基於DEFORM刀具磨損有限元仿真分析

2021-01-20 數控編程張

基於DEFORM刀具磨損有限元仿真分析

摘 要：在大多數情況下，提高切削參數比增加刀具壽命更利於獲得高利潤，但優化後的切削參數往往忽略刀具磨損的影響。本文以制動盤為切削載體，以DEFORM為仿真平臺，建立切削仿真模型，研究了優化後的切削參數對刀具磨損影響，仿真結果與實際切削過程一致，驗證了仿真的有效性，從而為研究者提供了一種選擇合理優化參數的方法。

關鍵詞：deform；有限元；刀具磨損

不同切削用量之間的交互作用對刀具耐用度的影響各不相同，通過對優化的三組數據分析，不難發現，優化切削參數的取值整體比經驗參數要大。為進一步驗證優化後切削參數組合的合理性，把刀具磨損作為一個測量點，分別採用優化後切削參數和經驗切削參數對刀具的磨損情況，進行二者之間的比較。刀具磨損通常情況下不易測量獲取到，DEFORM通過設置相應的切削參數和工藝參數後，在後處理中就可對刀具應力、刀具磨損、切削溫度等重要數據進行分析。

1前處理設置

在DEFORM-3D中，設置加工類型為車削，系統單位選擇國際單位制，仿真模式為熱傳遞和變形，迭代方法選擇直接迭代法。刀具為WC硬質合金，型號為DNMA432，材料類型設置為剛性，刀具劃分30000個網格。制動盤材料為Q235-B，彈性模量E=2.1×1011N/m^2,泊松比μ=0.274,質量密度=7830 kg/m^3，工件選擇塑性體，採用絕對網格尺寸，最小網格尺寸為進給量的25%。定剪摩擦因子0.6，熱傳導係數為43N/sec /mm/℃，刀具起初溫度為20℃。步數存儲增量25，總共模擬步數為1500步，切削弧長6.5mm。

為便於在後處理中查看刀具磨損情況，使用Usui模型來計算刀具磨損，如公式1所示。依據經驗值，實驗校正因子a、b分別取0.0000001和855。將表5-2中優化參數組合2和經驗參數兩組數據，分別輸入到切削參數對話框中，完成前處理設置。

式中，W為磨損深度；P為界面壓力；ve為滑動速度；T為絕對界面溫度。

2後處理分析

從圖1可知，刀具磨損首先發生在刀尖切削工件位置，等量磨損值連成的曲線呈現不規則閉合線，閉合線形狀由工件形狀、刀具劃分網格數、硬度以及選取的步數值等多種因素共同決定，磨損量由內到外依次不規則遞減，隨

著切削時間延長磨損值不斷增大，刀具後刀面開始出現磨損，磨損量與切削時間近似地成正比列增加。

圖2是兩組不同參數下刀具界面溫度，從圖中可以看出，切削過程中產生的熱量主要集中在刀尖位置。a圖是採用經驗數據下模擬刀具界面溫度試驗，從整個模擬過程來看，溫度隨著時間步數不斷在升高，到達391℃後，趨於平穩。在b圖中由於切削參數比a圖的切削參數要大，從而b圖中刀具界面溫度比a圖的高55℃。

圖3是兩組不同切削參數下刀具磨損深度仿真試驗，在同等條件下，經驗參數下刀具磨損最大深度為0.00000296mm,優化參數下刀具磨損最大深度為0.00000332mm，數值幾乎相當。

3結論

本文研究中採用 YT5硬質合金刀具車削ZK514型捲筒制動盤，通過刀具磨損試驗，在給定優化後切削參數範圍內，刀具耐用度在制動盤加工中均滿足加工要求。綜上所述，對於給定的切削深度和進給量組合，在特定的切削速度範圍內，刀具的損耗是安全、可預測且可控制的，加快的刀具磨損並不會過度增加切削成本。以上試驗結果驗證，研究獲取的優化參數是可行、合理的，具有較好的實用性。

參考文獻

[1]魏效玲,王劍鋒.基於DEFORM的刀具幾何參數與切削力關係的研究[J].組合工具機與自動化加工技術 , 2014 (11) :11-13.

[2]韋聯,周利平.基於Deform 3D的金屬車削過程仿真[J].工具技術,2010,44(8):29-33

[3]陸劍中.金屬切削原理與刀具[M].機械工業出版社,2006.7.

[4]張德強,宿永起等.切削參數對Q235表面粗糙度影響試驗研究[J].機械設計與製造,2013(10):142-144.

相關焦點

  • 刀具強度的有限元數值模擬分析
    2、 有限元數值分析軟體ANSYS簡介    有限元數值分析軟體(ANSYS)將現代數學、力學的基礎理論與有限元分析技術、計算機圖形學和優化技術相結合，具有豐富、完善的單元庫、材料模型庫和求解器，可利用數值模擬技術高效求解各類結構動力、靜力和線性、非線性問題。
  • 分析鎢鋼刀具磨損的五大原因
    當這些氧化物被機械作用擦去後，鎢鋼刀具將被腐蝕磨損，而在刀具表面留下凹坑。在一般情況下，鎢鋼刀具在較高的切削速度(100-200m/min)下，以較大的切削深度及進給量切削鋼材時，副後刀面最容易發生氧化磨損。
  • 刀具磨損方面論文觀後總結
    基於擴展隱馬爾可夫模型的刀具磨損識別與壽命預測研究該論文為華中科大碩士論文，主要撰寫內容為數據採集及處理；刀具磨損在線識別；壽命狀態監測；最後開發了一個系統。4.基於力和振動融合的刀具磨損狀態辨識方法研究該論文為西南交大的碩士論文，主要撰寫內容實驗方案設計；刀具磨損階段劃分；傳統的分析方案；神經網絡的分析方法；該論文的前期工作中寫到採用正交實驗的方法進行了9種工況的設計，並且每一組都完成一把刀具壽命的測試，每把加工20次就損壞了。通過刀具磨損曲線和加工工件的表面粗糙度對刀具的狀態進行了反映。
  • 基於ANSYS Workbench的外圓磨床的有限元分析及優化
    2 磨床的有限元分析2．1 磨床的有限元建模Workebench是某公司提出的協同仿真環境，解決企業產品研發過程中CAE軟體的異構問題。面對製造業信息化大潮、仿真軟體的百家爭鳴雙刃劍、企業智力資產的保留等各種工業需求，某公司提出的觀點是：保持核心技術多樣化的同時，建立協同仿真環境。
  • 工具機大講堂第98講——TiAlN塗層刀具的高溫摩擦應力仿真分析(上)
    TiAlN塗層刀具的高溫摩擦應力仿真分析（上）　　TiAlN塗層是目前應用廣泛的三元氮化物刀具塗層。針對TiAlN塗層目前常用的球-盤高溫摩擦方式中的高溫摩擦應力進行仿真研究，揭示高溫摩擦過程中塗層的受力狀態。
  • 管道機械冷切割機的刀具磨損原因
    管道機械冷切割機既然採用的是機械鋸片方式進行切割，就存在刀具磨損現象。嚴格按照《天津先鋒管道切割規範》進行操作下，正常的切割狀態，磨損分為正常磨損和非正常磨損，下面就刀具磨損的原因進行分析和研究：1.刀具磨損刀具在進行管道切割時，按磨損原因可分為：1.1管道材料磨損被切割的管道材料中常有一些硬度極高的微小顆粒，
  • 有限元分析在醫學領域可以做什麼？
    脊柱生物力學仿真是有限元法在生物力學中研究的較早、分析的較多、也是臨床上應用較廣泛的領域。有限元分析在脊柱腰椎段的應用，也覆蓋了生理負載及外來負載下腰椎各部分應力分布，手術內固定及人工假體，脊柱內固定對鄰近脊柱結構影響，骨質疏鬆椎體壓縮性骨折，以及肌肉和韌帶在有限元模型中的應用等多個方面，有力促進了脊柱動力學(載荷下的脊柱運動)、運動學(椎體間運動)和脊椎及椎間盤內部的應力應變等各種研究。
  • 熱電冷卻器的有限元熱分析
    摘要：針對熱電冷卻器在電子設備散熱中的應用，參照冷卻器的材料屬性和工藝結構，在有限元軟體中構建其3D模型，並根據冷卻器實際工作環境加載參數，得到熱電冷卻器的穩態電壓雲分布和溫度場分布圖;根據仿真的熱特性結果，分析熱電冷卻器在電子散熱應用中的工作情況
  • 安世亞太分享增材製造的仿真技巧:複合材料有限元仿真計算的應用方法
    複合材料結構有限元計算方法 工程問題對承擔較大載荷複合材料結構件需要進行校核設計，在模型製備之前利用有限元分析仿真會大大提高產品設計效率，以及通過優化設計方法給出好的設計空間和材料分布。複合材料的有限元分析一般可以考慮三種計算方法進行處理：微觀方法、中尺度方法、宏觀方法。
  • 利用有限元模型驗證碳纖維材料超聲磨削工藝
    據挪恩復材劉工介紹，國內很多機構都針對碳纖維的加工工藝進行研究和試驗，某機構曾利用有限元模型驗證碳纖維複合材料超聲磨削工藝。如果你對此很感興趣，可以接著看下面的文章介紹。有限元建模碳纖維複合材料層合板有限元模型的單元類型為C3D8T，採用Sweep掃略網格劃分技術，運用Medial axis算法進行局部網格加密。
  • 人體組織三維建模技術與有限元分析
    有限元法是研究人體組織損傷機理的重要方法，由於人體組織結構的複雜性，如何建立高生物仿真度的有限元模型是有限元計算中必須解決的首要問題；其次，如何解決數值模擬中的高度非線性、流固耦合問題，是有限元模擬的關鍵。
  • 金剛石刀具的耐磨性及金剛石刀具的磨損在哪些方便可以體現顯
    金剛石刀具可以用於非金屬硬脆材料如石墨、高耐磨材料、複合材料、高矽鋁合金及其它韌性有色金屬材料的精密加工。金剛石刀具類型繁多，性能差異顯著，不同類型刀具的結構、製備方法和應用領域的不同，導致金剛石刀具的耐磨性差異也是比較大的。
  • 基於CT圖像的長管骨有限元材料屬性研究及實驗驗證
    結論(1)利用 CT圖片灰度值 ，可以精確定義骨骼各成份的材料屬性；(2)皮質骨材料數 目設定對有限元仿真結果影響較大，將皮質骨設定 10 種即可滿足有限元分析需要；因此 ，後一種灰度值方法更能保證有限元分析的精確性 ，特別是 進行個性化 的比較 ，更具有 意義 。費王華 通過對新鮮動物溼骨的有 限元分析研究 ，證實基於 CT 圖像材料賦值 的可行性。本文主要在此基礎上利用灰度值法，對經酒精處理的新鮮人體股骨幹的有限元材料個性化賦值以及其材料賦值合理性進行探討 。
  • 還在為刀具磨損而煩惱嗎?知道這些解決措施幫你節省刀具成本!
    刀具磨損是切削加工過程中最常見的問題。分析刀具磨損的原因，能夠讓我們在數控加工中更有效的延長刀具的壽命，避免刀具磨損而產生的加工異常。不斷進步的刀具材料、塗層技術和切削刃研磨技術對於有效控制刀具磨損也是非常重要的。
  • 《風能》技術|基於有限元的風電塔筒渦激振動分析
    本文基於典型的風電塔筒結構和渦激振動原理，提出了一種在圓柱形塔筒的外表面設置梯形擾流筋的新型塔筒（圖3）。為了研究擾流筋對風電塔筒渦激振動的影響機理，本文應用有限元法對普通塔筒和設置擾流筋的塔筒分別進行渦激振動分析，在具有相同的雷諾數和斯特勞哈爾數時，通過對比普通塔筒和加筋塔筒受風載時塔筒表面受到的渦激力大小和渦激力的變化頻率，研究擾流筋是否能夠有效削弱塔筒的渦激振動。
  • 基於CT人眶骨三維有限元模型的建立
    結論 利用螺旋CT技術並聯合使用Mimics軟體,逆向工程與有限元軟體構建的眼眶三維有限元模型,忠實於人體解剖數據,有較高的準確性,能夠滿足眼眶骨折生物力學分析的需要,為進一步進行眼眶骨折有限元分析研究提供了有效的而快速的建模平臺
  • 金剛石刀具磨損的原因有哪些?金剛石刀具適合加工什麼材料?
    金剛石是一種由碳元素組成的礦物，這種礦物質是自然界中天然存在的最堅硬的物質，用這種物質製作而成的刀具具有極高的硬度和耐磨性、低摩擦係數、高彈性模量、高熱導、低熱膨脹係數，以及與非鐵金屬親和力小等優點，但是這種金剛石刀具的結構、製備方法和應用領域有較大區別，所以也是存在磨損情況的，今天諾諾就來和大家一起聊聊：金剛石刀具磨損的原因有哪些
  • 4D列印纖維增強熱塑性複合材料的性能表徵和有限元分析
    4D列印是基於3D列印出現的一項新技術，因其能夠將3D列印出的結構在外界激勵下隨時間發生形狀或結構變化而廣為人知。目前，基於熔融沉積(fused deposition molding, FDM)工藝的4D列印存在製件力學性能差以及由於材料模型和數值模擬的限制造成的設計精準度差的問題。
  • Ansys Mechanical磨損分析
    開展磨損分析的意義主要體現在以下幾個方面：2、Ansys Mechanical磨損仿真思路    在微觀尺度上，磨損過程相當複雜，各種機械和化學過程導致材料失效和損耗。在連續介質力學尺度上，磨損可以通過現象學模型近似，該模型將接觸面上的各種狀態參數與材料損失聯繫起來。Ansys Mechanical APDL模型使用這種現象學方法仿真磨損。
  • 學了那麼多力學,怎麼還是不會做有限元分析?
    前段時間有朋友問，為什麼學了那麼多力學課程卻不會做有限元分析？那麼力學和有限元分析到底有著什麼樣的聯繫？力學在有限元分析中到底能起到什麼樣的作用？關於這個問題，我想從下面三個角度來做些解釋。基於節點位移，得到單元的應變，再基於本構關係得到單元的應力。對於採用等參變換單元，由於採用數值積分技術，因此計算得到的原始應力和應變其實都是單元的數值積分點上的值。由此可見，有限元方法的整個求解過程，完全沒有用到求解數學物理方程中的那些經典的解析方法。