犁削-挤压成形模拟研究

李明 包丽 李东升 周鑫磊 臧凤吉

【摘 要】文章通过模拟犁削-挤压成形刀具单齿切削来实现犁削-挤压成形的简化，通过对犁削-挤压成形刀具结构进行分析，设计刀具的有限元模型。在UG交互式CAD/CAM系统内将犁削-挤压成形刀具实体进行系列参数化三维造型，然后借助交互接口实现实体造型数据的传递，并且借助ANSYS Workbench的分析功能最终得到该刀具在工作状态中受力的总应变和等效弹性应变。

【关键词】犁削-挤压;刀具设计;三维有限元仿真;ANSYS Workbench

【中图分类号】TG699 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2019）02-0083-03

0 引言

微热管的吸液芯结构一方面主要决定该热管的传热性能，另一方面微沟槽吸液芯结构的微热管吻合了电子器件领域短而薄的发展趋势。同时，加工微精细沟槽吸液型芯的关键技术是先进的刀具技术，刀具技术对机械加工质量、加工效率有关键性的影响。因此，运用犁削-挤压成形开发一种具有良好毛细压力的吸液芯结构具有重要意义。

1 有限元基础理论及ANSYS Workbench概述

有限元方法（ Finite Element Method，FEM）是运算力学中的一种常用、重要方法，它首次出现于20世纪50年代末至60年代早期，它是一个综合了现代经典力学，应用性数学及计算机交互科学等多门应用科学的学科。它是由美国教授R.W.Clough于1943年率先提出的。在初期阶段，变分性原理是有限元的基础方法，并以其为核心逐步发展而来。当时的技术工程师们率先将有限元应用于静力结构分析中，随后工程师们便认识到了此种技术的可延伸性，便将有限元应用到全部工程领域，这种延伸涵盖了从线型系统问题到系统非线性的问题，从静力刚体平衡到动力非平衡问题，从固体弹性力学拓展到流体动力学、电磁力学、传热力学等领域。诸多复杂的实地工程难题的解决归功于有限元方法广泛性和深层次地应用。

1.1 有限元法的问题处理思维

有限元法是将三维实体的模型数据（即处理对象）分散化为有限个、按有规律的序列相互聚合的单元组合，以此来一步一步仿真现实的物体。这样可以运用计算机技术，用离散成的有限个自由度方法来仿真原有的、连续性的、无限自由度数的问题，化简连续性的、无限的、自由度的分析，最终总结出的一种数值分析方法。在待分析的物体建模数据离散之后，可以通过分析建模每个元素来一步一步达到分析全部物体建模的目的。网格划分使模型的离散化得以实现，分离出来的元素模块被称为单元。独立单元之间用节点实现彼此的连接和关联，节点直接决定了单元体的形状。作用在单元节点上的结构作用内力被称为节点力，作用于节点处的集中力荷、分布力荷等外部力荷被称为节点载荷。

1.2 ANSYS Workbench概述

ANSYS软件结合了多个学科领域分析的技術成果，它们分别是声场、结构、流体、电磁场域及耦合场分析模块。同时，ANSYS能够实现诸多CAD方面的软件之间的接口交互通信，即使数据元的共享和交换得以实现，是当下最先进高端的CAD产品之一。ANSYS Workbench拥有ANSYS整体核心产品评估评价的先进功能，同时应用先进的项目规划思想实现工程过程的监控管理，可以应用图表流程的思维实现构造系统分析，使相应的应用性程序得以激活，各相关性应用程序的数据接口都是独立的，Workbench数据库与相关性应用逻辑数据库是能够通信的。操作者一般是在经典Workbench界面下应用ANSYS分析软件，熟练ANSYS的操作者对于该问题会有一定领悟，在该模式情况下，处理交换外部数据例如CAD交互模型并不是很方便，将工程技术领域复杂性3D模型放入ANSYS中，往往由于几何交互模型失效进而使分析计算无法实现，而ANSYS软件构建模型功能远低于主流的CAD建模软件，这是ANSYS Workbench软件后续产品应解决的问题。

2 模拟仿真分析步骤

有限元方法解决问题的基本策略是“位移法”，即以模型的弹性体构点位移的法向分量作为最基本求解量的方法。通过求得构点的位移法向分量后，再用几何方程求得应变法向分量，最后应用物理方程求解得到应力法向分量。一般有限元方法求解的步骤大体由整体化分析、单元体分析、结构性离散化3个方面构成。

2.1 整体化分析

整体化分析目的是为了求解整体性刚度矩阵，在导入边界约束条件之后用以求解出节点的位移，主要包含下面两个方面的研究内容。

（1）使整个节点向量载荷集成，在离散结构以后，仅仅依靠节点来实现单元之间的内力的交互传递，载荷全部集中作用于节点之上。所以有限单元方法用于结构分析时，全部作用于单元体上的表面积力、体积作用力、集中作用力必须同效地移动到节点上，相应地转化为单元体的对应节点荷载，再依照全部节点的逻辑顺序将所有节点转化成整体的节点向量载荷。

（2）创建刚度整体矩阵方程，使整体动态平衡方程得以建立。为了得到整体结构的刚度矩阵方程K，需将各单元体的刚度系数矩阵依照单元体在坐标系全局中的布置完成叠加排列，再将作用在各单元体的节点法向载荷矩阵列组归纳为整体集中载荷阵列组P，最后依照单一节点的法向受力平衡列出节点的平衡方程，建立结构的整体平衡方程：

2.2 独立单元体矩阵分析

依靠对独立单元体力学稳态的结构分析，实现单元体的动态刚度矩阵组Ke的建立。

2.3 整体结构的离散化模型建立

整体结构模型离散化是把整体结构拆分离散成有限化数量级的微细单元，由单元-单元、节点-单元和彼此之间边界线连接。离散化是有限元分析方法解决问题的关键步骤，单元网格越精细，对应的计算处理精度等级越高，反之计算效率一般也会相应地降低。所以，整体结构的离散化处理会影响到计算结果的精度等级和计算完成效率。

3 仿真模型的构建

犁削-挤压成形刀具切削加工过程中，因为单齿加工刀具的主切削面位于中心线分布对称，在前刀面的反向作用力下，位于前刀面的金属会发生塑性形变，而且会沿着阻力值最小的方向流动，因此位于前刀面附近的接合处，即沿中间切削刃流出的金属流可能与加工完成表面产生相互接触或干涉作用，消除干涉作用的有效方法是使切削金属流沿中间切削刃被拆分流开。

3.1 切削刀具几何建立

系统选用了UG作为刀具三维造型软件，通过选用刀具的基本参数，进行优化性三维建模，选取犁削-挤压成形刀具一个刀齿为分析研究对象，通过UG中间文件格式，导入ANSYS Workbench进行切削模拟分析。

3.2 切削刀具材料定义

刀具材料选用常用的高速钢材料W18Cr4V，该材料密度是8 260 kg/m3，拉压弹性模量是225 000 MPa。依照材料全部物理属性，在有限元Data Engineering界面下定义材料全部物理属性。

3.3 单元网格精细划分

本文应用自动区域网格划分方式（Automatic）对犁削-挤压成形刀具单齿进行单元网格精细划分，有限元软件自动识别三维模型的复杂结构进而实现复杂结构的网格精细化。

3.4 边界控制条件的加载

刀具刀齿三维模型为简化后的犁削-挤压加工成形刀具的单齿建模，载荷主要集中分布于刀刃处，分别为垂直于刀齿方向和平行于刀齿方向的力，依照犁削加工最苛刻的条件（Fx，Fz整体集中作用在切削刃处）进行切削情况模拟加载。在加载过程中，要在刀齿模型内部施加全法向固定性约束。

4 結论

本文通过模拟实地犁削-挤压成形刀具单齿切削来实现犁削-挤压成形的简化和成形加工过程的有限元仿真，总结归纳出如下3个重要结论。

（1）在原有切削模型的前提下，采取模拟犁削-挤压成形刀具单齿切削来实现犁削-挤压成形切削的简化，大大降低了切削的复杂性，提高了仿真效率，可结合仿真结果进行多次仿真方案优化，为进一步优化设计刀具提供必要的理论支撑。

（2）切削刃附近等效应变较大，最大值达0.016 56 mm，说明切削刃附近集中作用的犁削-挤压力值较大，刀尖处和切削刃附近的强度能够满足加工要求。

（3）在刃顶处犁削-挤压并性较大，最大值可达0.008 1 mm，这是由于刃顶处单元体处于三向受压应力状态，但最值小于许用值，说明刃顶变形不会对加工精度等级造成影响，刀齿也不可能发生局部的韧性断裂。

参 考 文 献

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[责任编辑：钟声贤]