鄧蓉 肖雄 劉雁峰 周浩嵐 涂吉強(qiáng)

摘? 要：基于Abaqus有限元分析軟件，建立二維熱-力耦合切削有限元模型，使用Abaqus中Johnson-Cook本構(gòu)模型和網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)來模擬類堆焊層的切削仿真過程。采用方差等數(shù)學(xué)分析方法，通過確定刀具形狀、進(jìn)給量等工藝因素，研究背吃刀量對切削溫度、切削力和進(jìn)給力的影響規(guī)律，得出一組較合理的切削參數(shù)。

關(guān)鍵詞：Abaqus;切削力;堆焊層;切削仿真

中圖分類號：TG506? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）02-0122-05

Abstract：Based on Abaqus finite element analysis software，a two dimensional finite element model of heat-force coupled cutting was established，and Johnson-Cook constitutive model and mesh adaptive technology in Abaqus were used to simulate the cutting simulation process of similar surfacing layer. By using awesome mathematical analysis method and so on，the influence factors of cutting tool feed on cutting temperature，cutting force and feed force were determined by determining the technological factors such as tool shape and feed rate. A set of reasonable cutting parameters was obtained.

Keywords：Abaqus;cutting force;surfacing layer;cutting simulation

0? 引? 言

再制造在各個領(lǐng)域中一直都有被廣泛的研究和應(yīng)用，隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式的轉(zhuǎn)型、生態(tài)文明建設(shè)步伐的加快，近些年來，再制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展迎來了新的機(jī)遇。其中堆焊技術(shù)成為了可持續(xù)發(fā)展的重要支撐技術(shù)之一。我國的堆焊技術(shù)起源于20世紀(jì)50年代末，在各種修復(fù)技術(shù)中，堆焊技術(shù)既是延長零件和材料使用壽命的工藝方法，又是比較可靠、理想的再制造技術(shù)[1]。但在堆焊技術(shù)中，難以進(jìn)行切削加工的堆焊層材料會造成切削加工性變差，嚴(yán)重遏制堆焊修復(fù)工藝的廣泛應(yīng)用與發(fā)展。為解決這一難題，我國在堆焊層切削方面做出了不少的研究。吳志遠(yuǎn)等[2]對洛氏硬度為HRC30和HRC45的兩種高性能硬質(zhì)合金YG610堆焊層進(jìn)行了切削三要素的正交試驗，結(jié)果表明切削三要素對刀具切削里程的影響幅度依次減小。王艷鵬[3]對柱塞表面堆焊2Cr13不銹鋼的加工進(jìn)行工藝研究，總結(jié)出切削加工中注意的要點(diǎn)，為以后提高加工質(zhì)量提供參考。李崇智[4]探討了司太立和金堆焊輥加工的綠色制造工藝——硬車削，針對硬態(tài)切削的特點(diǎn)，確定了適合司太立合金堆焊輥粗加工的刀具，設(shè)計了專門的精車刀具并制定了相關(guān)的切削參數(shù)，并進(jìn)行了現(xiàn)場加工驗證。但由于傳統(tǒng)的切削實驗會消耗過多的人力、物力和財力，且實驗具有實時性和普適性，使得越來越多的研究工作者使用Abaqus等有限元軟件進(jìn)行切削仿真。榮志剛等[5]使用Abaqus有限元軟件對45鋼進(jìn)行切削仿真分析，將所得結(jié)果與實際情況進(jìn)行分析，在優(yōu)化車削精度上具有一定的意義。姚煬等[6]利用Deform-3D有限元仿真軟件進(jìn)行PCD刀具高速車削高強(qiáng)鋁合金的切削力仿真，利用刀具參數(shù)單因素試驗仿真的方法研究了刀具參數(shù)對切削力的影響規(guī)律及其機(jī)理，研究結(jié)果為PCD刀具高速車削高強(qiáng)鋁合金工藝參數(shù)的優(yōu)選提供了理論依據(jù)。

Abaqus等有限元軟件可實現(xiàn)對參數(shù)如溫度、應(yīng)變、應(yīng)力、變形等數(shù)值的可視化，對減少材料浪費(fèi)、優(yōu)化生產(chǎn)工藝、提高生產(chǎn)效率有著重要的影響。本文使用Abaqus有限元軟件模擬45號鋼堆焊層切削過程，切削仿真碳鋼堆焊層內(nèi)部硬度的不均勻引起的變化，利用方差等數(shù)學(xué)分析方法對其切削仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出最適合切削中碳鋼堆焊層的切削用量。

1? Abaqus削仿真模型的建立

1.1? 建模

如圖1所示，采用Abaqus有限元分析軟件建立二維熱-力耦合切削有限元模型。選擇可變形殼體，建立長為0.02 m，高為0.01 m的工件模型。切削加工過程中，可以通過建立解析剛體刀具模型，達(dá)到切削過程中刀具不發(fā)生變型的效果，刀具前角γ0=15°，后角α0=7°[7]。

1.2? 材料定義

金屬切削過程是一個大應(yīng)變、大應(yīng)變率、高溫，并發(fā)生彈塑性流動的過程。切削仿真結(jié)果的可靠性、穩(wěn)定性會受材料本構(gòu)模型的直接影響，建立合理的材料本構(gòu)模型，是實現(xiàn)模擬分析的關(guān)鍵[8]。

因切屑形態(tài)的演化會對切削力產(chǎn)生一定的影響，Johnson-Cook本構(gòu)模型地使用能夠反映出切削過程中各方面因素產(chǎn)生的結(jié)果，描述出工件材料在不同的切削狀態(tài)過程中所呈現(xiàn)的熱粘塑性變形行為[9]。45號鋼工件和堆焊層的材料參數(shù)如表1所示。

Johnson-Cook本構(gòu)模型的表達(dá)式為：

其中T*為無量綱溫度，Tr和Tm分別為參考溫度和材料的熔點(diǎn)，T為單元溫度，為無量綱塑性應(yīng)變率，εeq為等效塑性應(yīng)變， 為等效速率參考值， 為等效塑性應(yīng)變率，C、n、m為材料的特性系數(shù)，A為材料的屈服應(yīng)力，B為應(yīng)變變化常數(shù)，σ為流動應(yīng)力[10]。

Johnson-Cook函數(shù)數(shù)據(jù)如表2所示[11]。

在網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)中，自適應(yīng)網(wǎng)格允許單元網(wǎng)格獨(dú)立于材料移動[9]，從而能采用對不同網(wǎng)格賦予不同材料屬性的方式模擬類堆焊層，且在使材料發(fā)生大變形時仍然能夠保證網(wǎng)格的質(zhì)量。如圖2所示，本文使用Abaqus中的集功能，隨機(jī)選取網(wǎng)格并建立單元類型的集，在材料屬性中給集賦予堆焊層的材料數(shù)據(jù)，以模擬創(chuàng)建類堆焊層。

1.3? 仿真相關(guān)參數(shù)

本文參考了趙永娟等[12]對切削速度、進(jìn)給量的研究，采用控制變量法確定了切削用量的數(shù)據(jù)如表3所示。

摩擦系數(shù)是影響切削力的重要因素，只用通過正應(yīng)力摩擦因素模型選擇不同的摩擦系數(shù)進(jìn)行反復(fù)地實驗仿真，得到與經(jīng)驗值相吻合的數(shù)值，才能使切削仿真變得更加真實，通過參考榮志剛等[5]對車削過程的有限元模擬及分析的研究定下摩擦系數(shù)為0.3，其他默認(rèn)即可。

2? 仿真結(jié)果分析

2.1? 有無堆焊層的切削仿真分析

2.1.1? 切屑分析

圖3（a）為無堆焊層的45號鋼切削過程熱力耦合圖，是典型的帶狀切屑。如圖3（a）所示，刀具擠壓工件使其發(fā)生彈性變形，工件應(yīng)力增大產(chǎn)生塑性變形滑移，第一變形區(qū)由于刀具的擠壓產(chǎn)生較大的剪切應(yīng)力，使得金屬層被擠裂形成帶狀切屑。刀具在切向工件地過程中，刀具的前刀面與切屑之間產(chǎn)生較大的壓力，在切削表面會產(chǎn)生較大的摩擦力。因此次切削過程是由有限元軟件仿真出來的，第三變形區(qū)不會出現(xiàn)明顯的回彈現(xiàn)象，但會在已加工表面顯示出殘余應(yīng)力。

圖3（b）為有堆焊層的45號鋼切削過程熱力耦合圖。如圖3（b）所示，刀具在切向工件的過程中，由于堆焊層內(nèi)部硬度不均勻，工件內(nèi)部的雜質(zhì)由于受到擠壓力的作用顏色已經(jīng)變紅。由于雜質(zhì)的存在，切屑彎曲變形處出現(xiàn)切屑部分崩落，且崩落部位均為有雜質(zhì)處，而切屑內(nèi)部也出現(xiàn)了部分崩壞，整段切屑受力不均，在已加工表面也顯示出雜質(zhì)處的殘余應(yīng)力要大于均勻部分的殘余應(yīng)力。這樣會導(dǎo)致切削力波動較大，極易產(chǎn)生刀具的非正常磨損。

圖中Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三條曲線依次代表的功能區(qū)是第一變形區(qū)、第二變形區(qū)和第三變形區(qū)。

2.1.2? 切削力結(jié)果分析

如圖4所示，切削力的波動范圍基本相同。其中圖形表明有堆焊層的切削力要比無堆焊層的切削力波動幅度較大。刀具在切削時，需要克服切削力的主要來源，即工件的變形抗力以及刀具與工件、刀具與切屑的摩擦力，其中變形抗力包括了彈性變形和塑性變形。因為堆焊層材料剛度和硬度均比45號鋼的剛度和硬度要高，所以45號鋼的材料變形抗力要比有堆焊層時的變形抗力要小，在無堆焊層時切削表現(xiàn)得更加穩(wěn)定;但是在有堆焊層的工件中，刀具切削時會產(chǎn)生更大的彈性、塑性變形抗力，點(diǎn)狀分布的堆焊層使切削力的波動更加劇烈。

由上述仿真結(jié)果分析可知，當(dāng)切削力一旦變得不穩(wěn)定時，就會導(dǎo)致力的波動幅度增大，引起刀具的磨損量增加。而當(dāng)力的波動幅度超過臨界值，過于劇烈時，會對刀具造成沖擊，有可能使刀具在切削過程中直接發(fā)生崩刃，極大地降低了刀具的壽命。因此，我們在實際中切削帶有堆焊層的材料時應(yīng)盡量選擇減少背吃刀量，同時有效減少切削力，降低切削力的波動幅度。

2.2? 堆焊層切削力結(jié)果分析

2.2.1? 切削力結(jié)果分析

在切削過程中，背吃刀量、進(jìn)給量和切削速度都會影響切削力大小，但背吃刀量的影響大于進(jìn)給量和切削速度[6]。把背吃刀量對切削變形和切削區(qū)散熱效果基本不會產(chǎn)生影響作為前提，當(dāng)背吃刀量產(chǎn)生變化時，單位切削力與單位體積單位體積散熱量幾乎不會產(chǎn)生任何變動[13]。所以在實際生產(chǎn)加工時，需要考慮在各種常規(guī)客觀因素的局限下應(yīng)選擇合適的背吃刀量來進(jìn)行切削加工。

如圖5所示，在保持切削速度和進(jìn)給量不變的情況下，隨著背吃刀量地增加，切削力在增大的同時波動幅度也越來越大。如表4所示數(shù)據(jù)，通過使用方差公式（4），為：

S2為數(shù)據(jù)的方差，xn為數(shù)據(jù)，x為平均值，n為樣本容量。

利用方差等數(shù)學(xué)分析方法分析可知：在v=600 m/min、f=0.12 mm的情況下，選用ap=0.1 mm的切削力波動情況最穩(wěn)定。

綜上可知：切削力波動大，在波動的變化中，切削力和切削熱都集中在刃口附近，而切削溫度上升、切削力增大都使刀具刃口極易磨損和崩落。

2.2.2? 進(jìn)給力結(jié)果分析

進(jìn)給力是在切削時在進(jìn)給方向上工件給刀具地進(jìn)給的一個抗力。如圖6所示，隨著背吃刀量的增加，進(jìn)給力的波動情況越來越劇烈、波動范圍越來越大，進(jìn)給力的大小幾乎呈2倍增加，但始終在0N上下范圍內(nèi)波動。見表5，通過使用方差等數(shù)學(xué)分析方法可得：在v=600 m/min、f=0.12 mm的情況下，選用ap=0.1 mm的進(jìn)給力波動情況最穩(wěn)定。

綜上可知：當(dāng)背吃刀量增大時，工件給刀具的進(jìn)給抗力也會隨之而增大，隨著背吃刀量的增加，進(jìn)給力的波動幅度也會增大。但與切削力相比，背吃刀量對進(jìn)給力的影響要小得多。

2.2.3? 溫度場分析

在v=600 m/min、f=0.12 mm不變的情況下，分別對背吃刀量為0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm的切削進(jìn)行仿真實驗，實驗的溫度場和熱傳導(dǎo)圖的仿真結(jié)果如圖7所示。

見圖7，工件的切削溫度隨背吃刀量的增大而不斷提高。圖7（a）表示背吃刀量為0.1 mm時，最高的切削溫度為660.0 ℃，圖7（b）表示背吃刀量為0.2 mm時，最高的切削溫度為661.3 ℃，圖7（c）表示背吃刀量為0.3 mm時，最高的切削溫度為663.0 ℃，圖7（d）表示背吃刀量為0.1 mm時，最高的切削溫度為665.9 ℃，圖7（e）表示背吃刀量為0.5 mm時，最高的切削溫度為681.3 ℃。

通過圖8可以看出，當(dāng)背吃刀量在0.4 mm～0.5 mm時，工件切削區(qū)域的溫度最大值變化幅度為2.3%，變化幅度最大。說明當(dāng)背吃刀量超過0.4 mm時，工件切削區(qū)域的最高溫度急劇增大，對刀具的影響較大。當(dāng)背吃刀量小于0.4 mm時，工件切削區(qū)域最高溫度增大的較為平緩，對刀具的影響較小。

3? 結(jié)? 論

本項目使用了Abaqus有限元分析軟件對45號鋼堆焊層進(jìn)行切削仿真，對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析之后得出了相關(guān)結(jié)論。

（1）有堆焊層的45號鋼比無堆焊層的45號鋼的切削力的波動情況要劇烈，但切削力的波動范圍相差不大。

（2）在保持切削速度和進(jìn)給量不變的情況下，隨著背吃刀量地增加，切削力和進(jìn)給力在增大的同時波動情況越來越劇烈。與切削力相比，背吃刀量對進(jìn)給力的影響要小得多。

（3）工件的切削溫度隨背吃刀量的增大而不斷提高。當(dāng)背吃刀量小于0.4 mm時，工件切削區(qū)域最高溫度增大的較為平緩，對刀具的影響較小。

（4）在此次實驗中，得到的切削力波動情況最穩(wěn)定的數(shù)據(jù)為：v=600 m/min、f=0.12 mm、ap=0.1 mm。

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作者簡介：鄧蓉（1999—），女，漢族，湖南常德人，本科在讀，研究方向：機(jī)械設(shè)計制造及其自動化;通訊作者：肖雄（1990—），女，漢族，湖南婁底人，講師，碩士研究生，研究方向：先進(jìn)制造技術(shù)。