文献综述
摘 要
金属切削加工的过程主要是通过依靠刀具把材料表面上面多余的加工余量切除，从而达到预期所要加工成的工件形状、尺寸以及表面粗糙度。为了提高表面质量，进而衍生了精密和超精密切削加工，为此深入了解切削加工的原理和形成过程成为了生产制造过程中必不可少的一项工作内容[1]。由于生产成本和产品研发的周期问题，有限元分析法可以很大程度上解决这类问题。本次设计选用利用Third Wave AdvantEdge软件作为仿真工具，模拟在不同的进给量、切削速度和背吃刀量下的切削力、切削温度的变化规律[2]。加深本人对刀具材料、工件材料以及切削过程的理解。
关键词：金属切削；有限元分析；仿真软件；刀具材料
1.1研究背景及意义
1.1.1有限元分析的背景及意义
金属切削工艺学是现代制造业中的核心技术，随着电子、光学、微细产品的不断更新与发展，对制造的效率和加工质量方面提出了更高的要求[3]。传统的金属切削过程是先研究工件材料、刀具的几何参数以及切削用量，然后运用一定的测试试验手段，来进行实际的操作实验，这样的研究流程虽然结果比较精确可靠，但是却提高了实际操作成本和试验周期。现代的研究过程可以采用软件分析，利用有限元法的分析手段，大大缩短产品的研发周期和研发费用，近几年来，该方法收到越来越多的企业和研究所的青睐[4]。
1.1.2切削参数的研究背景及意义
在金属切削过程中，始终存在着切削速度、进给量以及背吃刀量这三个要素，在金属切削加工过程中，金属的切除率与切削用量三要素ap、f、v均保持线性关系，即其中任一参数增大一倍，都可以使生产效率提高一倍。然而由于受到刀具寿命的制约，当任一参数增大时，其他参数应适当减小。能够正确的选择切削参数，对于保证加工质量、减少工艺磨损、提高加工生产效率和经济效益具有十分重要的意义[5]。
1.1.3工件材料研究的意义
工件的切削过程不仅与刀具有关，工件的材料也是十分重要，能够所选取加工制造的材料必须具有优良的切削加工性能和使用性能。只有在这样的材料上面，才能加工出理想的表面粗糙度。如今可以被成功地进行切削的代表性材料有：铜合金、铝合金、银、金、有机玻璃以及一些“易碎物质”[6]。另外，在实际的切削加工过程中，对于工件夹紧变形所产生的原因，也是要考虑的一个方面。为了使工件产生最小的装夹变形，除了考虑到装夹方式以外，材料的类型也是一个重要因素[7]。
2.1国内外研究状况及发展趋势
2.1.1金属切削过程有限元分析国外研究状况
金属切削过程仿真，国外发展的比较早，1973年美国的B.E.Klamecki[8]最先系统地研究了金属切削加工中切削成形的远离，开创了历史的先河，为后来的研究指明了方向。1980年美国的M.R.Lajc-zok[9]应用有限元方法研究切削加工中的主要问题，初步分析了切削工艺。1984年K.Iwata等讲材料假设为钢塑性材料，利用刚-塑性有限元方法分析了在低切削速度、低应变速率下的稳态正交切削。Usui[10]等人首次将低碳钢流动应力设为应变、应变速率和温度的函数，他们用有限元方法模拟了连续切削中产生的切削瘤，并且在刀具和切削接触面上采用库伦摩擦模型，模拟了切削过程。近几年来，国际上对金属切削工艺的有限元模拟的研究更又更近一层，来自日本的Sasahara和Obikawa等人利用弹塑性有限元方法，在忽略了温度和应变速率的影响前提下，模拟了低速连续切削时被加工表面的残余应力和应变。Lianchi Zhang和J.M.Huang.J.T.Black[11]对有限元分析正交切削工艺中的切屑分离准则做了深入的研究，对不同的分离准则都做了考察。
2.1.2金属切削过程有限元分析国内研究状况
与本领域的国外的研究状况相比，国内对切削加工有限元模拟的研究还比较少，研究还不是很成熟，主要还是采用试验和建立解析模型的方法进行研究，随着计算机计算速度的发展和外来有限元软件的引入，也有一部分学者开始对切削有限元仿真进行研究模拟。2003年宋金玲[12]网格，通过计算机模拟金属切削连续稳态成屑过程，对工件切削进行弹塑性变形及受力分析。2005年，闫洪[13]等对H13淬硬模具刚精密切削工艺参数对刀具性能和切削质量的影响做了研究。2006年，卢树斌[14]采用DEFORM软件建立了二维和三维金属切削模型，研究了金属高速切削机理，模拟了高速切削下切屑的形成过程，并对刀具的磨损状况进行了预测。2007年，刘胜永[15]等讨论了二维切削中摩擦系数对切屑变形、切削温度等的影响。
总结
综上所述，国外二维金属切削过程有限元仿真的发展比较快，但是对三维仿真方面的发展相对来说比较慢，而国内主要停留在二维的仿真上，不能够更加直观得反映切削过程。尽管国内关于金属切削过程有限元模拟方面的研究工作已经开展多年，编写一个专用的有限元程序是一项繁重的工作，而且往往会出现问题，受编程水平的限制，仿真结果与实验结果往往相差很大，因此在这种情况下，有效的应用现有的有限元软件进行切削数值仿真就显得尤为重要。
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