高　棱，林華泰

（廣東工業(yè)大學(xué)，廣東廣州510006）

基于有限元仿真的陶瓷刀具切削難加工金屬的研究

高棱，林華泰

（廣東工業(yè)大學(xué)，廣東廣州510006）

基于Deform有限元分析軟件，選擇陶瓷材料刀具，對(duì)難加工金屬的切削過(guò)程實(shí)現(xiàn)了模擬分析，并研究在改變切削參數(shù)如進(jìn)給量、切削深度與切削速度的情況下，切削過(guò)程中的切削力、切削溫度的變化規(guī)律。仿真結(jié)果展示了切屑的形成過(guò)程，在各加工參數(shù)中，切削速度是影響切削溫度的最關(guān)鍵因素，切削深度對(duì)切削力產(chǎn)生較大影響。

有限元仿真；陶瓷刀具；難加工金屬；切削參數(shù)

隨著材料技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的高強(qiáng)度、高硬度的難加工材料相繼出現(xiàn)，硬質(zhì)合金刀具作為一種傳統(tǒng)的刀具在面對(duì)某些新型材料的加工時(shí)難以勝任，而陶瓷材料的刀具作為最具前景的刀具能夠滿足這些新型材料的加工要求。鈦合金材料屬于典型的難切削材料，具有強(qiáng)度高、熱強(qiáng)度高的特點(diǎn)，在機(jī)械加工的過(guò)程中有變形系數(shù)小、切削溫度高、加工表面硬化嚴(yán)重等特點(diǎn)，因而陶瓷刀具在這方面有非常大的發(fā)展前景［1］。

Deform是一套功能強(qiáng)大的工藝有限元仿真系統(tǒng)，可用于仿真分析金屬成型工藝和金屬熱處理工藝等。由計(jì)算機(jī)仿真模擬材料的加工過(guò)程，從而幫助研究人員了解產(chǎn)品加工流程，降低昂貴的實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)成本。Deform擁有強(qiáng)大的分析功能，可以對(duì)金屬成型過(guò)程中參與的多個(gè)物理場(chǎng)的耦合作用進(jìn)行分析，真實(shí)的反映模擬過(guò)程中的各種變化［2］。

本文以材料塑性變形為理論基礎(chǔ)，采用Deform有限元軟件為分析軟件，采用陶瓷刀具，選擇鈦合金材料作為工件切削材料，進(jìn)行了切削的有限元仿真。研究方法采用單因素實(shí)驗(yàn)方法，從而系統(tǒng)地分析切削過(guò)程的各切削參數(shù)，如切削速度等對(duì)切削性能的變化規(guī)律［3］。

1　有限元仿真的技術(shù)要點(diǎn)

1.1幾何模型以及刀具與工件材料的設(shè)置

利用SolidWorks繪制刀具的三維模型，并且令前角r=5°，后角a=5，刀尖的圓弧半徑r=3mm.打開(kāi)有限元軟件Deform的3D模塊，并且選擇Machining（cutting）選項(xiàng)，將提前繪制的刀具模型導(dǎo)入Deform的刀具模塊，由Deform生成相應(yīng)的工件模型。

Deform材料數(shù)據(jù)庫(kù)幾乎涵蓋了工業(yè)生產(chǎn)中所涉及到的大部分材料，因此本文選用Deform材料數(shù)據(jù)庫(kù)提供的材料。刀具材料由Deform加載SiC_reinforced_Al2O3陶瓷刀具材料，工件材料加載Ti5Al4V鈦合金金屬材料。

1.2材料的本構(gòu)關(guān)系

切削加工涉及了材料彈性形變、塑性應(yīng)變等復(fù)雜的過(guò)程，因此建立一個(gè)準(zhǔn)確反映材料加工過(guò)程特性的本構(gòu)關(guān)系是對(duì)切削仿真的準(zhǔn)確性具有重要的影響。本文采用了經(jīng)典的Johnson-Cook［4］模型，如公式1所示為該模型的公式：

其中，

δf為流動(dòng)應(yīng)力；

ε為等效塑性應(yīng)變；

ε./ε.0為等效塑性應(yīng)變速率；

T為工件瞬時(shí)溫度；

Tr為參考溫度；

Tm為工件熔化溫度。

A，B，C，m和n為材料本身的參數(shù)，分別為材料的初始屈服應(yīng)力、應(yīng)變強(qiáng)化系數(shù)、應(yīng)變速率強(qiáng)化系數(shù)、溫度軟化指數(shù)和應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù)。通過(guò)材料的實(shí)驗(yàn)或者切削實(shí)驗(yàn)方法可獲得材料的相關(guān)參數(shù)。本仿真實(shí)驗(yàn)中所選用的材料為T(mén)i-6Al-4V鈦合金材料，屬于典型難加工材料，公式（1）中所涉及的材料參數(shù)如下表1所示。

表1　仿真的工件材料的各個(gè)參數(shù)［4］

1.3切削分離模型

切削加工的過(guò)程中使加工材料產(chǎn)生分離，這一過(guò)程與一般的塑性成型不同。一個(gè)合理的分離模型需要準(zhǔn)確地反應(yīng)切削加工過(guò)程中的材料力學(xué)和物理性質(zhì)，才能獲得準(zhǔn)確真實(shí)的切削過(guò)程結(jié)果。本文選用Johnson-Cook［5］的材料斷裂分離準(zhǔn)則，其能夠較好地表達(dá)在不同的溫度的條件下，應(yīng)變、應(yīng)變量和應(yīng)力之間的關(guān)系。本文設(shè)定，當(dāng)某節(jié)點(diǎn)的拉伸應(yīng)力大于壓縮應(yīng)力的110%時(shí)，產(chǎn)生分離。

1.4摩擦模型

切削加工過(guò)程中的摩擦主要位于前刀面與切削接觸面上。刀與切屑的接觸區(qū)域通常分為粘性區(qū)域和滑動(dòng)區(qū)域［6］。粘性區(qū)域：接近刀尖位置，摩擦力大約等于切削工件時(shí)的剪切流動(dòng)應(yīng)力。滑動(dòng)區(qū)域：遠(yuǎn)離刀尖位置，摩擦力隨著正壓力的減小逐漸減小。由以上分析，摩擦力的公式如下所示：

其中，F(xiàn)、μ、δ、τ*s分別為摩擦力，摩擦系數(shù)、法向應(yīng)力及最大剪切流應(yīng)力，式中根據(jù)刀/屑間的摩擦應(yīng)力大小來(lái)確定是滑動(dòng)摩擦還是屬于粘性摩擦。設(shè)定材料的最大剪應(yīng)力為，其中δn為材料的屈服強(qiáng)度。

1.5熱傳導(dǎo)模型

三維非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)直角坐標(biāo)導(dǎo)熱控制方程［7］（考慮熱傳導(dǎo)率隨溫度變化）為：

式中，

K為熱傳導(dǎo)系數(shù)；

T為溫度；

ρ為材料密度；

c為熱容；

x、y和z是笛卡兒坐標(biāo)；

wx、wy、wz分別為運(yùn)動(dòng)熱源在x、y和z方向的速度分量；

q*為單位體積的熱產(chǎn)生率。

式中，

Wh為塑性變形功轉(zhuǎn)化為熱能的比率；

σ

ˉ為等效應(yīng)力；

ε為等效應(yīng)變速率；

J為熱功當(dāng)量系數(shù)。

2　仿真過(guò)程以及結(jié)果分析

如圖1所示為SiC晶須增韌Al2O3陶瓷刀具切削加工鈦合金金屬的仿真過(guò)程，由圖中可看出切屑的形成過(guò)程。模擬出的結(jié)果顯示，工件材料在刀具的切削下發(fā)生了一系列的變形過(guò)程，從切屑的形成，再到切屑的卷曲，再到切屑的脫離。

圖1　SiC晶須增韌Al2O3陶瓷刀具切削鈦合金金屬模擬圖

本文采用單一因素實(shí)驗(yàn)方法，設(shè)計(jì)的切削參數(shù)條件如表2所示。

表2　切削因素條件

由圖2可看出切削過(guò)程的力的變化，當(dāng)?shù)毒邉傞_(kāi)始接觸工件時(shí)，接觸區(qū)域首先發(fā)生彈性形變，其切削力呈正比的線性增加，刀具繼續(xù)前進(jìn)，工件材料超過(guò)彈性形變范圍開(kāi)始產(chǎn)生塑性變形，而當(dāng)?shù)度懈浇慕饘俨牧系募羟袘?yīng)力超過(guò)了材料的強(qiáng)度極限，開(kāi)始剝離，從圖中也可看出，切削力有一個(gè)明顯的突然下降的變化，這與材料剝離，接觸力突然下降相關(guān)。這是一個(gè)循環(huán)的過(guò)程，由圖可看出切削力在平衡值附近上下波動(dòng)。因此，切削力的大小與進(jìn)給量、切削深度和切削速度都相關(guān)。

圖2　切削參數(shù)ap＝0.5mm，f＝0.9mm/r，v＝90m/min時(shí)，切削力仿真結(jié)果

切削溫度是切削性能的重要的因素，當(dāng)切削溫度過(guò)高會(huì)使鈦合金產(chǎn)生表面金屬硬化，因此需要對(duì)切削溫度進(jìn)行分析。切削溫度的大小與進(jìn)給量、切削深度和切削速度都有關(guān)系。

如圖3、4、5所示為切削力F與切削溫度T在不同的f、ap、Vc的參數(shù)的變化下的曲線圖。

圖3　當(dāng)ap＝0.5mm，f＝0.5mm/r時(shí)，Vc對(duì)切削的影響

圖4　當(dāng)Vc＝100m/min，f＝0.5mm/r時(shí)，ap對(duì)切削的影響

圖5　當(dāng)Vc＝100m/min，ap＝0.5mm時(shí)，f對(duì)切削的影響

由圖3、圖4、圖5所示，在相同條件下，切削力隨切削深度和進(jìn)給量的增加而增加，相反的隨切削速度的增加而減小。另一方面，切削溫度隨著切削速度、進(jìn)給量、背吃刀量的增加而增加，但增加的影響量各不一致。如表3、4、5所示為切削力和切削溫度在切削速度、背吃刀量和進(jìn)給量的數(shù)據(jù)分析。

表3　當(dāng)ap＝0.5mm，f＝0.5mm/r時(shí)，Vc對(duì)切削的影響

表4　當(dāng)Vc＝100m/min，f＝0.5mm/r時(shí)，ap對(duì)切削的影響

表5　當(dāng)Vc＝100m/min，ap＝0.5mm時(shí)，f對(duì)切削的影響

由表3、4、5的數(shù)據(jù)分析，同時(shí)結(jié)合切削原理，對(duì)切削性能的影響因素進(jìn)行分析，有以下結(jié)論：

（1）隨著切削速度的增加，切削力有減小的趨勢(shì)，這是由于當(dāng)切削速度的增加時(shí)，積屑瘤高度增大，使車(chē)刀的實(shí)際前角增大，從而切削力減小；

（2）切削力隨背吃刀量和進(jìn)給量的增加而增加，這是因?yàn)闊o(wú)論增加背吃刀量還是進(jìn)給量都會(huì)增加切削面積，從而增大阻力，切削力也隨著增加。由數(shù)據(jù)表格可以看出，顯然切削力受切削深度影響最大，平均增長(zhǎng)率為131%，這是因?yàn)閍p對(duì)切屑的變形系數(shù)沒(méi)有影響，所以ap增大時(shí)切削力按正比增大；而f增大時(shí)，切屑的變形系數(shù)略有下降，切削力的增大與f不成正比關(guān)系。因此為提高金屬切削率，增大f比增大ap更有利。

（3）由以上幾個(gè)表格可以看出，對(duì)切削溫度影響最大的是切削速度，平均增長(zhǎng)率為12.4%，這是因?yàn)榍邢魉俣仍礁?，單位時(shí)間做功越多，產(chǎn)生的熱量越多，且切屑的剝離速度也越快，從而熱量不能及時(shí)的傳遞到工件與刀具上，導(dǎo)致了切削的溫度越高。

（4）隨著進(jìn)給量的增加，切削溫度也提高，使得變形系數(shù)減小，反而降低了單位切除量的功率，另外一方面刀具與切屑之間的接觸長(zhǎng)度也增加，進(jìn)一步增大了熱量的傳遞面積，因此進(jìn)給量的影響對(duì)切削溫度的影響較小。

（5）隨著背吃刀量增加，切削溫度也隨之提高，但其增加的幅度較小。這是由于背吃刀量的增加加長(zhǎng)了切削刃的接觸長(zhǎng)度，從而更有助于散熱，因此背吃刀量對(duì)切削溫度的影響也較小。

3　結(jié)束語(yǔ)

有限元分析技術(shù)的應(yīng)用有助于分析復(fù)雜的切削過(guò)程，從而幫助研究人員了解不同切削參數(shù)對(duì)切削性能的影響異同。由以上的分析可知，在陶瓷刀具切削Ti合金的過(guò)程中，對(duì)切削力的大小的影響最大的是切削深度，其次是進(jìn)給量，且當(dāng)切削速度增加時(shí)，切削力減?。粚?duì)切削溫度的大小影響最大的是切削速度，影響最小的是進(jìn)給量。

［1］王寶友，崔麗華，黃傳真，等．兩類(lèi)陶瓷刀具的現(xiàn)狀、性能與應(yīng)用［J］.陶瓷學(xué)報(bào)，2001，22（1）：48-52.

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Use of Finite Element Simulation to Study the Difficult Machining Metals via Ceram ic Cutting Tool

GAO Leng，LIN Hua-tai
（Guangdong University of Technology，Guangzhou Guangdong 510006，China）

This paper provides the simulation analysis of cutting metal with difficult machining nature through Deform Finite Element Analysis（DFEA）software that describes the influences of different parameters as feed rate，cutting depth，and cutting speed on the cutting force and cutting temperature.The results of simulation show that the cutting formation process and strongly suggest that cutting rate to be the key factor influence cutting temperature，while the cutting force is affected by cutting depth.

finite element simulation；ceramic tool；hard machiningmetal；cutting parameters

TG711

A

1672-545X（2016）05-0137-03

2016-02-02

高棱（1990-），男，廣東揭陽(yáng)人，在讀碩士，研究方向：機(jī)械加工技術(shù)與仿真技術(shù)。