陳卓

[摘要]Deform-3D是一套基于工藝模擬系統(tǒng)的有限元仿真（FEM）軟件，是模擬3D材料流動(dòng)的理想工具。它不僅魯棒性好，而且易于使用。借助于該模擬分析環(huán)境，能夠?qū)η邢鬟^程中切削條件以及加工過程中的其他因素產(chǎn)生的影響進(jìn)行研究。應(yīng)用DEFORM-3D自帶的切削仿真模型，分析加工過程中工件對(duì)不同刀具的影響，以及對(duì)切削力、切削溫度、切削應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行分析。模擬結(jié)果對(duì)減少產(chǎn)品試驗(yàn)、降低開發(fā)成本、縮短開發(fā)新產(chǎn)品及新工藝的時(shí)間等方面都具有重大意義。

[關(guān)鍵詞]車削；Deform-3D；切削力；切削溫度；切削參數(shù)

0引言

金屬切削過程是一個(gè)非常復(fù)雜的工藝過程，它涉及到彈性力學(xué)、塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)、熱力學(xué)、摩擦學(xué)等多個(gè)學(xué)科，刀具形狀，溫度分布、刀具磨損等因素都會(huì)對(duì)切削過程產(chǎn)生重要影響。因此利用傳統(tǒng)的解析方法，很難對(duì)切削過程進(jìn)行分析和研究，但隨著現(xiàn)代制造技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的不斷進(jìn)步，出現(xiàn)了很多針對(duì)金屬切削過程進(jìn)行數(shù)值模擬和仿真的軟件，如DEFORM、ANSYS、ABAQUS等等，為金屬切削過程仿真提供了非常有效的方法和技術(shù)手段。本文選擇三維有限元軟件DEFORM，以硬質(zhì)合金刀具切削鈦合金TC4作為研究對(duì)象，對(duì)切削過程進(jìn)行仿真，利用控制變量的方法得出了刀片在不同切削參數(shù)下的切削力、切削溫度、以及切削應(yīng)力的影響。

1有限元模型的建立

1.1幾何模型及仿真參數(shù)設(shè)置

使用有限元分析軟件DEFORM-3D模擬分析車削鈦合金的加工過程，應(yīng)用DEFORM-3D中的Machining（Cutting）模塊進(jìn)行建模。建立的切削模型如圖1所示。本分析中是直接從Deform封裝的刀片庫(kù)中選取刀片，所選取的刀片代號(hào)是CNMA432。模擬過程中關(guān)于網(wǎng)格劃分方面，DEFORM-3D提供了兩種網(wǎng)格劃分方式，分別為相對(duì)網(wǎng)格劃分方式和絕對(duì)網(wǎng)格劃分方式。本文中工件采用的是絕對(duì)網(wǎng)格類型，最大網(wǎng)格單元尺寸和最小網(wǎng)格單元尺寸之比為7。刀具采用的是相對(duì)網(wǎng)格類型，其單元數(shù)為35000。在模擬仿真中，參數(shù)的設(shè)置分別為：切削速度為別為80、100、120m/min。進(jìn)給量分別為0.05、0.1、0.15mm/r，背吃刀量分別為0，3、0，6、1mm。

1.2材料模型的建立

DEFORM-3D自帶豐富的材料庫(kù)，并且還可以根據(jù)需要添加自定義材料。仿真中使用的材料流動(dòng)應(yīng)力數(shù)據(jù)必須真實(shí)地反映高應(yīng)變率、高溫和大應(yīng)變下的材料本構(gòu)行為，目前對(duì)于材料在切削狀況下本構(gòu)關(guān)系的研究并不多，并且很多研究都基于已有的材料本構(gòu)模型來展開，因此只能在一定程度上反映切削模型的真實(shí)性。美國(guó)Ohio州立大學(xué)已經(jīng)開始著手建立切削模型材料數(shù)據(jù)庫(kù)，其部分材料本構(gòu)模型已經(jīng)封裝到Deform材料庫(kù)中，本文中使用的工件材料就是封裝到Deform材料庫(kù)中的Ti-6AI-4V，選取的材料基本達(dá)到了現(xiàn)實(shí)切削過程的材料性能條件。

2仿真結(jié)果與分析

切削力是車削加工中重要現(xiàn)象之一，切削力直接決定著切削熱的產(chǎn)生，并影響刀具磨損、破損、使用壽命、加工精度等。在實(shí)際車削過程中，被切削層金屬、切削和已加工表面層金屬產(chǎn)生彈性變形和塑性變形，切削力增大，隨著車削過程的進(jìn)行將會(huì)在刀刃產(chǎn)生應(yīng)力集中，這樣就是在刀刃附近的金屬剪應(yīng)力超過材料的強(qiáng)度極限，材料就會(huì)被剝離，隨后切削力會(huì)減小。此過程周而復(fù)始，因此車削過程中切削力會(huì)在平衡值附近振蕩，如圖2所示。圖2為切削速度100m/min，切削深度為0.3mm，進(jìn)給量為0.1m/r時(shí)的切削力變化曲線圖。

切削溫度是影響金屬切削過程的又一重要物理現(xiàn)象，切削過程中克服切削力所消耗的能量90%以上轉(zhuǎn)換為熱量，這樣就使切削區(qū)溫度升高，影響刀具磨損和試用壽命。所有研究切削過程中切削溫度的產(chǎn)生和變化規(guī)律對(duì)實(shí)際生產(chǎn)有重要的意義。圖3所示為切削速度100m/min，切削深度為0.3mm，進(jìn)給量為0.1m/r時(shí)工件的切削溫度條形圖。

2.1切削速度對(duì)切削力和切削溫度的影響

保持切削深度0.3mm，進(jìn)給量為0.1mm/r不變，采用deform對(duì)切削速度分別為80m/min、100m/min、120m/min時(shí)的切削過程進(jìn)行仿真研究。根據(jù)仿真結(jié)果得出的各切削力值和切削溫度值，繪制的不同切削速度下切削力和切削溫度的變化曲線圖如圖4所示。

2.2切削深度對(duì)切削力和切削溫度的影響

保持切削速度100m/min，進(jìn)給量為0.1 m/r不變，采用deform對(duì)切削深度分別為0.3mm、0.6mm、1mm時(shí)的切削過程進(jìn)行仿真研究。根據(jù)仿真結(jié)果得出的各切削力值和切削溫度值，繪制的不同切削深度下切削力和切削溫度的變化曲線圖如圖5所示。

2.3進(jìn)給量對(duì)切削力的影響

保持切削速度100m/min，切削深度0.6mm不變，采用deform對(duì)進(jìn)給量分別為0.05m/r、0.1m/r，0.15m/r時(shí)的切削過程進(jìn)行仿真研究。根據(jù)仿真結(jié)果得出的各切削力值和切削溫度值，繪制的不同進(jìn)給量下切削力和切削溫度的變化曲線圖如圖6所示。

根據(jù)以上分析，刀具車削鈦合金時(shí)，切削深度對(duì)切削力的影響是最大的，其次是進(jìn)給量，最后才是切削速度。因此在選擇切削參數(shù)時(shí)，要得到較高的切削效率，并且保證系統(tǒng)的剛性，可以選擇較高的切削速度，再選擇進(jìn)給量，最后根據(jù)加工要求選擇背吃刀量?？梢钥闯銮邢魉俣取⑦M(jìn)給量和背吃刀量對(duì)切削溫度都有影響。不同的是背吃刀量對(duì)切削溫度的影響是最小的，其次是進(jìn)給量，影響最大的是切削速度。從切削溫度的來源方面看影響切削溫度主要是因?yàn)椋旱毒咔邢鞑牧蠒r(shí)切削層金屬發(fā)生的彈性變形和塑性變形，切屑與前刀面、工件和后刀面間的消耗摩擦功也將轉(zhuǎn)化為熱能。切削速度的增加加劇了切削層與刀具之間的摩擦，并且隨著切削速度的增大，單位時(shí)間內(nèi)金屬的切除量增多所消耗的功增加，這些都能使切削溫度上升。當(dāng)增加背吃刀量時(shí)，雖然切削材料的量和切削力增大了但相應(yīng)的切削刃工作長(zhǎng)度也增加了，切削刃的工作長(zhǎng)度的增加有利于散熱。隨著進(jìn)給量的增加，單位時(shí)間內(nèi)金屬的切除量增加，切削溫度也隨著上升：但進(jìn)給量的增加也使得切削厚度增大，切削厚度的增大改善了散熱條件，所以進(jìn)給量對(duì)切削溫度的影響沒有切削速度大。

3結(jié)語

本文通過使用DEFORM有限元分析軟件對(duì)車削鈦合金過程進(jìn)行了模擬分析。采用控制變量法，通過改變切削速度、切削深度和進(jìn)給量，研究三者對(duì)切削力及切削溫度的影響，得到的結(jié)論有：對(duì)切削力影響最大的是切削深度，其次是進(jìn)給量。影響最小的是切削速度；并且切削力的大小隨著背吃刀量的增加而線性遞增：對(duì)切削溫度的影響最大的是切削速度，進(jìn)給量次之，背吃刀量影響最小。

[責(zé)任編輯：張濤]