simulation， Analysis of the cutting process, the cutting tool and the workpiece cutting
4、 temperature field distribution, as well as the cutting speed change on cutting temperature effect。The simulation results show that： the tool-chip contact area and the workpiece on the maximum speed with cutting speed increases, but the workpiece temperature increased more gentle; No matter how the
5、change of cutting temperature cutting conditions， highest point total in the blade, but are located before and after the knife surface distance edge not far place; Shear plane of each point on the temperature is almost the same. The simulation results show that, the Deform - 3D software the simulati
6、on results and the theoretical basis of the anastomosis of a higher degree， a description of the simulation has high reliability， Production practice of cutting speed optimization， tool and workpiece material selection and provide a theoretical basisKey word：Deform3D,Finite element simulation， Cutti
7、ng temperature 第一章 绪论 金属切削是机械制造中使用最广泛的加工方法，金属切削加工时在机床上利用个切削工具从工件上切除多余材料，从而获得具有一定形状精度、尺寸精度、位置精度和表面质量的机械零件，是机械加工的基本方法。目前国内外已投入了大量精力用于切削机理的研究.随着数值模拟技术的发展,有限元方法已成为金属切削过程仿真的有效工具,通过计算机模拟整个切削过程，得到接近于真实工作状况的结果.就切削加工过程进行仿真研究，对计算功率消耗，对机床、刀具、夹具的设计，对制定合理的切削用量、优化刀具几何参数等，都有非常重要的意义。因此,切削加工中，能否准确预知各种切削条件和不同工件材料组合的切
8、削力特征，对切削加工的表面误差控制起决定性作用，从而进一步影响预报已加工表面的各种物理性能。实现切削力的预报不仅可以完善切削理论，而且能指导生产实践达到选择最优切削条件，提高加工效率、降低生产成本。金属车削制造工艺的传统研究方法是“实验法”，这种基于实验的制造方法往往要经历反复修正的过程，从而造成了大量的人力、物力及时间浪费。伴随传统的车削加工技术和现代计算机技术全方位的密切结合，传统的经验设计方法已逐渐被数值模拟方法所代替.数值模拟方法不需要建造物理模型，并可以在提供工件和刀具在成形过程中的各个物理量的详细参数.目前有限元软件如 DEFORM 等等已经广泛地应用到金属车削成形加工过程的数值模
9、拟之中.切削温度是影响加工表面质量的重要参数。切削温度会直接影响刀具的磨损和耐用度.因此，切削温度的变化规律,对于改进金属加工工艺、提高金属加工表面质量具有重要意义。切削温度的研究受到很多条件的限制,要在实际加工条件下精确研究影响切削温度的各种因素具有很大难度.随着计算机仿真技术的发展，金属切削有限元模拟技术也获得了飞速发展。金属切削加工的有限元模拟全面考虑了工件材料、刀具材料及几何参数、切削加工参数、换热系数等多种因素，通过对切削加工过程的物理仿真,可得到工件温度场的分布状况本文利用有限元模型对在指定速度下刀具和工件的温度以及不同切削速度下车削加工过程中的切削温度进行物理仿真,模拟了各种切削
10、温度的分布规律,为分析研究切削温度的影响提供了有力的证据。 第二章 仿真软件介绍 机械动力学有adams,ansys，abaqus。ADAMS，即机械系统动力学自动分析（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems），该软件是美国MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.）开发的虚拟样机分析软件.ADAMS已经被全世界各行各业的数百家主要制造商采用.根据1999年机械系统动态仿真分析软件国际市场份额的统计资料,ADAMS软件销售总额近八千万美元、占据了51%的份额，现已经并入美国MSC公司.ADAMS软件使用交互式图形环境和
11、零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。ADAMS一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析.另一方面,又是虚拟样机分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台。ADAMS软件有两种操作系统的版本：U
12、NIX版和Windows NT/2000版。ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如creo， nastram， IDEAS， AOTU CAD等， 是现代产品设计中高级CAE工具之一。CAE的技术种类有很多,其中包括有限元法（FEM,即Finite Element Method)，边界元法（BEM，即Boundary Element Method)，有限差分法（FDM,即Finite Difference Element Method)等。每一
13、种方法各有其应用的领域，而其中有限元法应用的领域越来越广,现已应用于结构力学、结构动力学、热力学、流体力学、电路学、电磁学等。ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序,可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题.因此它可应用于以下工业领域： 航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型;分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析
14、、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来,也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出.软件提供了100种以上的单元类型,用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本,可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如PC，SGI，HP,SUN，DEC,IBM，CRAY等。ABAQUS是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。达索并购ABAQUS
15、后，将SIMULIA作为其分析产品的新品牌.它是一个协同、开放、集成的多物理场仿真平台.ABAQUS是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。 ABAQUS 包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料，作为通用的模拟工具， ABAQUS 除了能解决大量结构（应力 / 位移）问题,还可以模拟其他工程领域的许多问题,例如热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析（流体渗透 /
16、应力耦合分析)及压电介质分析。真实世界的仿真是非线性的，SIMULIA将成为模拟真实世界仿真分析工具,它支持最前沿的仿真技术和最广泛的仿真领域。SIMULIA为真实世界的模拟提供了开放的，多物理场分析平台。 SIMULIA将同CATIA ，DELMIA一起，帮助用户在PLM中，实现设计，仿真和生产的协同工作。它将分析仿真在产品开发周期的地位提升到新的高度。ABAQUS 为用户提供了广泛的功能，且使用起来又非常简单。大量的复杂问题可以通过选项块的不同组合很容易的模拟出来.例如，对于复杂多构件问题的模拟是通过把定义每一构件的几何尺寸的选项块与相应的材料性质选项块结合起来。在大部分模拟中，甚至高度非
17、线性问题，用户只需提供一些工程数据，像结构的几何形状、材料性质、边界条件及载荷工况.在一个非线性分析中， ABAQUS 能自动选择相应载荷增量和收敛限度。他不仅能够选择合适参数，而且能连续调节参数以保证在分析过程中有效地得到精确解。用户通过准确的定义参数就能很好的控制数值计算结果.ABAQU有两个主求解器模块 ABAQUS/Standard 和 ABAQUS/Explicit.ABAQUS 还包含一个全面支持求解器的图形用户界面，即人机交互前后处理模块 ABAQUS/CAE . ABAQUS 对某些特殊问题还提供了专用模块来加以解决。ABAQUS 被广泛地认为是功能最强的有限元软件，可以分析复
18、杂的固体力学结构力学系统,特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题。 ABAQUS 不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析，同时还可以做系统级的分析和研究。 ABAQUS 的系统级分析的特点相对于其他的分析软件来说是独一无二的。由于 ABAQUS 优秀的分析能力和模拟复杂系统的可靠性使得 ABAQUS 被各国的工业和研究中所广泛的采用. ABAQUS 产品在大量的高科技产品研究中都发挥着巨大的作用。 电子：proteus，Proteus软件是英国Lab Center Electronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它EDA
19、工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前比较好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计.是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等,2010年又增加了Cort
20、ex和DSP系列处理器,并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MATLAB等多种编译器。 流体力学：fluent，Fluent是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，在美国的市场占有率为60%，凡是和流体、热传递和化学反应等有关的工业均可使用。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气和涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。CFD商业软件FLUENT，是通用CFD软件包，用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动.由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而FLUENT能达到最佳的收敛速度和求解精度。灵活的非结
21、构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型，使FLUENT在转换与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动/变形网格、噪声、材料加工、燃料电池等方面有广泛应用。目前与FLUENT配合最好的标准网格软件是ICEM，而不是早已过时的GAMBIT。 虚拟仪器：labview， LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器(NI)公司研制开发，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。 LabVIEW软件是NI设计平台的核心
22、,也是开发测量或控制系统的理想选择. LabVIEW开发环境集成了工程师和科学家快速构建各种应用所需的所有工具，旨在帮助工程师和科学家解决问题、提高生产力和不断创新.与 C 和BASIC 一样,LabVIEW也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。LabVIEW的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储，等等。LabVIEW也有传统的程序调试工具,如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序（子VI）的结果、单步执行等等，便于程序的调试.LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench
23、）是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序,而 LabVIEW 则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了VI及函数的执行顺序.VI指虚拟仪器，是 LabVIEW 的程序模块.LabVIEW提供很多外观与传统仪器（如示波器、万用表）类似的控件，可用来方便地创建用户界面。用户界面在 LabVIEW 中被称为前面板.使用图标和连线,可以通过编程对前面板上的对象进行控制。这就是图形化源代码，又称G代码.LabVIEW 的图形化源代码在某种程度上类似于流程图，因此又被称作程序框图代码. 第三章 Deform-3D软件介绍
24、3。1 Deform3D软件简介Deform系列软件是由位于美国Ohio Clumbus 的科学成形技术公司开发的.该系列软件主要应用于金属塑性加工、热处理等工艺数值的模拟。它的前身是美国空军Battelle 实验室开发的ALPID软件。在1991年成立的SFTC公司将其商业化，目前，Deform软件已成为国际上流行的金属加工数值模拟的软件之一了。其中Deform3D是一套基于工艺模拟系统的有限元软件,专门设计用于分析各种金属成型过程中的三维流动，提供极有价值的工艺分析数据，和有关成型过程中的材料和温度流动。典型的Deform3D应用包括锻造、挤压、墩头、轧制，自由锻、弯曲和其他成型加工手段。
25、Deform理论基础是经过修订的拉格朗日定理，属于刚塑性有限元法，其中材料模型包括刚性材料模型、塑性材料模型、多孔材料模型和弹塑性模型.Deform软件根据不同的材料性能可以选择不同的计算方法。同时该软件提供了丰富的材料库，几乎包含了所有常用材料的弹性变形数据、塑性变形数据、热能数据、热交换数据、晶粒长大数据、材料硬化数据和破坏数据。3.2 软件模块结构分析Deform3D是一个在集成环境内综合对建模、成形、热传导和成形设备特性进行模拟的有限元分析软件，它主要包括三个部分：预处理、仿真、后处理。Deform-3D是模拟3D材料运动的理想工具，它不仅模拟效果好,而且易于使用。系统中集成了在任何必
26、要时能够自行触发的自动网络量化生成器，以便生成优化的网格系统，在要求精密较高区域，可以划分较细密的网格，从而降低计算时间，并显著提高计算效率。在最近的国际范围复杂零件成形模拟招标演算中,Deform3D的计算精度和结果的可靠性,被公认为国际成形过程模拟量的软件之一。Deform软件是一个高度模块化、集成化的有限元模拟系统，它主要包括前处理器、模拟器、后处理器三大模块。3.3前处理器及其设置前处理器包括三个子模块 a 数据的输入模块，便于数据的交互式输入。b 网络的自动划分与自动在划分模块 c 数据传递模块，当网络重划分后，能够在新旧网络之间实现应力、应变、速度场、边界条件等数据的传递，从而保证
27、计算的连续性。 图1 前处理器功能操作图3为前处理器的功能操作示意图,以下为前处理器的设定，过程如下:创建一个新的模拟项目应按以下步骤：（1) 先创建在D盘创建machining文件夹，在主窗口左上端,点击按钮，选择machining文件夹，点击确定，进入该目录下如图4所示 图2 DEFORM-3D主窗口界面(2) 接着在主窗口界面右侧点击前处理Pre Processor中Machining【Cutting】选项,进入如图5所示的对话框，输入问题名称为MACHINING，点击Next进入前处理界面. 图3 进入前处理器界面3.3 模拟器真正的有限元分析过程是在模拟处理器中完成的，Deform运
28、行时，首先通过有限元离散化将平衡方程、本构关系和边界条件转化为非线性方程组，然后通过直接迭代法和NewtonRaphson法进行求解，求解的结果以二进制的形式进行保存,用户可以在后处理中获取所需要的结果.真正的有限元分析过程是在模拟处理器中完成的。3。4 后处理器 后处理器用于显示结算结果，结果可以是图形形式，也可以是数字、文字混编形式,获取的结果可为每一步的有限元网格；等效应力、等效应变;速度场、温度场及压力行程曲线等。后处理器主要是对有限元计算产生的大量数据进行解释，用于显示计算结果的模块。 图4 后处理器功能操作 第四章 有限元模型的建立4。1 切削加工模型金属车削过程实际上是工件材料在
29、刀具的剪切挤压作用下，首先发生弹性变形，进而发生塑性变形，产生应变硬化,最后撕裂，沿前刀面流出形成切屑的过程。由于刀具材料的强度和硬度要比工件材料大很多，因此在计算中假设刀具为弹性材料，按弹性材料计算,而工件材料按弹塑性材料进行计算，对其采用大应变的弹塑性单元进行弹塑性分析，这与实际切削情况基本吻合.本文以车削来说明情况一般的切削情形，车削原理如图1所示，工件旋转，刀具轴向和径向进给，达到层层切削工件的目的.图5 切削示意图图5所示为软件模拟中的切削模型。该模型分别用进给量、背吃刀量、切削速度三个主要参数来描述切削加工过程。通过改变参数值大小，分析模拟的变化程度和模拟效果，从而分析这些参数值对
30、加工过程的影响。本文选择具有典型实用价值的切削外圆进行仿真，首先选择刀具具有轴向转动和轴向进给两个运动,而工件固定不动。设置单位制为国际单位制SI，仿真的模式为热传递和变形。金属切削可以分为两种情形，即正交切削（或称直角切削）和非正交切削（斜角切削）。对于正交切削情形，切削刃和切削速度方向垂直，刃倾角为零，如图2所示。正交切削是最简单的一种情形，为便于研究，我们经常将实际金属切削过程简化为正交切削.图6 正交切削示意图4.2 切削模型建立（1）切削模型网格划分在用有限元法对金属切削大变形问题进行分析时，由于材料的过度变形,会导致单元网格的严重畸变。网格畸变严重,后续分析就会建立在质量低劣的网格
31、上,影响结果精度，甚至会导致计算不收敛而分析中止，所以网格畸变严重时，必须对材料的网格进行划分。在金属成型有限元分析软件中，常用到的单元主要有8节点六面体单元和四面体常应变单元，后者具有简单,边界适应性强等特点，因此本文选取四面体常应变单元划分网格.通常在一些场变量变化梯度较大的区域,划分较为致密的网格，反之则应划分为较为稀疏的网格。本文选用绝对划分方式【Use absolute mesh size】，划分出网格的最小单元尺寸选择默认值，Size Ratio=2（2)设定工作条件。进入前处理界面在右下角，选择国际单位制（System International）.由于模拟的是车削外圆，故选择T
32、urning。切削参数的设定根据自己的需要改变参数值的大小，不过后刀面选择刀具参数时要参考这些参数值，否则很可能会出现接触错误.设定工作环境温度20、工件接触属性（摩擦系数0。6和热导率45）。(3）刀具的设定刀具材料:wc类硬质合金；进给量F：0。3mm/rev；切削厚度:0。2mm;刀具前角：5;刀具后角:5;切削刃钝圆半径:0。008mm，切削速度变化范围：200m/min1000m/min。刀具的设定是从刀具库中选择刀具类型，选择第二类刀具DNMA432 WCEnglish并定义刀具网格划分：选择刀具的Size Ratio为3，选定35000个网格。进入Deform3D的Machining【cutting】模块，导入预先构造的刀具模型,如图7所示。图7 划分网格后的刀具几何模型（4）工件的设定工件材料选取:选取材料库中【steel】AISI-1045（machi
