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关键词：圆孔拉削加工；有限元仿真；圆周拉刀；切削力；摘 要：拉削是指利用特制的拉刀逐齿依次从工件上切下很薄的金属层，使表面达到较高的尺寸精度和较低的粗糙度，是一种高效率的加工方法。对于拉削加工过程的仿真国内外已经做了大量研究，本研究通过有限元仿真模型的建立和各项仿真计算结果，分析圆孔拉削过程的切削力、温度场、弹塑性变形、切屑形态、刀具磨损等各种物理现象。本文主要叙述了金属切削和有限元仿真的定义，及国内外研究概况

1.引言：

金属切削是一种通用的机械加工方法，许多产品都需要通过切削工艺来获得理想的形状与尺寸，而拉削是切削加工中比较特殊的一种加工方式。金属切削过程是一个很复杂的工艺过程，它涉及弹性力学，塑性力学，断裂力学还有热力学，摩擦学等多种学科^[1]。切削质量易受刀具形状，切削流动，温度分布，热流和刀具磨损等多种因素的影响，切削表面的残余应力和残余变形也会严重影响工件的精度和疲劳寿命^[2]。因此利用传统的解析方法，很难对切削机理进行定量的分析和研究，单纯的依靠试验研究和理论探究也是无法在时间、效率和经济上满足现代机械制造的要求。在制造工程领域中，计算机模拟加工过程可以显著减少因为反复设计，试验而造成的消耗。而在金属切削研究中，计算机模拟可以减少工艺的选择，可加工型估计等实验次数，具有极大的价值^[3]。

实践及理论研究都已说明，不同的加工方法，不同的切削参数，不同的刀具材料及几何参数，其加工效果是不同的。不论加工什么材料，使切削过程最佳化都是很有意义的，尤其是对难加工材料来说，谈到切削过程最佳化，必须涉及到切削参数的选择^[4]。

Third wave Advantedge 是一个基于材料物性的有限元金属切削的仿真软件。通过软件仿真代替大量的试切，避免试切过程中材料的浪费，也节省了时间，缩短设计、加工周期，更重要的是软件仿真为实际加工提供理论依据，避免传统加工中单方面凭借经验而导致技术的不可复制性、零件质量不可控性。

本课题要根据圆孔拉削过程切削仿真的特点，合理的选择刀具材料、刀具前角、后角、切削用量等参数，使用Advantedge建立拉削有限元模型，对圆孔拉削过程进行切削仿真，设计圆孔拉刀建模。

2.国内外研究概况：

传统研究金属切削的方法大多采用试验法和解析法，需要通过大量的试验建立切削力和切削温度模型，并用解析法分析切削过程。有限元仿真是利用计算机准确高速的数据计算功能对切削过程进行模拟的一种仿真方法。早在20世纪40年代，Piispanen^[5]，Oxley^[6]等人就利用解析法研究了剪切角、刀具前角和刀具与加工材料的摩擦等。自20世纪70年代Klamechi.B.E^[7]最先将有限元模型引入到切削加工仿真中以来，基于有限元建模的方法已经在切削加工模拟仿真中得到了广泛的应用。Zienkiewicz于1971年采用预先给定切削形状然后加载刀具的方法分析了加工中工件材料发生屈服的区域沿主剪切平面的扩张情况, 但由于预先给定了切削形状因此模拟分析结果的准确性不高, 但其工作是开创性的;1976年Shirakash和Usui对上述模型进行了改进, 考虑了刀削之间的摩擦和应力受温度和应变速率影响的特性, 通过反复修正切削形状, 直到在某种切削形状下产生的塑性流动规律与预设的取得一致, 依此来获得切削形状, 他们采用的这种迭代方法取得了部分成功, 并在以后的研究中获得进一步发展^[8,9,10];1987年, Strencow Ski、Carrol和Mitchum等基于更新的拉格朗日弹塑性模型, 将等效塑性应变准则作为切削分离准则, 完成了第一个非稳态切削过程的模拟, 通过有限元分析研究指出等效应变的临界值随切削深度的增加而增加, 因此提出了修正切削断裂分离准则的建议;1990年, Strencow Ski和Moon模拟了切削形状, 在忽略弹性变形的前提下, 预测了工件、刀具和切削中的温度分布^[11]Obikawa,Toshiyuki^[12]等人用有限元方法模拟了正交切削TC4钛合金切削变形机理和切削特征，给出了应力、应变率、切削变形状态及温度示意图。HaciSaglam^[13]等利用刀具前角的不同，研究了刀具前角角度和切削力、切削温度的关系。近年来, 国际上对切削的有限元分析更加深入, 美国俄亥俄州立大学成形制造工程研究中T.Altan教授率领的团队在切削工艺的有限元模拟方面取得了令人瞩目的成就, 研究成果应用于生产实际取得了很大的经济效益^[14,15]。