（資陽晨工電器有限公司，四川 資陽 641301）

切削加工薄壁件的過程是一項較為繁瑣的過程，涉及到大塑性整體的變形。薄壁件的重要作用引發(fā)了很多國內(nèi)外學(xué)者的研究探討，目的是為了提升所加工的零件的精度。傳統(tǒng)的辦法一般運用的是試錯法來取得經(jīng)驗值，但耗費較長的時間，并且花費十分巨大，無法實現(xiàn)對于切削機的定量分析和研究。為了提升切削加工薄壁件的精度以及工作效率，薄壁件加工切削引入有限元技術(shù)進(jìn)行仿真研究。

這種辦法與傳統(tǒng)的辦法相比較，更加貼近于工業(yè)生產(chǎn)的實際。但是，就目前對于切削加工薄壁件的成果研究來看，對于薄壁件的切削加工僅僅停留在對于單一的若干因素實現(xiàn)數(shù)值的仿真，切削熱以及切削力經(jīng)常運用弱耦合的形式呈現(xiàn)，所使用的計算方式是隱式計算，耗時較長并且難以收斂。

而本文則是創(chuàng)新了傳統(tǒng)的研究和辦法，提出有限元的模擬方法，使用顯示計算，最終建立起高效準(zhǔn)確的切削加工薄壁件的切削溫度以及切削力、殘余應(yīng)力等等。

1 切削加工薄壁件過程對于數(shù)值模擬的原理

通過切削加工，可以獲取形狀復(fù)雜的工件，提升對于工件的加工精度。這種加工方法十分重要，無法取代。通過切削進(jìn)行金屬加工往往被認(rèn)為是工業(yè)加工制造業(yè)中最為常用的加工方式。各個國家在這一方面都投入了大量的人力物力進(jìn)行研究，但是所得到的研究成果與實際的需求還存在著很大的差異性。仍然沒有一個好的工藝能夠應(yīng)對不斷推出的新材料的變化，對于尺寸以及薄壁件表面的粗糙程度進(jìn)行精準(zhǔn)的控制[1]。

1.1 金屬切削加工機理分析

切削的變形全過程都是經(jīng)過彈性變形、塑性變形、材料擠裂以及材料分離這四個階段。切削刀具在進(jìn)行移動的過程必須應(yīng)對切削層的材料在彈性變形過程中所產(chǎn)生的抵抗力以及塑性變形過程中所產(chǎn)生的抵抗力，同時，還要克服切削刀具前刀面和切削層金屬之間產(chǎn)生的摩擦以及切削刀具后刀面和過渡面、加工完成面的摩擦。在整個切削加工的過程中，切削層金屬在刀具的被迫擠壓下完成塑性變形和彈性變形，切削刀具的前刀面和切削層、后刀面和加工表面之間產(chǎn)生的摩擦，會帶來大量切削熱[2]。這種熱量通過刀具、切屑、以及工件集體和其他的周圍介質(zhì)向外傳遞，這個過程中的各個導(dǎo)熱因素直接影響到各層工件的溫度，使得溫度的分布十分不均勻，產(chǎn)生熱應(yīng)力。在加工的工況較為惡劣的時候，金屬由于高溫可能發(fā)生相變，而金屬冷卻之后則會出現(xiàn)殘余應(yīng)力。

對于切削加工機理進(jìn)行分析可以讓研究者對薄壁件的切削加工以及變形產(chǎn)生更為深刻的認(rèn)識，通過有限元方法對切削加工薄壁件的變形過程進(jìn)行較為精準(zhǔn)的預(yù)測并提供理論基礎(chǔ)[3]。

1.2 切削加工薄壁件中的非線性數(shù)值解法

在切削加工薄壁件過程中，一些非線性問題出現(xiàn)時，通常都會運用中心差的芬酸法進(jìn)行求解，運用有限元方程進(jìn)行控制。利用ABAKQUS平臺中的Abaqus/Eixplicit模塊在速度以及加速度產(chǎn)生，采用中心差分方法，通過時間積分形式進(jìn)行統(tǒng)計，因此，每一個產(chǎn)生的增量步在開始的時候所產(chǎn)生的速度以及加速度決定了在結(jié)束時產(chǎn)生的步值。這樣的方法對于切削加工薄壁件十分有效，適合于解決非線性問題[4]。

時間的增量可以這樣進(jìn)行表示：

速度中心差分格式表示為：

加速度則可以表示為：

根據(jù)牛頓第二定律，可得更新材料結(jié)點的速度和位移的公式：

2 對于切削加工薄壁件的變形預(yù)測

這一部分研究者通過對于有限元軟件ABAQUS的運用，使用顯示的計算辦法對于切削加工薄壁件過程中的變形情況進(jìn)行預(yù)測分析，引入三維有限元的分析模擬過程，利用數(shù)值模擬的實際結(jié)果得出切削加工薄壁件的變形規(guī)律，并通過有限元方法的運用論證這種變形情況是否可以實現(xiàn)對于變形預(yù)測的精準(zhǔn)度和可行性進(jìn)行分析。相關(guān)的工作人員可以運用所得的變形規(guī)律以及樹脂的模擬結(jié)果對于加工變形量進(jìn)行較為準(zhǔn)確的預(yù)測和分析，從而對工藝流程進(jìn)行規(guī)劃，提升切削加工薄壁件的質(zhì)量和準(zhǔn)確性[5]。

2.1 加工變形中的預(yù)測模擬

在不對殘余應(yīng)力進(jìn)行了解的前提下，仿真模擬的數(shù)值所采用的切削參數(shù)一般為深度為1.3 mm/s，速度是200 m/min，進(jìn)給量為 0.216 mm/rev，以及干切削的切削環(huán)境。在這一過程中不存在潤滑液的有關(guān)情形，所處的環(huán)境溫度要求為25℃.將刀具模擬為剛體。在VUMAT之中，可以運用具備刪除功能的材料店。當(dāng)材料店與用戶需求的破壞準(zhǔn)則相符合的時候，材料點會在模型中自動刪除。在VUMAT之中進(jìn)行刪除變量的定義，這個狀態(tài)量一般為1或者0。其中，1代表的是材料點激活的，而0則代表ABAQUS/Explicit在盈利為0的時候會將材料點自動刪除。本文則是對于這個過程的數(shù)值進(jìn)行模擬分析，參與數(shù)值的模擬計算過程。

以噴管為例，進(jìn)行切削加工的時候，其中圖1表示的是噴管不同時刻進(jìn)行切削加工工程的應(yīng)力分布情況，圖2為切削加工在剛剛開始的時候，刀具接觸工件時候的分布應(yīng)力情況，圖3則是切削加工在結(jié)束的時候應(yīng)力的分布狀況。由此可以分析出，噴管這一薄壁件在進(jìn)行切削加工的過程中，在被加工區(qū)間具備的應(yīng)力達(dá)到最高值。在靠近被加工的部位切削應(yīng)力的區(qū)域最大，在逐漸遠(yuǎn)離的過程中應(yīng)力一直減小，不斷重新分布排列，最終達(dá)到平衡后停止[6]。

圖1 不同時刻的應(yīng)力分布

圖2開始時的應(yīng)力分布

圖3結(jié)束時的應(yīng)力分布

圖4、圖5和圖6分別為噴管位于不同時刻進(jìn)行切削加工不同方向的曲線表現(xiàn)切削力。其中：圖4是開始時的情況，圖5是某一時刻的情況，圖6是結(jié)束時的情況。

圖4開始時的切削力分布曲線

圖5某一時刻的切削力分布曲線

圖6結(jié)束時的切削力分布曲線

2.2 結(jié)論分析

以噴管為例，數(shù)值模擬其切削加工的全過程，從仿真的結(jié)果可以得出，切削加工噴管會發(fā)生變形量，這種變化可以實現(xiàn)提前的預(yù)測和分析，在制定相關(guān)的工藝流程的時候，可以通過預(yù)測對于整個流程進(jìn)行改進(jìn)，規(guī)避可能出現(xiàn)的問題。相關(guān)工作人員可以根據(jù)切削加工的刀具以及速度等因素進(jìn)行分析，最終制定出科學(xué)合理的加工流程，最大程度的減小在加工過程中可能出現(xiàn)的變形情況。

圖7代表的是切削的速度對于噴管加工變形產(chǎn)生的具體影響數(shù)據(jù)。從圖中我們可以清晰的得出結(jié)論，切削變形量會隨著切削速度的不斷增加而不斷減小。這與實際切削加工中的情況相符合。

圖7 切削速度與噴管變形程度的數(shù)量關(guān)系

圖8代表的是進(jìn)給量對與噴管加工變形影響的變化曲線。圖中所顯示的結(jié)論是：單位時間內(nèi)所去除的材料數(shù)量隨著切削速度增加而不斷增大。

圖8進(jìn)給量與噴管變形程度的數(shù)量關(guān)系

通過對噴管切削加工過程中的模擬數(shù)值進(jìn)行分析后，我們發(fā)現(xiàn)，仿真手段對于加工變形量的提前預(yù)測十分有效。通過數(shù)值模擬的結(jié)果還可以對切削加工過程中的工藝參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)的判斷和評估。薄壁件的變形量影響因素包括切削的速度以及進(jìn)給量。速度越快，變形量越小，進(jìn)給量越大，變形量越大。這樣的研究成果證實了，通過科學(xué)合理的構(gòu)建有限元模型，并根據(jù)具體情況對模型進(jìn)行簡化，在薄壁件的切削加工以前可以有效的對加工后的薄壁件變形情況進(jìn)行合理的預(yù)測分析，這樣的方法降低了工作人員制定工藝流程的難度。

3 結(jié)束語

隨著工業(yè)技術(shù)的日益發(fā)展，要想提升工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量就必須重視切削加工薄壁件的質(zhì)量。隨著科技的進(jìn)步，切削加工薄壁件的變形量已經(jīng)可以被預(yù)測和模擬，這種辦法的提出，提升了工作的效率，能夠生產(chǎn)出更加符合人們審美和高質(zhì)量性能的工業(yè)產(chǎn)品，有利于我國的工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展。

[1]王占禮，朱 丹，等.薄壁件數(shù)控加工物理仿真研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].機床與液壓，2014，(03):162-166.

[2]徐 看，呂彥明，黃艷玲.薄壁件鍛造成形工藝及數(shù)值模擬技術(shù)研究[J].鍛壓技術(shù)，2014，(02):128-132.

[3]葉建友，呂彥明，李 強，等.薄壁件切削加工變形及補償技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].工具技術(shù)，2014，(02):3-6.

[4]趙 迎.薄壁件切削加工過程數(shù)值模擬及變形預(yù)測研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2012.

[5]趙文輝，段振云，戴現(xiàn)偉.基于變形預(yù)測的薄壁梁架加工工藝優(yōu)化[J].組合機床與自動化加工技術(shù)，2015，(04):126-127，131.

[6]何永強.工字型薄壁件數(shù)控銑削加工變形試驗與分析[J].機床與液壓，2013，19:73-76.