金属切削刀具虚拟设计方法初探

  0 引言

现代金属切削加工技术正朝着高速度、高效率、高精度、低成本、节约资源、绿色环保等
方向发展。而传统的刀具开发过程需要经历材料研制→刀具设计→制造成型→切削试
验→反馈修改→投入生产等多个环节，开发周期很长，已难以满足现代切削加工技
术发展的要求。近年来，出现了一门基于现代数学、力学等多学科理论、借助于计算机

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技术及先进算法的新型技术

虚拟设计技术。应用该技术可对许多工程问题进行数

值模拟，从而可加快产品的设计速度，提高设计精度及可靠性。
虚拟设计技术也可应用于金属切削刀具的研究开发中。通过将材料性能参数输入计算
机、建立有限元模型、加载、计算等步骤，即可逼真地模拟出整个切削过程，并对刀具
几何参数进行优化设计。应用该技术不仅可大大缩短刀具产品的设计开发周期，而且
可提高设计的成功率和可靠性。
数值模拟技术是虚拟设计的核心技术，而数值模拟技术采用的主要分析方法为有限
单元法。近年来，有限元分析技术在计算机技术发展的推动下也不断发展，开发出了
许多优秀的有限元分析软件，有力促进了虚拟设计技术的推广应用。
本研究应用国际通用的大型有限元软件 ANSYS，成功模拟出了金属切削过程中刀具
所受应力的变化及剪切角的形成过程，并以刀具前角为变量进行了一系列计算，验
证了刀具前角与剪切角之间的变化关系。在切削过程中，影响上述变化过程的因素较
多，不仅取决于刀具几何参数、切削用量等，而且与工件材料性能密切相关。在数值
模拟过程中，不仅要考虑材料非线性、几何非线性和状态非线性，而且对解算器的选
择及载荷步的控制也有严格要求。ANSYS 软件强大的非线性处理功能可为切削过程的

 

数值模拟提供强有力的帮助。 1 

 

建模与计算

 

有限元建模
建立正确的有限元模型是实现数值模拟的关键。结合金属切削的实际情况，建模时应

 

重点考虑以下几个问题：

图 1 两种屈服准则的屈服轨迹比较

建立合理的材料模型是模拟切削过程的首要条件。考虑到刀具材料硬度远大于工件材
料硬度，建模时可将刀具视为弹性体，将工件建成为弹塑性模型。在整个切削过程中，
材料的变化是非线性的，因此需要确定材料的屈服准则、流动准则及强化准则。在复
杂应力状态下，连续体进入屈服状态的判断标准通常采用 Tresca 屈服准则和 Von 
Mises 屈服准则。Tresca 屈服准则认为：变形体内的最大剪应力达到某一临界值时即进
入屈服状态。而 VonMises 屈服准则认为：当变形体内单位体积的形状改变弹性能或单
位体积的弹性形变能达到某一极限值时，变形体即进入屈服状态。由于 Tresca 屈服准
则中未反映出中间主应力 s2 对屈服准则的影响，因此它在数学上和几何上都是不连