楊凱，曾慶生，王湘江

（南華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001）

0 引言

乏燃料包殼切割裝置主要是對(duì)乏燃料棒體的外表殼進(jìn)行切斷去除，且棒體外表殼是由不銹鋼薄板構(gòu)成，考慮到加工精度問題，經(jīng)常會(huì)使用金屬圓鋸片對(duì)其進(jìn)行加工切斷。由于不銹鋼是高塑性、高韌性材料，且在切削加工過程中存在導(dǎo)熱性差、導(dǎo)熱系數(shù)小等問題[1]，為了提高鋸切精度，需要對(duì)其鋸切參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和仿真分析。

1 乏燃料包殼切割裝置和乏燃料棒結(jié)構(gòu)分析

乏燃料包殼切割裝置結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示，金屬圓鋸片1的刀齒材料為硬質(zhì)合金，基體的材料為65Mn高錳鋼。鋸切電動(dòng)機(jī)2實(shí)現(xiàn)金屬圓鋸片的鋸切功能。直線電動(dòng)機(jī)3安裝在工作臺(tái)5上，帶動(dòng)鋸切箱體4實(shí)現(xiàn)高精度切削，擺動(dòng)氣缸6能夠?qū)崿F(xiàn)金屬圓鋸片90°擺轉(zhuǎn)并切削，三柱式頂升液壓缸7實(shí)現(xiàn)退刀作用。

圖1 切割裝置結(jié)構(gòu)原理圖

乏燃料棒體的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，本次的切割工藝主要實(shí)現(xiàn)對(duì)乏燃料棒體六邊形外殼進(jìn)行切斷去除。

圖2 乏燃料棒體結(jié)構(gòu)圖

2 鋸切參數(shù)計(jì)算

本次切割的物體為乏燃料棒體的外邊表殼，分別對(duì)其橫向以及縱向去殼切削。切割刀具為直徑長度為360 mm的硬質(zhì)合金圓鋸片，鋸齒為裝配齒，鋸齒的齒形如圖3所示，該鋸片一共有120個(gè)齒，齒距t為9.42 mm，基體厚度為2.25 mm，鋸齒厚度為2.6 mm，鋸切前角和后角都為8°。

圖3 鋸齒原理圖

圖4所示為鋸片切割運(yùn)動(dòng)過程示意圖，為刀具剛開始切割工件到完全切割的簡化示意圖，縱向切割和橫向切割進(jìn)給速度u根據(jù)避免塞齒現(xiàn)象的險(xiǎn)界公式[2]計(jì)算設(shè)計(jì)為30 mm/s和99 mm/s，鋸片的切削速度v為140 m/min。

圖4 鋸片切割運(yùn)動(dòng)過程圖示意圖

2.1 運(yùn)動(dòng)鋸切參數(shù)計(jì)算

1）初始相迎角α0、鋸齒鋸切完成時(shí)的相迎角α1和平均相迎角αave。

2.2 工件鋸切變形參數(shù)計(jì)算

2.3 切削力能參數(shù)和切削功率計(jì)算

3 基于ABAQUS的鋸切仿真

3.1 三維模型建立

通過SolidWorks三維軟件建立鋸切三維模型。

由于進(jìn)給速度為30 mm/s，切割工件的長度為66.4 mm,如果完整地進(jìn)行切削仿真不太可能實(shí)現(xiàn)，而且此次主要是希望得到鋸切力、鋸切溫度和鋸切應(yīng)力參數(shù)，所以為了提高計(jì)算時(shí)間和計(jì)算精度，根據(jù)前面計(jì)算得到同時(shí)參與鋸切的齒數(shù)在3.44個(gè)，所以按照要求對(duì)模型進(jìn)行簡化[6]。

3.2 材料屬性添加

圓鋸片的基體材料為65Mn高錳鋼，鋸齒為硬質(zhì)合金鋼，鋸切工件材料為304不銹鋼，因?yàn)殇徢蟹抡鏋闊崃︸詈巷@示動(dòng)力學(xué)仿真，所以對(duì)所有材料進(jìn)行密度、彈性模量、泊松比、導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)、比熱容等參數(shù)添加。由于鋸片的基體只參與傳熱不參數(shù)切削，所以將其設(shè)置為離散剛體。

圖5 鋸切模型三維圖

圖6 鋸切模型簡化三維圖

材料本構(gòu)模型能夠真實(shí)反映工件在鋸切過程中發(fā)生的彈塑性變形。本文針對(duì)切削的304不銹鋼工件主要使用Johnson-Cook模型作為鋸切材料的本構(gòu)模型，其計(jì)算數(shù)學(xué)模型為式中：A為材料的靜態(tài)屈服強(qiáng)度，MPa；B為應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù)，MPa；n為應(yīng)變率敏感系數(shù)；C為硬化指數(shù)；m為軟化指數(shù)；ε為材料塑性應(yīng)變；ε˙0為參考應(yīng)變率；Tr為加工材料初始溫度；Tm為材料熔化溫度。通過文獻(xiàn)[7]查得其參考應(yīng)變率ε˙0為0.001 s-1，靜態(tài)屈服強(qiáng)度A為277 MPa，應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù)B為556 MPa，應(yīng)變率敏感系數(shù)n為0.794，硬化指數(shù)C為0.0096，軟化指數(shù)m為0.944。

同時(shí)Johnson-Cook材料模型第二部分涉及到了對(duì)于剪切失效即切屑分離準(zhǔn)則的數(shù)學(xué)模型，通過設(shè)定的斷裂應(yīng)變臨界值來判斷材料是否失效[8]，其斷裂應(yīng)變?chǔ)舊計(jì)算公式為

式中：σ*=p/σeff，為三軸應(yīng)力度，其中p為靜水壓，MPa；σeff為Mises等效應(yīng)力，MPa；通過參考文獻(xiàn)[9]查得304不銹鋼的涉及斷裂應(yīng)變的材料參數(shù)d1、d2、d3、d4、d5分別為-0.49、0、0、-0.265、-0.54，參考應(yīng)變率ε˙0為1 s－1。

3.3 接觸設(shè)置

將工件與刀齒面之間設(shè)置為表面與表面接觸，工件的區(qū)域設(shè)置為被切削的結(jié)點(diǎn)位置，刀具的區(qū)域設(shè)置為刀齒的側(cè)面及刀齒前刀面。同時(shí)對(duì)接觸參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如切向行為、法向行為、生熱等。切削刀具與切屑有黏結(jié)摩擦和滑動(dòng)摩擦，根據(jù)修正的庫侖摩擦模型可以根據(jù)接觸應(yīng)力來判斷此次摩擦是何種摩擦[10]，因此對(duì)此增加一項(xiàng)除了面與面之間的摩擦外的通用摩擦，并且將其設(shè)置為庫倫摩擦。

3.4 網(wǎng)格劃分

考慮到鋸切的精度，同時(shí)鋸片與工件之間結(jié)構(gòu)比較簡單，所以將它們的網(wǎng)格屬性設(shè)置為六面體，圓鋸片鋸齒與基體的單元類型選擇為全積分的C3D8T的“溫度-位移耦合”單元格類型，由于考慮到工件再發(fā)生剪切變形時(shí)產(chǎn)生剪切封閉現(xiàn)象，所以對(duì)工件單元設(shè)置為減法縮積分的C3D8RT的單元類型[11]。

3.5 鋸切仿真結(jié)果分析

1）鋸切力仿真分析。鋸切力仿真結(jié)果如圖8所示。

圖7 鋸切模型網(wǎng)格圖

圖8 鋸切力仿真結(jié)果圖

從圖中可以看出單齒進(jìn)行鋸切時(shí)最大鋸切力為21.5 N，根據(jù)前面的計(jì)算公式計(jì)算得到的平均單齒鋸切受力為25.12 N，可以得到仿真的結(jié)果與理論計(jì)算的結(jié)果之間的誤差為14.4%，說明仿真結(jié)果還是比較精確的。

2）鋸切溫度分析。鋸切溫度仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 鋸切溫度仿真結(jié)果圖

由于受到鋸切工件的塑性變形和切屑摩擦作用，并且304不銹鋼熱擴(kuò)散率和熱導(dǎo)率都比較小，所以熱量一般不容易擴(kuò)散，所以基本上產(chǎn)生的切削熱都會(huì)聚集在切削刀具的前刀面上，從圖中發(fā)現(xiàn)前刀面上的最高切削溫度達(dá)到459.1 ℃，這與文獻(xiàn)[12]中硬質(zhì)合金車削304不銹鋼的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本上相近，說明該鋸切仿真的精度比較高。

3）應(yīng)力分析。鋸切過程應(yīng)力分布仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 應(yīng)力分布仿真結(jié)果圖

從圖中可以看出切削應(yīng)力主要分布在刀齒的前刀面上，最高應(yīng)力為6948 MPa，刀齒的側(cè)面沒有出現(xiàn)接觸應(yīng)力，所以往往出現(xiàn)這些應(yīng)力集中的地方容易發(fā)生破損及磨損。

4 結(jié)論

1）根據(jù)鋸切金屬的數(shù)學(xué)理論模型計(jì)算得出在鋸切過程中平均單齒鋸切力為25.12 N，同時(shí)基于ABAQUS仿真軟件分析得出單齒鋸切力為21.5 N，它們之間的結(jié)果誤差為14.4%，表明計(jì)算結(jié)果和仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性比較高。

2）基于ABAQUS軟件仿真動(dòng)態(tài)鋸切過程，得出前刀面的最高切削溫度達(dá)到459.1 ℃，這與查得的文獻(xiàn)中硬質(zhì)合金切削304不銹鋼的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本符合，表明仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性高。

3）鋸切過程中，鋸切應(yīng)力主要集中分布在鋸齒前刀面上，最高達(dá)到6948 MPa，所以可以看出前刀面是最容易發(fā)生磨損及斷裂的地方。