Ansys Workbench刀具切削仿真

文摘科学 2024-08-19 06:30 广东

切削工艺在现代制造业中扮演着至关重要的角色，是一种广泛应用于材料加工领域的技术。进行刀具切削仿真，可精确掌握刀具内部应力分布规律，从而为改进刀具受力、合理设计刀具结构、提高刀具寿命等提供理论依据。

Fig. 1 刀具切削动画

本文采用Ansys Workbench显示动力学分析模块（Explicit Dynamics），详细讲解刀具切削仿真流程，主要包括模型前处理、计算分析和结果分析等主要步骤。其中。模型前处理主要涉及材料设置、模型导入和网格划分。

1 构建模型

在Solidworks环境下构建刀具切削几何模型。在前视基准面（即XY平面）构建草图，如下图所示。采用Solidworks的曲面建模功能，构建刀具切削2D平面，将刀具切削模型建为壳体。具体参见前期文章：Ansys Workbench平面应力分析。

Fig. 2 刀具切削几何草图

2 传输模型

由于Solidworks已关联Ansys Workbench，因此无需将刀具切削模型另存为中间格式，直接点击工具选择Ansys Workbench，将模型传输至Workbench的Germetry中，如下图所示。具体参见前期文章：Ansys Workbench关联Solidworks。

Fig. 3 刀具切削模型传输

3 创建流程

进入Workbench流程界面后，设置Units为Metric(tone,mm,s,℃,mA,N,mV)。拖拉Analysis Systems中的Explicit Dynamics至Geometry，创建刀具切削显示动力学分析项目流程，如下图所示。点击File，选择Save，命名并保存分析项目。

Fig. 4 刀具切削显示动力学分析项目流程

4 生成模型

右击Geomrtry，选择Edit Geometry in DesignModeler....，进入DesignModeler界面（简称：DM界面）。菜单栏点击Units，设置单位为Millmeter(mm)。右击Attacxh1，选择Generate，生成并显示刀具切削几何模型，如下图所示。

Fig. 5 导入并生成刀具切削几何模型

5 定义材料

关闭DM界面，返回Workbench流程界面。双击Engineering Data，右击空白处选择Engineering Data Sources，找到显示动力学材料库(Explicit Materials)，添加STEEL4340(合金钢)和TUNGSTEN(钨钢)，如下图所示。

Fig. 6 板材和刀具材料定义

6 划分网格

双击Model，进入Mechanical界面。右击Mesh，选择Sizing，在Element Size中设置网格尺寸为3mm。然后再次右击Mesh，选择Generate Mesh生成网格，如下图所示。具体参见前期文章：Ansys Workbench壳单元网格划分方法。

Fig. 7 刀具切削有限元网格划分

7 设置单元

展开Geometry，依次单击零件名字，在下方列表中选择板材材料为STEEL4340(合金钢)，刀具材料为TUNGSTEN(钨钢)。选择Stiffness Behavior为柔性体Flexible，厚度Thickness设置为10mm，Offset Type为Middle，如下图所示。

Fig. 8 板材和刀具单元设置

8 设置边界

单击Explicit Dynamics，展开Supports，添加Displacement，选中刀具的4条边，点击Geometry中的Apply，设置沿切削方向移动的位移为80mm。添加Fixed Supports，选中板材的底边和右边，点击Geometry中的Apply，如下图所示。

Fig. 9 设置刀具切削边界条件

9 分析结果

点击Analysis Setting，在End Time中设置时间为0.001s。右击Solution，添加等效应力Equivalent Stress和总位移Total Deformation。选择Solve，进行求解计算。求解结束后，查看切削动画，分析位移云图和应力云图。

Fig. 10 刀具切削位移云图

Fig. 11 刀具切削应力云图

进行刀具切削仿真对于提高效率和降低成本、优化刀具设计和切削参数、提高切削质量和加工精度以及推动制造业的发展都具有重要的意义。随着计算机技术和有限元仿真软件的不断发展，刀具切削仿真将会在未来的制造业中发挥越来越重要的作用。

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