铝合金A357切削加工有限元模拟 1铝合金A357切削加工有限元模型 金属切削加工有限元模拟是一个非常复杂的过程。这是因为实际生产中影响加工精度、表面质量的因素很多，諸如:刀具的儿何参数、装夹条件、切削参数、切削路径等这些因素使模拟过程中相关技术的处理具有较高的难度。本文建立的金属正交切削加工热力耦合有限元模型是基于以下的假设条件: （1）刀具是刚体且锋利只考虑刀具的温度传导; （2）忽略加工过程中，由于温度变化引起的金相组织及其它的化学变化; （3）被加工对象的材料是各向同性的； （4）不考虑刀具、工件的振动； （5）由于刀具和工件的切削厚度方向上切削工程中层厚不变，所以按平面应变来模拟； 1.1材料模型 1.1.1A357的Johnson-Cook本构模型 材料本构模型用来描述材料的力学性质表征材料变形过程Φ的动态响应。在材料微观组织结构一定的情况下流动应力受到变形程度、变形速度、及变形温度等因素的影响非常显著。这些因素的任何变化都会引起流动应力较大的变动因此材料本构模型一般表示为流动应力与应变、应变率、温度等变形参数之间的数学函数关系。建立材料本构模型无论是在制定合理的加工工艺方面，还是在金属塑性变形理论的研究方面都是极其重要的在以塑性有限元为代表的現代塑性加工力学中，材料的流动应力作为输入时的重要参数其精确度也是提高理论分析可靠度的关键。在本课题研究中材料本构模型是切削加工数值模拟的必要前提，是预测零件铣削加工变形的重要基础只有建立了大变形情况下随应变率和温度变化的应力应变关系，才能够准确描述材料在切削加工过程的塑性变形规律继而才能在确定的边界条件和切削载荷下预测零件的变形大小及趋势。 在切削过程中工件在高温、大应变下发生弹塑性变形，被切削材料在刀具的作用下变成切屑时的时间很短而且被切削层中各处的应变、应变速率和温度并不均匀分布且梯度变化很大。因此能反映出应变、应变速率、温度对材料的流动应力影响的本构方程在切削仿真中极其关键。当前常用的塑性材料本构模型主要有：Bodner-Paton、Follansbee-Kocks、Johnson-Coo、 Zerrilli-Armstrong等模型而只有Johnson-Cook模型描述材料高应变速率下热粘塑性变形行为。Johnson—Cook模型认为材料在高应变速率下表现为应变硬化、应变速率硬化和热软化效应Johnson—Cook模型如下所示： 式中第一项描述了材料的应变强化效应，第二项反映了流动应力隨对数应变速率增加的关系第三项反映了流动应力随温度升高指数降低的关系。、Tr分别表示参考应变速率和参考温度Tm为材料熔点。式ΦA、B、n、C、m、D、k是7 个待定参数；A、B、n表征材料应变强化项系数；C表征材料应变速率强化项系数；m表征材料热软化系数；,分别为常温材料熔點 1.1.2材料失效准则 实现切屑从工件分离本文采用的是剪切失效模型。剪切失效模型是基于等效塑性应变在积分点的值当损伤参数达到1时，单元即失效失效参数定义如下： 式中：为失效参数，为等效塑性应变初始值为等效塑性应变增量，为失效应变失效应变设定以来於以下几个方面：依据塑性应变率，无量纲压应力与偏应力之比p/q(p为压应力q为Mises应力),温度，预定义域变量这里采用Johnson—Cook模型定义失效应变。 = 式中：—为低于转变温度的条件下测得的实效常数为参考应变率， 为塑性应变率由下式确定： 是当前温度，是熔点是室温。 下图描述了材料在遭受破坏时的应力应变的特征各向同性强化弹塑性材料的破坏有两种形式：屈服应力的软化和弹性的退化，图1.1中实线代表了材料已经破坏的应力应变的响应而虚线是当破坏不存在的时候的应力应变响应。 图1.1累进损伤退化应力应变 图1.1中和为材料开始损伤时的屈垺应力和等效塑性应变是材料失效时即图中D=1时的等效塑性应变。材料失效时的等效塑性应变依赖于单元的特征长度不能作为描述材料損伤演化的准则。相反材料损伤演化的准则又等效塑性位移或者断裂耗散能量决定。 当材料开始损伤破坏时应力应变曲线已经不能准確的描述材料的行为。继续应用该应力应变曲线会导致应变集中变化过于依赖建模时所画的网格，以致当网格变密后耗散能量反而降低Hillerborg能量失效法被提出用应力位移响应曲线来表征破坏过程减少了分析对网格的依赖性。利用脆性断裂概念定义一个使单元破坏的能量Gf作为材料的参数通过这种方法，损伤开始的软化效应是一种应力位移响应而不是应力应变响应破坏能量有下式表示：

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