金屬二維正交切削的有限元分析與刀具角度優化

李玉平 周里群 吳義彬

（湘潭大學機械工程學院湖南湘潭411105）

金屬切削過程是一個非常復雜的過程，為了使分析準確和接近實際情況，必須要考慮多方面的因素，綜合多學科的知識。實際的金屬切削過程都是三維的，但目前對于三維切削的研究還比較困難，許多學者都以直角自由切削為對象將其簡化為平面問題，從而對二維的情況進行研究[1-3]。

金屬切削過程具有幾何非線性、材料非線性、接觸和摩擦等，以前主要用試驗手段進行研究。隨著有限元算法的深入和計算機技術的發展，采用有限元模擬技術對切削過程進行數值仿真成為可能[4，5]。

利用ANSYS有限元軟件對切削過程進行分析可分為三個步驟：前處理、計算求解和后處理。前處理包括建立物理模型、選取單元、設定實常數、建立材料模型、劃分網格以及建立耦合等；計算求解過程包括設置邊界條件、施加載荷、設置求解選項及計算；后處理包括提取數據結果、提取各類云圖及制作動畫等[6，7]。

選取YT5類硬質合金作為刀具材料，45號鋼為工件材料。由金屬材料手冊[8]可知：YT5類硬質合金的彈性模量為 600 GPa，泊松比為 0.3；45號鋼的彈性模量為200 GPa，泊松比為0.28，屈服強度為355 MPa，強度極限為600 MPa，極限變形為 0.16。采用 J.Q.Xie建立的應變硬化和熱軟化材料模型得到45號鋼工件材料的應力應變曲線[9]。以二維正交直角切削為研究對象，對45號鋼的切削過程進行分析。

1 建立有限元模型

1.1 切屑分離標準

工件材料撕裂形成切屑的過程在有限單元中表示為節點的連續分離。……