42CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼的切削加工有限元分析

咸成吉1，樸成道2，尹鳳哲2

( 1.延邊大學(xué)工學(xué)院 機(jī)械工程系； 2.延邊大學(xué)工學(xué)院 工程訓(xùn)練中心: 吉林 延吉 133002 )

摘要：采用有限元方法構(gòu)建了42CrMo(美國(guó)牌號(hào)AISI 4140)合金鋼的正交切削仿真模型，并對(duì)其進(jìn)行了二維有限元仿真.切削仿真中，利用Johnson-Cook本構(gòu)模型確立工件材料模型，刀屑界面摩擦采用剪切摩擦，分析溫度場(chǎng)時(shí)把熱傳導(dǎo)系數(shù)設(shè)置為在刀屑界面上產(chǎn)生的壓力函數(shù).切削仿真結(jié)果表明:增大刀具前角，切削力下降；提高切削速度，則切削溫度上升，等效應(yīng)變速率明顯加快.

關(guān)鍵詞：等效應(yīng)力； 等效應(yīng)變； 切削力； 切削溫度

收稿日期：2015-03-12

作者簡(jiǎn)介：咸成吉(1968—)，男，博士，講師，研究方向?yàn)闄C(jī)械CAD/CAE、金屬切削技術(shù).

文章編號(hào)：1004-4353(2015)02-0170-05

中圖分類號(hào)：TG506.7

Cutting process of 42CrMo structural alloy steel by finite element analysis

XIAN Chengji1,PIAO Chengdao2,YIN Fengzhe2

( 1.DepartmentofMechanicalEngineering,CollegeofEngineering,YanbianUniversity;

2.EngineeringTrainingCenter，CollegeofEngineering,YanbianUniversity:Yanji13002,China)

Abstract：The structural alloy steel 42CrMo (AISI 4140) is simulated using orthogonal cutting model by two dimensional finite element methods. In the process of the simulations, the workpiece material modeling in machining is established by the Johnson-Cook constitutive model, the friction at the interface of the chips and the rake face of the tools applied using shear frictions, and the thermal conductivity coefficients are suggested as the functions of normal stresses at the interface when analyzing temperature fields. From the cutting simulations， the results show that cutting forces are decreased with increasing rake angles, and cutting temperatures increased and effective strain rates enhanced obviously with increasing cutting speeds. The simulation results mentioned above will provide a valuable reference and guidance for researching on the machining mechanism and the cutting process of structural alloy steels.

Key words： effective stress; effective strain; cutting force; cutting temperature

碳素鋼因存在強(qiáng)度較低、淬透性差等不足，使其應(yīng)用受到較大限制.為彌補(bǔ)碳素鋼的不足，在碳素鋼中適量地加入錳(Mn)、鉻(Cr)、硅(Si)、鎳(Ni)、鉬(Mo)和鎢(W)等元素制成的合金鋼，其淬透性、回火穩(wěn)定性、綜合機(jī)械性能以及耐熱、耐蝕、耐磨性能得到大幅提高，使其可廣泛應(yīng)用于車輛、艦船、工程機(jī)械、電站設(shè)備、航空航天等領(lǐng)域.42CrMo(AISI 4140)鋼是一種典型的中碳合金結(jié)構(gòu)鋼，具有強(qiáng)度高、淬透性和韌性好等特點(diǎn)[1]，但這些特點(diǎn)也使得合金鋼的切削加工變得更為困難，尤其是調(diào)質(zhì)處理后的合金鋼在加工中更不容易斷屑、排屑[2].為此，很多研究者對(duì)此進(jìn)行了研究，并取得了一些研究成果[3-7]，但這些研究?jī)H局限于切削42CrMo鋼時(shí)的刀具磨損和刀具壽命，以及采用不同刀具時(shí)切削力與切削溫度變化等方面，并沒有對(duì)各種切削參數(shù)變化對(duì)切削加工的影響進(jìn)行較全面的分析.為此，本文利用Deform-2D有限元軟件，建立了42CrMo合金鋼的正交切削加工有限元模型，分析切削過程中切削溫度、應(yīng)力和應(yīng)變的分布規(guī)律，切削力的變化規(guī)律，以及刀具前角與切削速度對(duì)切削過程的影響.

1有限元模型的建立

1.1有限元幾何模型

圖1為工件和刀具的二維正交切削有限元模型.在該模型中，刀具固定不變，工件以預(yù)設(shè)的恒定速度沿著y軸向刀具所在位置運(yùn)動(dòng)并參與切削加工.對(duì)工件進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，采用四邊形平面應(yīng)變單元，同時(shí)為改善網(wǎng)格質(zhì)量，避免計(jì)算過程發(fā)散，利用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)，隨時(shí)調(diào)整和重新劃分因發(fā)生塑性變形而引起扭曲變形的網(wǎng)格.此外，在塑性變形較大的工件切削區(qū)，利用局部細(xì)化網(wǎng)格方法進(jìn)行網(wǎng)格的局部細(xì)化來提高計(jì)算、模擬的準(zhǔn)確度；將變形較小的區(qū)域劃分為稀疏的網(wǎng)格，以便加快計(jì)算速度.工件尺寸設(shè)置為長(zhǎng)6mm、高2mm，刀具幾何及切削參數(shù)見表1.

圖1　正交切削有限元模型

參數(shù)數(shù)值前角/(°)-5、5、15、25后角/(°)8切削刃鈍圓半徑/mm0.05切削速度/(m/min)60、120、150、240、360、480切削厚度/mm 0.15

1.2材料模型的建立

刀具材料設(shè)置為剛性，采用WC基硬質(zhì)合金.由于刀具的強(qiáng)度、硬度遠(yuǎn)高于工件材料，其在切削過程中幾乎不產(chǎn)生應(yīng)變，因此分析時(shí)僅考慮熱傳導(dǎo)、摩擦等因素即可.工件材料設(shè)置為塑性，采用42CrMo合金鋼材料.切削過程中工件材料在刀具的擠壓作用下發(fā)生極大的彈塑性變形，并處于高溫、高壓、大應(yīng)變及大應(yīng)變速率的狀態(tài).為正確反映這一過程及其變化，本文采用Johnson-Cook(J-C)本構(gòu)模型(公式(1))進(jìn)行分析，該模型具有形式簡(jiǎn)單、使用方便、與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好等優(yōu)點(diǎn).

(1)

表2　AISI 4140材料J-C本構(gòu)模型參數(shù)

1.3摩擦模型與熱傳遞系數(shù)的確定

金屬在切削過程中刀具與切屑之間存在滑動(dòng)區(qū)和粘結(jié)區(qū)兩個(gè)不同的摩擦區(qū)域，其中粘結(jié)區(qū)屬于內(nèi)摩擦，滑動(dòng)區(qū)屬于外摩擦.本文將外摩擦和內(nèi)摩擦均設(shè)置為剪切摩擦，參與運(yùn)算的平均摩擦系數(shù)按文獻(xiàn)[7]選取0.4.

工件和刀具的初始溫度均設(shè)定為20℃，其接觸面的熱傳導(dǎo)系數(shù)由界面間的壓力、滑動(dòng)速度、接觸溫度等決定.為便于進(jìn)行模擬，本文將工件與刀具間的熱傳導(dǎo)系數(shù)[7]確定為壓力的函數(shù)，如表3所示.

表3　熱傳導(dǎo)系數(shù)

2計(jì)算結(jié)果與分析

2.1切屑形成過程

圖2為切削速度為150m/min,刀具前角為15°，其他參數(shù)與表1相同時(shí)的正交切削模擬過程.由圖2(a)可以看出，在切削加工開始之前，工件的單元和節(jié)點(diǎn)處于完好無(wú)損的狀態(tài)；從圖2(b)可以看出，隨著刀具的切入，工件切削區(qū)的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)發(fā)生變化，網(wǎng)格也產(chǎn)生了較大的扭曲變形；當(dāng)加工進(jìn)入到穩(wěn)定狀態(tài)之后，切削層材料不斷地從工件上分離、卷曲，隨即排出到前刀面成為切屑，如圖2(c)和圖2(d)所示.

圖2　切屑形成過程

2.2應(yīng)力分析

圖3為切削速度為150m/min,刀具前角為15°時(shí)的切削應(yīng)力分布.由圖3(a)可以看出，在起始階段，工件在刀具的擠壓下，切削刃附近開始產(chǎn)生彈塑性變形并發(fā)生較大的應(yīng)力，此時(shí)該處的等效應(yīng)力為最大，切削刃處應(yīng)力場(chǎng)以該處為中心，向周圍擴(kuò)散.隨著切削的進(jìn)行，等效應(yīng)力場(chǎng)區(qū)域逐漸擴(kuò)大，并在切屑上開始形成狹長(zhǎng)的等效應(yīng)力集中帶.當(dāng)應(yīng)力集中帶突破切削層形成一個(gè)清晰的剪切帶(圖3(b))之后，工件在切削刃處的最大等效應(yīng)力面積逐步縮小，等效應(yīng)力也隨之減小，同時(shí)其應(yīng)力向剪切帶方向轉(zhuǎn)移(圖3(c)).如圖3(d)所示，當(dāng)切削進(jìn)入穩(wěn)態(tài)階段時(shí)，主剪切區(qū)發(fā)生極大的剪切變形，最大的等效應(yīng)力即在此區(qū)域.此外，由圖3還可以看出，越靠近切削區(qū)，應(yīng)力值越大，反之則越小.

圖3　工件及切屑上的等效應(yīng)力分布

2.3應(yīng)變分析

為研究工件在刀屑接觸面上的等效應(yīng)變規(guī)律(切削速度150m/min,刀具前角15°)，在切屑邊界上，從切削刃到刀屑分離處選取10個(gè)點(diǎn)，如圖4(a)所示.由圖4(b)可知，在切削開始階段(刀具位移分別為0.19、0.23、0.29mm)，由于工件越靠近切削刃發(fā)生的彈塑性變形越大，因此其應(yīng)變值越大，反之應(yīng)變值越小.在穩(wěn)態(tài)階段應(yīng)變值由P4點(diǎn)開始緩慢地上升至P7點(diǎn)(最大值為2.16)，應(yīng)變值經(jīng)過P7點(diǎn)之后緩慢地降低.這是因?yàn)樵诘谝蛔冃螀^(qū)域已變形的切屑在流出過程中，進(jìn)一步受到刀具前刀面的擠壓而發(fā)生第2次變形，使得切屑的應(yīng)變不斷增大.另外，應(yīng)變值在P7點(diǎn)達(dá)到最大值以后，因切屑即將離開前刀面，應(yīng)變得到松弛，因此由P7點(diǎn)開始出現(xiàn)應(yīng)變下降.此外，在切削開始至穩(wěn)定狀態(tài)階段，因切屑持續(xù)承受刀具前刀面的擠壓而發(fā)生變形，所以P5—P10點(diǎn)的應(yīng)變隨著切削時(shí)間的推移均不斷增大.

2.4切削力分析及刀具前角對(duì)切削力的影響

切削力主要來自于工件切削層材料與已加工表面層對(duì)彈塑性變形的抗力和刀具與切屑、刀具與工件表面間的摩擦力.圖5為切削速度為150m/min,刀具前角為15°時(shí)，主切削力隨時(shí)間的變化曲線.由圖可以看出：在切削的起始階段，隨著刀具的切入，因工件材料的彈塑性變形持續(xù)增大，刀具-切屑接觸長(zhǎng)度逐漸增加，因而摩擦力也不斷增大.當(dāng)切削進(jìn)入穩(wěn)態(tài)階段之后，切削力除了一些小的波動(dòng)外，基本保持穩(wěn)定.這是由于在穩(wěn)態(tài)階段，一方面刀具-切屑的接觸長(zhǎng)度基本不變，另一方面進(jìn)行切削仿真時(shí)因切削區(qū)域單元失效而重新進(jìn)行網(wǎng)格劃分所致.此外，對(duì)材料的性能而言，在切削加工過程中，由于工件材料的塑性變形導(dǎo)致材料硬化，這使得切削變?yōu)槔щy，切削力隨之上升；在切削被硬化的材料時(shí)，切削區(qū)域中產(chǎn)生的熱量持續(xù)增加，進(jìn)而促使材料出現(xiàn)熱軟化現(xiàn)象，使得切削力下降.

圖4　切屑邊界上的研究對(duì)象點(diǎn)的分布(a)及其10個(gè)不同點(diǎn)的等效應(yīng)變隨刀具位移的變化曲線(b)

圖5　切削力隨時(shí)間的變化

圖6為刀具前角分別為-5°、5°、15°、25°，切削速度為120m/min時(shí)切削力、刀具-切屑接觸長(zhǎng)度隨刀具前角的變化曲線.由圖可以看出，隨著刀具前角的增大，切削力逐漸減小.這是因?yàn)殡S著刀具前角的增大，切削刃隨之變得更加鋒利，易于切入工件，切削層變形減小.此外，由圖6中的虛線部分可以看出，刀具-切屑接觸長(zhǎng)度隨前角增大而變短，刀屑接觸面積隨之減小，使得摩擦力下降，進(jìn)而降低了切削力.

圖6　切削力、刀屑接觸長(zhǎng)度隨刀具前角的變化曲線

2.5切削溫度分析及切削速度對(duì)切削溫度的影響

圖7為當(dāng)切削速度為150m/min,刀具前角為15°，切削進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，工件和切屑溫度分布的等值線圖.由圖7可以看出，工件在切削刃附近存在很高的溫度梯度，最高切削溫度(554℃)出現(xiàn)在切削刃上方的刀具-切屑接觸面附近.這是因?yàn)楣ぜ谇邢魅袇^(qū)受到刀具的擠壓后發(fā)生強(qiáng)烈的塑性變形，致使該區(qū)域的溫度快速上升，使得帶有較高溫度的切削層以較高速度與前刀面發(fā)生摩擦，由此進(jìn)一步提高切屑底層的溫度.當(dāng)切屑即將離開前刀面時(shí)，由于切屑與前刀面之間形成較大間隙，切屑向周圍介質(zhì)不斷傳出熱量，因此沿著切屑流出方向，切屑底層溫度逐漸下降.與此同時(shí)，切屑內(nèi)部和工件也在傳導(dǎo)熱量，因而沿切屑厚度方向，離刀具-切屑接觸面越遠(yuǎn)溫度越低，而工件的已加工表面距切削刃越近溫度越高.

圖7　工件上的切削溫度分布

圖8為切削速度分別為60、120、240、360、480m/min，刀具前角為15°時(shí)，切削最高溫度、等效應(yīng)變速率隨切削速度的變化趨勢(shì).由圖8可知，隨著切削速度的增加，切削溫度隨之升高.由圖8中的虛線可知，提高切削速度，應(yīng)變速率加快，即工件變形速度加快，單位時(shí)間內(nèi)的工件變形量加大，進(jìn)而變形功也增大，產(chǎn)生的熱量增多，熱量的流失相對(duì)減少，因此熱效應(yīng)及溫度效應(yīng)越發(fā)突出；同時(shí)，因?yàn)榍行剂魉偌涌?，切屑與刀具前刀面發(fā)生激烈的摩擦而產(chǎn)生大量的切削熱，使得切削溫度升高.

圖8　切削溫度、等效應(yīng)變速率隨切削速度的變化

3結(jié)論

本文應(yīng)用有限元方法建立了42CrMo的正交切削有限元模型，并進(jìn)行了切削加工的仿真模擬.仿真結(jié)果表明：在42CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼切削加工過程中，在起始階段最大等效應(yīng)力分布在切削刃處；當(dāng)切削加工進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，最大等效應(yīng)力由切削刃處逐漸轉(zhuǎn)移到第一變形區(qū).同時(shí)切屑底層的應(yīng)變持續(xù)增加，當(dāng)切屑將要離開刀具前刀面時(shí)，應(yīng)變才得到松弛.在切削加工過程中，工件的最高

切削溫度位于切削刃上方的刀屑接觸面上，切削速度加快則切削溫度及等效應(yīng)變速率隨之上升；此外，切削力隨刀具前角增大而下降.本文在有限元分析過程中，對(duì)一些參數(shù)及模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，所得結(jié)果的精確度與實(shí)際切削加工雖然還存在一定的誤差，但本文方法對(duì)合金鋼等難加工材料的切削加工仍然具有很好的仿真預(yù)報(bào)功能.

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