蔡容 鄭秀云

摘要：通過(guò)分析各種有限元軟件的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇DEFORM軟件作為分析工具對(duì)鈦合金材料Ti6Al4V的切削過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，建立工件和刀具的正交切削平面應(yīng)變的有限元模型，對(duì)金屬切削加工過(guò)程進(jìn)行了實(shí)時(shí)的仿真，為正確設(shè)計(jì)和合理使用刀具提供理論依據(jù)。

Abstract： By analyzing the advantages and disadvantages of various finite element software， DEFORM software is selected as the analysis tool to simulate the cutting process of titanium alloy Ti6Al4V. The finite element model of orthogonal cutting plane strain of workpiece and tool is established， and the real-time simulation of metal cutting process is carried out， which provides a theoretical basis for the correct design and rational use of tools.

關(guān)鍵詞：DEFORM;鈦合金;有限元模型;仿真

Key words： DEFORM;titanium alloy;finite element model;simulatio

中圖分類號(hào)：TG506.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）18-0119-02

0? 引言

在當(dāng)今機(jī)械制造業(yè)中，金屬切削加工的地位不容小覷，它對(duì)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)發(fā)展有著重要的影響。而鈦合金材料是一種非常典型的難加工材料，具有較小的彈性模量和導(dǎo)熱系數(shù)，在對(duì)其進(jìn)行切削加工，尤其是高速切削過(guò)程中，很容易出現(xiàn)溫度過(guò)高而造成刀具磨損的問題。所以要實(shí)現(xiàn)鈦合金的快速、高效切削加工是非常困難的。顯然對(duì)于該材料的切削過(guò)程傳統(tǒng)的研究方法是不可行的，因此需要一種新的研究方法，即數(shù)值模擬來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的研究方法，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬仿真來(lái)代替實(shí)際的切削實(shí)驗(yàn)，能夠更直觀有效地分析其切削過(guò)程。

1? 切削過(guò)程基本理論

切削過(guò)程是由刀具從工件表面切除多余材料的過(guò)程，在整個(gè)切削過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生切削變形、切削熱以及刀具磨損等現(xiàn)象[1]。切削用量、工件材料、刀具材料及幾何參數(shù)等因素都會(huì)對(duì)工件的加工質(zhì)量、刀具的使用壽命有著非常大的影響。掌握切削熱、切削變形的產(chǎn)生機(jī)理和它們之間的內(nèi)在聯(lián)系，對(duì)提高加工質(zhì)量、降低成本和提高生產(chǎn)效率具有深遠(yuǎn)的意義。

高效率、高精度、高質(zhì)量以及低成本是高效切削追求的目標(biāo)，一直被國(guó)內(nèi)外學(xué)者所研究，在金屬切削過(guò)程中，由于刀具與工件之間的不斷摩擦以及切削應(yīng)力切削熱的共同作用下，刀具會(huì)逐漸出現(xiàn)磨損進(jìn)而降低了加工工件的表面質(zhì)量，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)于鈦合金材料來(lái)說(shuō)，由于其切削環(huán)境更為惡劣使得刀具的耐用度降低。研究發(fā)現(xiàn)，刀具磨損的過(guò)程相對(duì)比較復(fù)雜，通常是由于多個(gè)因素共同作用的結(jié)果[2]。刀具的磨損形式不盡相同，不同的切削條件，由于切削參數(shù)的不同，刀具磨損中起到主要作用的磨損機(jī)理也會(huì)不盡相同。刀具的磨損機(jī)制可分為硬質(zhì)點(diǎn)劃痕、冷焊粘結(jié)、擴(kuò)散磨損及化學(xué)磨損。其中硬質(zhì)點(diǎn)劃痕是在各種切削速度下都存在的，擴(kuò)散磨損是在高溫下出現(xiàn)的，并且隨著溫度的升高而加劇。

在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，切削質(zhì)量直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量，其中刀具磨損是無(wú)法避免的一個(gè)難題，研究表明，影響刀具磨損的因素有很多，其中切削溫度與刀具耐用度之間有著最緊密的內(nèi)在聯(lián)系，控制切削區(qū)的溫度對(duì)延長(zhǎng)刀具使用壽命有著積極的作用。

影響切削溫度的主要因素如下：

①切削用量，在切削用量三要素中，切削速度、進(jìn)給量和背吃刀量增大，切削溫度上升，其中切削速度對(duì)切削溫度的影響最大。

②刀具幾何參數(shù)，主要是前角的影響比較大，前角增大，切削溫度下降，但是也不能過(guò)大，這也有一個(gè)最優(yōu)值。

③工件材料，工件材料的強(qiáng)度硬度越高，切削溫度越高，導(dǎo)熱系數(shù)小時(shí)，不易散熱，切削溫度越高。

可以發(fā)現(xiàn)，要正確的設(shè)計(jì)和合理的使用刀具要綜合考慮各種因素，包括工件材料、刀具材料、切削用量等因素。為此，對(duì)整個(gè)切削過(guò)程中所伴隨的切削變形、切削熱以及刀具磨損現(xiàn)象的研究不能單一的研究某一方面，必須綜合考慮，應(yīng)用有限元軟件對(duì)整個(gè)切削過(guò)程進(jìn)行仿真分析是目前最經(jīng)濟(jì)有效的方法。

2? 有限元程序的選擇

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，有限元分析在各種工程設(shè)計(jì)和分析中的應(yīng)用越來(lái)越廣，例如汽車、航空航天、船舶、機(jī)械制造等領(lǐng)域，幾乎所有的設(shè)計(jì)制造都離不開有限元。有限元主要可以模擬試驗(yàn)方案，減少試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案等。

目前，在金屬切削加工的仿真分析中，通用的軟件有ANSYS、DEFORM、MARC、ABAQUS等[3]，這些軟件均提供了良好的前后處理及求解環(huán)境，并且能與CAD軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，其中DEFORM具有專門的車削仿真模塊，是基于工藝系統(tǒng)的有限元仿真軟件，所以最終選擇DEFORM軟件作為分析工具來(lái)開展研究工作，主要包括前處理器、仿真和后置處理這三個(gè)部分，其一般分析步驟為：

①建立工件和刀具的有限元模型，有限元模型其實(shí)是真實(shí)系統(tǒng)理想化之后的數(shù)學(xué)抽象，由一些簡(jiǎn)單形狀的單元組成，單元節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)單元節(jié)點(diǎn)連接，一般在前處理中完成如下：定義工件材料、刀具材料的屬性，如楊氏模量、比熱容、熱傳導(dǎo)系數(shù)等，定義邊界條件，工件和刀具的網(wǎng)絡(luò)劃分。

②設(shè)定切削參數(shù)，施加各種約束，進(jìn)行仿真計(jì)算求解，將結(jié)果寫入結(jié)果文件和數(shù)據(jù)庫(kù)中。

③分析計(jì)算結(jié)果，等值線圖顯示，從仿真結(jié)果中可以得到切削力、切削溫度、應(yīng)變等。

3? 仿真分析實(shí)例

從切削加工理論可得知，切削過(guò)程中產(chǎn)生的切削熱對(duì)刀具的壽命及磨損有著重大的影響，另外，切削熱還會(huì)使工件和刀具產(chǎn)生變形、殘余應(yīng)力，從而會(huì)影響加工質(zhì)量。所以對(duì)于切削溫度的研究，不管是對(duì)切削過(guò)程的分析，還是研究刀具磨損機(jī)理、優(yōu)化切削用量和刀具參數(shù)等方面都是意義重大的。

本仿真實(shí)例中刀具選擇WC硬質(zhì)合金材料，工件材料為Ti6Al4V鈦合金，對(duì)其車削過(guò)程進(jìn)行仿真分析，建立的二維有限元仿真模型如圖1所示，工件和刀具的形狀直接在軟件中進(jìn)行定義，比較簡(jiǎn)單。工件定義為彈塑性體，刀具定義為剛體。有限元網(wǎng)格的劃分方法采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，工件和刀具均采用六節(jié)點(diǎn)三角形網(wǎng)格單元，切削過(guò)程中采用工件水平向右運(yùn)動(dòng)，刀具不動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)切削。

仿真過(guò)程中工件的性能根據(jù)表1來(lái)進(jìn)行設(shè)定[4]，其中熱導(dǎo)率隨溫度變化，WC刀具材料的性能參數(shù)根據(jù)表2設(shè)定，刀具熱導(dǎo)率恒定，摩擦熱均勻的傳遞給刀具與工件。

在仿真試驗(yàn)中刀具的幾何參數(shù)可不固定，切削速度與切削深度都采用固定值分別為150m/min和0.2mm。刀具的幾何參數(shù)是影響切削溫度的重要因素，其中刀具前角的大小直接影響切削過(guò)程中的變形和摩擦的大小，因此對(duì)工件的切削溫度有很大的影響，本文通過(guò)設(shè)定刀具不同的前角來(lái)模擬其切削過(guò)程。

圖2是有限元仿真過(guò)程中切削達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)工件、切屑和刀具組成的切削系統(tǒng)的溫度分布圖。可以看出，整個(gè)溫度場(chǎng)中的最高溫度出現(xiàn)在刀屑接觸面的前刀面上約為790攝氏度左右，這與切削理論一致。另外從圖中可以看出刀具前角增大時(shí)，切屑與己加工表面的溫度都呈下降趨勢(shì)，這是由于刀具前角增大使得刀具變得鋒利，切削過(guò)程中的切削層金屬變形減小，產(chǎn)熱減少。由此可見本文利用切削仿真軟件DEFORM所建立的仿真模型是正確、可靠的，后續(xù)研究可以將利用此模型研究刀具幾何參數(shù)，通過(guò)設(shè)置不同的前角、后角和鈍圓半徑對(duì)切削溫度與切削力的影響。

4? 結(jié)論

切削過(guò)程具有高度非線性、熱力耦合、劇烈摩擦以及刀具磨損等問題，一般的理論研究十分困難。另外針對(duì)于鈦合金材料的實(shí)際切削實(shí)驗(yàn)也很難進(jìn)行。本文提出利用有限元軟件DEFORM對(duì)鈦合金材料的切削加工過(guò)程進(jìn)行仿真分析，具有一定的可行性，其模擬結(jié)果能形象、直觀的反映切削過(guò)程中各個(gè)參數(shù)的變化情況。

參考文獻(xiàn)：

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[3]王文凱，湯文成.有限元法在金屬高速切削加工技術(shù)中的應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2008（06）：195-197.

[4]趙曉強(qiáng).鈦合金材料特性及切削加工方法[J].金屬加工（冷加工），2020（05）：15-17.