犁削-擠壓成形模擬研究

李明 包麗 李東升 周鑫磊 臧鳳吉

【摘 要】文章通過模擬犁削-擠壓成形刀具單齒切削來實現犁削-擠壓成形的簡化，通過對犁削-擠壓成形刀具結構進行分析，設計刀具的有限元模型。在UG交互式CAD/CAM系統內將犁削-擠壓成形刀具實體進行系列參數化三維造型，然后借助交互接口實現實體造型數據的傳遞，并且借助ANSYS Workbench的分析功能最終得到該刀具在工作狀態中受力的總應變和等效彈性應變。

【關鍵詞】犁削-擠壓;刀具設計;三維有限元仿真;ANSYS Workbench

【中圖分類號】TG699 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）02-0083-03

0 引言

微熱管的吸液芯結構一方面主要決定該熱管的傳熱性能，另一方面微溝槽吸液芯結構的微熱管吻合了電子器件領域短而薄的發展趨勢。同時，加工微精細溝槽吸液型芯的關鍵技術是先進的刀具技術，刀具技術對機械加工質量、加工效率有關鍵性的影響。因此，運用犁削-擠壓成形開發一種具有良好毛細壓力的吸液芯結構具有重要意義。

1 有限元基礎理論及ANSYS Workbench概述

有限元方法（ Finite Element Method，FEM）是運算力學中的一種常用、重要方法，它首次出現于20世紀50年代末至60年代早期，它是一個綜合了現代經典力學，應用性數學及計算機交互科學等多門應用科學的學科。它是由美國教授R.W.Clough于1943年率先提出的。在初期階段，變分性原理是有限元的基礎方法，并以其為核心逐步發展而來。當時的技術工程師們率先將有限元應用于靜力結構分析中，隨后工程師們便認識到了此種技術的可延伸性，便將有限元應用到全部工程領域，這種延伸涵蓋了從線型系統問題到系統非線性的問題，從靜力剛體平衡到動力非平衡問題，從固體彈性力學拓展到流體動力學、電磁力學、傳熱力學等領域。諸多復雜的實地工程難題的解決歸功于有限元方法廣泛性和深層次地應用。

1.1 有限元法的問題處理思維

有限元法是將三維實體的模型數據（即處理對象）分散化為有限個、按有規律的序列相互聚合的單元組合，以此來一步一步仿真現實的物體。這樣可以運用計算機技術，用離散成的有限個自由度方法來仿真原有的、連續性的、無限自由度數的問題，化簡連續性的、無限的、自由度的分析，最終總結出的一種數值分析方法。在待分析的物體建模數據離散之后，可以通過分析建模每個元素來一步一步達到分析全部物體建模的目的。網格劃分使模型的離散化得以實現，分離出來的元素模塊被稱為單元。獨立單元之間用節點實現彼此的連接和關聯，節點直接決定了單元體的形狀。作用在單元節點上的結構作用內力被稱為節點力，作用于節點處的集中力荷、分布力荷等外部力荷被稱為節點載荷。

1.2 ANSYS Workbench概述

ANSYS軟件結合了多個學科領域分析的技術成果，它們分別是聲場、結構、流體、電磁場域及耦合場分析模塊。同時，ANSYS能夠實現諸多CAD方面的軟件之間的接口交互通信，即使數據元的共享和交換得以實現，是當下最先進高端的CAD產品之一。ANSYS Workbench擁有ANSYS整體核心產品評估評價的先進功能，同時應用先進的項目規劃思想實現工程過程的監控管理，可以應用圖表流程的思維實現構造系統分析，使相應的應用性程序得以激活，各相關性應用程序的數據接口都是獨立的，Workbench數據庫與相關性應用邏輯數據庫是能夠通信的。操作者一般是在經典Workbench界面下應用ANSYS分析軟件，熟練ANSYS的操作者對于該問題會有一定領悟，在該模式情況下，處理交換外部數據例如CAD交互模型并不是很方便，將工程技術領域復雜性3D模型放入ANSYS中，往往由于幾何交互模型失效進而使分析計算無法實現，而ANSYS軟件構建模型功能遠低于主流的CAD建模軟件，這是ANSYS Workbench軟件后續產品應解決的問題。

2 模擬仿真分析步驟

有限元方法解決問題的基本策略是“位移法”，即以模型的彈性體構點位移的法向分量作為最基本求解量的方法。通過求得構點的位移法向分量后，再用幾何方程求得應變法向分量，最后應用物理方程求解得到應力法向分量。一般有限元方法求解的步驟大體由整體化分析、單元體分析、結構性離散化3個方面構成。

2.1 整體化分析

整體化分析目的是為了求解整體性剛度矩陣，在導入邊界約束條件之后用以求解出節點的位移，主要包含下面兩個方面的研究內容。

（1）使整個節點向量載荷集成，在離散結構以后，僅僅依靠節點來實現單元之間的內力的交互傳遞，載荷全部集中作用于節點之上。所以有限單元方法用于結構分析時，全部作用于單元體上的表面積力、體積作用力、集中作用力必須同效地移動到節點上，相應地轉化為單元體的對應節點荷載，再依照全部節點的邏輯順序將所有節點轉化成整體的節點向量載荷。

（2）創建剛度整體矩陣方程，使整體動態平衡方程得以建立。為了得到整體結構的剛度矩陣方程K，需將各單元體的剛度系數矩陣依照單元體在坐標系全局中的布置完成疊加排列，再將作用在各單元體的節點法向載荷矩陣列組歸納為整體集中載荷陣列組P，最后依照單一節點的法向受力平衡列出節點的平衡方程，建立結構的整體平衡方程：

2.2 獨立單元體矩陣分析

依靠對獨立單元體力學穩態的結構分析，實現單元體的動態剛度矩陣組Ke的建立。

2.3 整體結構的離散化模型建立

整體結構模型離散化是把整體結構拆分離散成有限化數量級的微細單元，由單元-單元、節點-單元和彼此之間邊界線連接。離散化是有限元分析方法解決問題的關鍵步驟，單元網格越精細，對應的計算處理精度等級越高，反之計算效率一般也會相應地降低。所以，整體結構的離散化處理會影響到計算結果的精度等級和計算完成效率。

3 仿真模型的構建

犁削-擠壓成形刀具切削加工過程中，因為單齒加工刀具的主切削面位于中心線分布對稱，在前刀面的反向作用力下，位于前刀面的金屬會發生塑性形變，而且會沿著阻力值最小的方向流動，因此位于前刀面附近的接合處，即沿中間切削刃流出的金屬流可能與加工完成表面產生相互接觸或干涉作用，消除干涉作用的有效方法是使切削金屬流沿中間切削刃被拆分流開。

3.1 切削刀具幾何建立

系統選用了UG作為刀具三維造型軟件，通過選用刀具的基本參數，進行優化性三維建模，選取犁削-擠壓成形刀具一個刀齒為分析研究對象，通過UG中間文件格式，導入ANSYS Workbench進行切削模擬分析。

3.2 切削刀具材料定義

刀具材料選用常用的高速鋼材料W18Cr4V，該材料密度是8 260 kg/m3，拉壓彈性模量是225 000 MPa。依照材料全部物理屬性，在有限元Data Engineering界面下定義材料全部物理屬性。

3.3 單元網格精細劃分

本文應用自動區域網格劃分方式（Automatic）對犁削-擠壓成形刀具單齒進行單元網格精細劃分，有限元軟件自動識別三維模型的復雜結構進而實現復雜結構的網格精細化。

3.4 邊界控制條件的加載

刀具刀齒三維模型為簡化后的犁削-擠壓加工成形刀具的單齒建模，載荷主要集中分布于刀刃處，分別為垂直于刀齒方向和平行于刀齒方向的力，依照犁削加工最苛刻的條件（Fx，Fz整體集中作用在切削刃處）進行切削情況模擬加載。在加載過程中，要在刀齒模型內部施加全法向固定性約束。

4 結論

本文通過模擬實地犁削-擠壓成形刀具單齒切削來實現犁削-擠壓成形的簡化和成形加工過程的有限元仿真，總結歸納出如下3個重要結論。

（1）在原有切削模型的前提下，采取模擬犁削-擠壓成形刀具單齒切削來實現犁削-擠壓成形切削的簡化，大大降低了切削的復雜性，提高了仿真效率，可結合仿真結果進行多次仿真方案優化，為進一步優化設計刀具提供必要的理論支撐。

（2）切削刃附近等效應變較大，最大值達0.016 56 mm，說明切削刃附近集中作用的犁削-擠壓力值較大，刀尖處和切削刃附近的強度能夠滿足加工要求。

（3）在刃頂處犁削-擠壓并性較大，最大值可達0.008 1 mm，這是由于刃頂處單元體處于三向受壓應力狀態，但最值小于許用值，說明刃頂變形不會對加工精度等級造成影響，刀齒也不可能發生局部的韌性斷裂。

參 考 文 獻

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[責任編輯：鐘聲賢]