齊 康，閆 昊，陳祥瑤

(1.臨沂市農(nóng)業(yè)學(xué)校,山東 臨沂 276600； 2.魯南技師學(xué)院,山東 臨沂 276000; 3.臨沂市技師學(xué)院，山東 臨沂 276000)

0 引言

切削過(guò)程是一個(gè)刀具和工件相互作用的復(fù)雜工藝過(guò)程，在此過(guò)程中涉及到彈性形變、塑性形變、摩擦等因素，切削的質(zhì)量受到諸如刀具形狀、切屑流動(dòng)、溫度分布等因素的影響，利用傳統(tǒng)的解析方法很難對(duì)切削機(jī)理進(jìn)行定性和定量的分析[1]。計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展使得利用有限元分析軟件來(lái)研究切削過(guò)程以及各種物理參數(shù)之間的關(guān)系成為可能。ABAQUS是一種大型有限元分析通用軟件，在處理彈塑性大變形及與溫度有關(guān)的材料性能等非線性問(wèn)題上有著它獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。本文基于材料形變的彈塑性理論，采用剪切失效和單元?jiǎng)h除方法作為切屑分離準(zhǔn)則，利用ABAQUS有限元軟件，對(duì)不同摩擦狀態(tài)下的切削過(guò)程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和仿真，并對(duì)切削過(guò)程中的切削力、切屑形狀和應(yīng)力分布進(jìn)行了分析。

1 基本理論與切削模型的建立

1.1 基本假設(shè)

利用ABAQUS有限元軟件分析時(shí)的基本假設(shè)如下：①切削模型中的刀具是剛體且鋒利；②被加工對(duì)象的材料是各向同性的；③不考慮刀具和工件在切削過(guò)程中的振動(dòng)；④在切削過(guò)程中，切削厚度不變，采用平面應(yīng)變來(lái)分析。

1.2 摩擦模型的建立

采用剪切-滑移摩擦模型來(lái)描述刀具與工件相接處面的摩擦狀態(tài)，剪切應(yīng)力的計(jì)算公式為：

(1)

其中：τmax為極限剪切應(yīng)力；μ為滑移區(qū)的摩擦因數(shù)；σn為接觸正應(yīng)力。

根據(jù)工件-刀具接觸處摩擦狀態(tài)的不同，分為如表1所示的幾種摩擦情況。

1.3 建立切削材料本構(gòu)模型

本文研究的2A12鋁合金材料在高速切削狀態(tài)下很短時(shí)間就會(huì)發(fā)生彈塑性變形，并伴隨著高溫、高應(yīng)力和應(yīng)變等現(xiàn)象[2]，可以采用Johnson-Cook模型綜合考慮應(yīng)變、應(yīng)變率、熱軟化等因素對(duì)工件的影響，其本構(gòu)模型可以表達(dá)為：

(2)

表1 工件-刀具接觸處的不同摩擦情況

2A12鋁合金材料的本構(gòu)模型參數(shù)值見表2 。

表2 2A12鋁合金的材料本構(gòu)模型參數(shù)值

1.4 切屑分離準(zhǔn)則

本文采用Johnson-Cook剪切失效損傷演化模型作為切削材料損傷的準(zhǔn)則[3]，當(dāng)材料的失效參數(shù)大于1時(shí)，材料失效；當(dāng)所有積分材料都失效時(shí)，該單元從網(wǎng)格中脫離。時(shí)效參數(shù)ω的表達(dá)式為：

(3)

(4)

1.5 建立有限元模型

圖1為利用ABAQUS軟件模擬二維工件與刀具建立的正交切削模型，工件尺寸設(shè)置為5 mm×4 mm,刀具材料為硬質(zhì)合金。由于刀具的硬度遠(yuǎn)比工件硬度高，因此在建模時(shí)把刀具看成剛體，刀具的前角為10°、后角為9°，刀具的進(jìn)給速度為0.25 mm/r、切削深度為0.3 mm、切削長(zhǎng)度為5 mm。在加工開始之前，需要對(duì)工件進(jìn)行約束，根據(jù)實(shí)際加工約束狀態(tài)，在ABAQUS軟件模型中限制工件在X方向和Y方向的移動(dòng)。

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 等效應(yīng)力及切屑情況分析

分析得到了不同摩擦因數(shù)情況下的等效應(yīng)力云圖， 如圖2所示。

圖1 工件與刀具二維正交切削模型

圖2 不同摩擦因數(shù)情況下的等效應(yīng)力云圖

由圖2可知：等效應(yīng)力主要集中在刀尖和第一變形區(qū)，工件材料在第一變形區(qū)受到嚴(yán)重的塑性變形，從而形成切屑，塑性流動(dòng)在切屑的起始部分達(dá)到最大值，且向兩邊逐漸減少；在切削過(guò)程中，當(dāng)?shù)毒?工件處于干摩擦和有潤(rùn)滑狀態(tài)時(shí)(圖2(a)～圖2(c))，工件的切屑呈現(xiàn)崩碎狀，這種切屑容易飛濺傷人并產(chǎn)生微振現(xiàn)象，造成刀具切削刃負(fù)荷過(guò)大，影響刀具使用壽命；當(dāng)工件-刀具接觸區(qū)處于較好潤(rùn)滑狀態(tài)時(shí)(圖2(d))，工件的斷屑呈現(xiàn)C形，這種斷屑不會(huì)纏繞在工件或刀具上，一般不會(huì)傷人，是粗車中比較理想的斷屑，良好的潤(rùn)滑有助于改善切削環(huán)境，增加刀具的使用壽命。

2.2 不同摩擦因數(shù)對(duì)切削力的影響

圖3為不同摩擦因數(shù)情況下的切削力變化曲線。由圖3可知：在切削過(guò)程中，切削力迅速由零增大到某一數(shù)值，并在切削過(guò)程中有一定的振動(dòng)，這說(shuō)明在切削起始階段，工件主要發(fā)生彈性變形，刀具對(duì)工件的作用力逐漸變大，隨后進(jìn)入塑性切削，切削力有所下降，材料軟化并脫離工件；隨著摩擦因數(shù)的降低，切削力明顯減小 ；干摩擦情況下，切削力最大，當(dāng)在有潤(rùn)滑狀態(tài)時(shí)，切削力有所下降，在良好潤(rùn)滑狀態(tài)下，加工過(guò)程中的切削力最低?？傊谇邢鬟^(guò)程中，如果工件-刀具的接觸表面處于良好潤(rùn)滑的狀態(tài)，切削力會(huì)大大降低。

3 結(jié)語(yǔ)

本文利用有限元軟件ABAQUS，采用高速變形條件的Johnson-Cook材料模型和斷裂準(zhǔn)則，模擬刀具切削2A12硬鋁的切削過(guò)程。得到了工件-刀具在不同摩擦狀態(tài)下對(duì)切屑形成、等效應(yīng)力分布和切削力的影響，當(dāng)處于良好潤(rùn)滑狀態(tài)時(shí)，刀具的切削力會(huì)大大降低，切屑會(huì)得到良好的改善。本文的研究為機(jī)械加工過(guò)程中采用合理切削液，保證工件-刀具接觸處的良好摩擦狀態(tài)提供了借鑒和參考。

圖3 不同摩擦因數(shù)情況下的切削力變化曲線

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉加富,張洪才.基于ABAQUS的二維金屬切削有限元分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2006(10): 68- 70.

[2] 艾興.高速切削加工技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,2003.

[3] Zorev N N.Inter-relationship between shear processes occurring along tool face and shear plane in metal cutting[C]//International Research in Production Engineering.New York:ASME,1963:42-49.