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摘 要：近些年来，随着科学技术的快速发展，有限元法已经成为金属切削过程仿真的有效工具。本文重点介绍了金属切削过程有限元分析的国内外发展概况，系统地分析了金属切削有限元分析的一般过程及若干问题。
【中图分类号】TG501
1 引言
近年来，随着计算机技术在工业领域的广泛应用和有限元技术的逐步完善，用有限元方法对刀具在切削过程中的状态模拟的方法越来越多，切削加工过程有限元模拟涉及以下问题： 材料的去除机理、切屑形成、残余应力和刀具的磨损等。以计算机为工具，应用商业有限元软件包来模拟仿真大量的工程实际问题，以成为当今工程技术研究领域的热门方向，这也是当今高科技技术不断发展的必然趋势。实践证明，通过计算机的模拟仿真既节约时间，节省人力和物力，又得出许多从实验中很难得到的重要数据，能从理论上清晰的发现金属切削过程，对实践有着很高的指导价值。
2 金属切削过程有限元分析国外研究现状
金属切削过程仿真，国外发展得比较早， 1973年美国的B.E.Klameehi[1]最先系统地研究了金属切削加工中切屑成形的原理，开创了历史的先河，为后来的研究指明了方向。1980年美国的M.R.Lajczok[2]应用有限元方法研究切削加工中的主要问题，初步分析了切削工艺。1984年，Iwata[3]等将材料假定为刚塑性材料，利用刚塑性有限元方法分析了在低切削速度、低应变速率的稳态正交切削过程。Usui[4]等人首次提出将低碳钢流动应力设为应变、应变速率和温度的函数，他们用有限元方法模拟了连续切削中产生的切屑瘤，并且在刀具和切屑接触面上采用库仑摩擦模型，模拟了切削过程。
3金属切削过程有限元分析国内研究现状
与本领域国外的研究状况相比，国内对切削加工有限元模拟的研究还比较少，研究还不是很成熟，主要还是采用试验和建立解析模型的方法进行研究。随着计算机计算速度的发展和外来有限元软件的引入，也有一部分学者开始对切削有限元仿真进行研究模拟。黄志刚[10]等人在基于切削加工的热—弹塑性有限元方程，建立了金属正交切削加工的热力耦合有限元模型。宋金玲[11]等通過计算机模拟金属切削连续稳态成屑过程，对工件切屑进行弹塑性变形及受力分析。梁文杰[12]等人以通用有限元软件MARC为平台，建立了PCBN刀具车削GCr15材料的二维热力耦合有限元模拟。文东辉[13]等人建立在MATLAB系统上的切削力预报系统，预报切削力的变化规律。合肥工业大学李德宝[14]采用ANSYS研究金属在正交切削时金属表面加工硬化的深度问题。哈尔滨理工大学的盆洪民[15]针对高速硬态切削淬硬钢的特点，利用MSC.Marc和 ABAQUS/Explicit两种有限软件建立了适于硬态切削的二维平面应变有限元模型，模拟了硬态切削中连续与锯齿状切屑形成过程和刀具的磨损情况，得出倒棱刃的切削温度分布好，已加工表面温度低。南京航空航天大学的张华[16]采用ANSYS-LSDYNA，建立金属切削过程的三维有限元模型。通过控制刀具模型的运动来模拟切削过程，得到金属切削加工过程中切屑形成的动态模拟。
金属切削过程中有限元法分析的主要过程有三个部分：
（1）前处理。主要完成切削初始状态的建模，有限元单元格的划分。
（2）求解过程，完成金属切削成屑的过程仿真的基本运算，金属切削变形区的应力，应变，温度场，切削力，刀具磨损等的计算。
（3）后处理。对仿真的最终结果和中间结果进行分析和处理，列表或者图形化处理，对切削力和切削温度等结果进行处理和查看。
5 总结
综上所述，国外二维金属切削过程有限元仿真的发展比较快，甚至可以对一些塑性较差的材料进行切削仿真，但是在三维仿真方面的发展相对来说比较慢；而国内主要停留在二维的仿真上，不能够更加直观得反映切削过程，而且研究的内容仅限于正交金属切削，切削过程没有从动态的结果形象的显示出来，定义了过多的假设，使得仿真结果与实际值之间误差较大。尽管国内关于金属切削过程有限元模拟方面的研究工作已经开展多年，编写一个专用的有限元程序是一项繁重的工作，而且往往会出现问题，受编程水平的限制，仿真结果与实验结果往往相差很大。因此在这种情况下，有效的应用现有的有限元商业软件进行切削数值仿真就显得尤为重要。
参考文献
[1]B.E.Klamecki.Incipient chip formation in metal cutting a three analysis[J].university of Illinois at Urbana-Champaign，1973
[2]Lajczok M.R.A study of some aspects of metal cutting by the finite element method[D]. North Carolina State University，1980
[3]盆洪民.淬硬钢高速切削过程的有限元仿真[D].哈尔滨理工大学硕士毕业论文，2007
【中图分类号】TG501
1 引言
近年来，随着计算机技术在工业领域的广泛应用和有限元技术的逐步完善，用有限元方法对刀具在切削过程中的状态模拟的方法越来越多，切削加工过程有限元模拟涉及以下问题： 材料的去除机理、切屑形成、残余应力和刀具的磨损等。以计算机为工具，应用商业有限元软件包来模拟仿真大量的工程实际问题，以成为当今工程技术研究领域的热门方向，这也是当今高科技技术不断发展的必然趋势。实践证明，通过计算机的模拟仿真既节约时间，节省人力和物力，又得出许多从实验中很难得到的重要数据，能从理论上清晰的发现金属切削过程，对实践有着很高的指导价值。
2 金属切削过程有限元分析国外研究现状
金属切削过程仿真，国外发展得比较早， 1973年美国的B.E.Klameehi[1]最先系统地研究了金属切削加工中切屑成形的原理，开创了历史的先河，为后来的研究指明了方向。1980年美国的M.R.Lajczok[2]应用有限元方法研究切削加工中的主要问题，初步分析了切削工艺。1984年，Iwata[3]等将材料假定为刚塑性材料，利用刚塑性有限元方法分析了在低切削速度、低应变速率的稳态正交切削过程。Usui[4]等人首次提出将低碳钢流动应力设为应变、应变速率和温度的函数，他们用有限元方法模拟了连续切削中产生的切屑瘤，并且在刀具和切屑接触面上采用库仑摩擦模型，模拟了切削过程。
3金属切削过程有限元分析国内研究现状
与本领域国外的研究状况相比，国内对切削加工有限元模拟的研究还比较少，研究还不是很成熟，主要还是采用试验和建立解析模型的方法进行研究。随着计算机计算速度的发展和外来有限元软件的引入，也有一部分学者开始对切削有限元仿真进行研究模拟。黄志刚[10]等人在基于切削加工的热—弹塑性有限元方程，建立了金属正交切削加工的热力耦合有限元模型。宋金玲[11]等通過计算机模拟金属切削连续稳态成屑过程，对工件切屑进行弹塑性变形及受力分析。梁文杰[12]等人以通用有限元软件MARC为平台，建立了PCBN刀具车削GCr15材料的二维热力耦合有限元模拟。文东辉[13]等人建立在MATLAB系统上的切削力预报系统，预报切削力的变化规律。合肥工业大学李德宝[14]采用ANSYS研究金属在正交切削时金属表面加工硬化的深度问题。哈尔滨理工大学的盆洪民[15]针对高速硬态切削淬硬钢的特点，利用MSC.Marc和 ABAQUS/Explicit两种有限软件建立了适于硬态切削的二维平面应变有限元模型，模拟了硬态切削中连续与锯齿状切屑形成过程和刀具的磨损情况，得出倒棱刃的切削温度分布好，已加工表面温度低。南京航空航天大学的张华[16]采用ANSYS-LSDYNA，建立金属切削过程的三维有限元模型。通过控制刀具模型的运动来模拟切削过程，得到金属切削加工过程中切屑形成的动态模拟。
金属切削过程中有限元法分析的主要过程有三个部分：
（1）前处理。主要完成切削初始状态的建模，有限元单元格的划分。
（2）求解过程，完成金属切削成屑的过程仿真的基本运算，金属切削变形区的应力，应变，温度场，切削力，刀具磨损等的计算。
（3）后处理。对仿真的最终结果和中间结果进行分析和处理，列表或者图形化处理，对切削力和切削温度等结果进行处理和查看。
5 总结
综上所述，国外二维金属切削过程有限元仿真的发展比较快，甚至可以对一些塑性较差的材料进行切削仿真，但是在三维仿真方面的发展相对来说比较慢；而国内主要停留在二维的仿真上，不能够更加直观得反映切削过程，而且研究的内容仅限于正交金属切削，切削过程没有从动态的结果形象的显示出来，定义了过多的假设，使得仿真结果与实际值之间误差较大。尽管国内关于金属切削过程有限元模拟方面的研究工作已经开展多年，编写一个专用的有限元程序是一项繁重的工作，而且往往会出现问题，受编程水平的限制，仿真结果与实验结果往往相差很大。因此在这种情况下，有效的应用现有的有限元商业软件进行切削数值仿真就显得尤为重要。
参考文献
[1]B.E.Klamecki.Incipient chip formation in metal cutting a three analysis[J].university of Illinois at Urbana-Champaign，1973
[2]Lajczok M.R.A study of some aspects of metal cutting by the finite element method[D]. North Carolina State University，1980
[3]盆洪民.淬硬钢高速切削过程的有限元仿真[D].哈尔滨理工大学硕士毕业论文，2007