工件和刀具几何模型的建立

（1）切削模型的建立

在切削模拟计算时,对实际的切削过程进行了模型简化。对于2D 切削的模拟,如切削宽度大于切削深度时,可以假设为平面应变状态,工件考虑为矩形,刀具也认为是平面的,由于刀具相对于工件来说硬度和刚度都很大,设为刚体。该2D 切削模型简单,模型的建立直接在ABAQUS/ CAE 中进行。

（2）单元网格的划分

二维模型采用CPE4RT 单元,为实体平面应变四边形热力耦合4 节点缩减积分单元。三维模型采用C3D8RT实体三维六面体热力耦合8 节点缩减积分单元。考虑到金属切削层附近材料变形剧烈并且有强烈的热效应产生,因此采用较密的网格;周围区域受到的影响较小为减小计算规模采用较粗大的单元;中间采用过渡形式。刀具采用与工件相同的单元类型,设置为刚体；刀尖处由于与工件材料相接触,并承受很大的应力集中,同时为防止刚体单元侵入工件软金属单元的可能,采用了较细小的网格,其余部分采用较粗大的网格。单元的划分是在ABAQUS/ CAE 模块中进行的,划分的网格质量较好,能够满足计算需求。

(3)畸变单元网格处理

金属切削成形过程属于典型的几何非线性问题,塑性变形又属于材料非线性问题,同时切削过程具有连续性和动态性的特点。随刀尖前端材料的变形,单元被压扁或不均匀变形而扭曲,将使计算结果严重失真,为了保证切削过程的正常进行和计算精度,在有限元模拟计算中必须对网格进行重新划分或及时删除严重畸形的单元。本研究中在切削过程的模拟中采用了ABAQUS 程序的单元删除技术。

工件选用常用的45号钢被加工金属。正确确定材料的本构模型是成功实现金属切削加工模拟的关键。由于切屑过程缠身强烈的塑性变形同时切屑与刀具之间的强烈的摩擦作用，是切屑过程产生大量的热，同时由于切削速度很高，材料塑性变形也很大，因此材料模型的选择要考虑材料的应变硬化效应和温度升高引起的软化效应，同时考虑应变速率对硬化的影响，即选用相关的材料模型。切削过程涉及了材料塑性屈服准则、流动准则、硬化准则等的应用，考虑到热力耦合及速率的影响，本说明中采用了Johnson-Cook本构关系：