有限元切削仿真技術(shù)在發(fā)動機(jī)缸體銑削中的應(yīng)用

馮應(yīng)超，黃 蔚

（上汽通用五菱股份有限公司，廣西 柳州 5450007）

迄今為止，國內(nèi)外學(xué)者對金屬切削機(jī)理進(jìn)行了大量深入的研究，通過經(jīng)驗(yàn)或解析的方法，建立了一系列切削的模型，但是通過這些模型得到的切削力、溫度等數(shù)據(jù)，具有很大的誤差，也不能準(zhǔn)確地模擬切屑的形態(tài)以及切削力、溫度、應(yīng)力應(yīng)變等物理場的分布，有些模型還需要做大量的實(shí)驗(yàn)，來提供修正參數(shù)；對加工工藝參數(shù)的選擇，目前也主要還是停留在通過經(jīng)驗(yàn)或者進(jìn)行大量的試切進(jìn)行的，成本比較高，周期也比較長，效率低下。如何快速準(zhǔn)確地模擬仿真實(shí)際切削加工，從而得到切削力、切削溫度、刀具磨損等數(shù)據(jù)和如何選擇合理的加工工藝參數(shù)，仍是需要深入研究的問題。

1 仿真分析技術(shù)及軟件在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元方法被大量應(yīng)用于金屬切削仿真當(dāng)中。有限元金屬切削仿真，是通過數(shù)值分析的方法來模擬切削加工過程，使用有限元方法建立刀具和工件的模型，在切削仿真軟件中對該模型進(jìn)行自適應(yīng)有限元網(wǎng)格化分，根據(jù)刀具、工件的材料屬性，分析刀具切屑界面接觸摩擦行為準(zhǔn)則、切削過程中工件材料屈服流動準(zhǔn)則等，將工件材料屬性表示成溫度、應(yīng)變和應(yīng)變率的函數(shù)，建立刀具、工件在切削過程中的本構(gòu)模型，施加準(zhǔn)確的邊界條件后，對切削過程進(jìn)行物理仿真，得到準(zhǔn)確的切屑形態(tài)、切削力、切削熱、工件應(yīng)力應(yīng)變等物理參數(shù)，為切削參數(shù)優(yōu)化、刀具角度選擇以及加工表面品質(zhì)評估等提供重要的理論指導(dǎo)。

目前，有限元切削仿真軟件比較知名的有Advantedge、Deform、Abaqus等，能夠動態(tài)地對切削過程進(jìn)行有限元解算，支持自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，并能夠仿真各種加工性能指標(biāo)。

Advantedge和Deform包含了豐富的材料庫，通過大量的實(shí)驗(yàn)總結(jié)出的材料本構(gòu)關(guān)系模型，對于用戶來說節(jié)省了大量的工作；Abaqus非線性計算功能強(qiáng)大，操作靈活，但不包括材料本構(gòu)關(guān)系模型，只是留下材料設(shè)置接口。第三波公司的Advantage有限元仿真分析軟件，在行業(yè)里面應(yīng)用很廣，上海交通大學(xué)，山東大學(xué)，清華大學(xué)等科研院校，已經(jīng)很廣泛地應(yīng)用在切削試驗(yàn)與研究層面；在企業(yè)方面，上海工具廠，上海大眾等切削、刀具等行業(yè)企業(yè)，應(yīng)用也很廣泛。通過應(yīng)用仿真軟件，可以減小昂貴的實(shí)驗(yàn)費(fèi)用，降低刀具的磨損，增加刀具的壽命，提高生產(chǎn)效率。

2 有限元切削仿真分析的過程方法

目前的有限元分析仿真軟件，其分析過程主要有3個階段：前處理、中間計算和后處理。

在Advantage有限元仿真分析軟件加工中，可以通過設(shè)置刀具、工件和工藝參數(shù)，對實(shí)際加工過程進(jìn)行有限元計算，通過仿真結(jié)果模擬現(xiàn)實(shí)加工，并從中得出各種切削加工性能指標(biāo)，供用戶改進(jìn)加工性能。其分析流程如圖1所示。

圖1 有限元切削仿真分析流程

3 仿真分析在缸體端面切削加工中的應(yīng)用

3.1 問題現(xiàn)狀

加工內(nèi)容——發(fā)動機(jī)缸體前端面，缸體材料為HT250。

加工刀具——裝16個硬質(zhì)合金刀片的銑刀盤，直徑125 mm，如圖2所示，切削路徑如圖3所示：

圖2 刀具示意圖

圖3 刀具路徑圖

加工程序：

切削參數(shù)——主軸轉(zhuǎn)速S 500，進(jìn)給速度F 1 600，切深4 mm。

加工問題——刀片磨損快，達(dá)不到設(shè)定壽命，工件易崩邊，機(jī)床功率不夠，加工中停機(jī)。

3.2 分析問題確定優(yōu)化方案

暫時不考慮更換刀片和設(shè)備，優(yōu)先考慮優(yōu)化切削參數(shù)和刀具的切削路徑。

3.3 建立有限元分析模型

（1）導(dǎo)出工件模型。利用UG中建立工件的三維模型，如圖4。

圖4 工件三維模型

（2）設(shè)定刀具信息。將實(shí)際使用的刀具切削參數(shù)輸入到軟件中，具體設(shè)置如圖5。

圖5 刀具切削參數(shù)

（3）設(shè)定參考坐標(biāo)系。設(shè)定編程坐標(biāo)系，即加工代碼的程序原點(diǎn)相對于絕對坐標(biāo)系下的位置，該位置可以在UG中測量得到。

（4）加工路徑編輯。根據(jù)走刀路徑，編輯數(shù)控程序代碼，把編好的保存為.nc文件等待調(diào)用，編好數(shù)控程序如下：

（5）設(shè)定加工路徑。點(diǎn)擊Setup→Tool Path，在Tool path Type中選擇NC code，F(xiàn)ile Name中指向加工路徑NC代碼，并指定對應(yīng)的參考坐標(biāo)系即數(shù)控程序中的編程坐標(biāo)系，然后根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定換刀位置。

設(shè)定完成后，最終顯示的效果如圖6所示。

圖6 最終效果

（6）仿真解算及刀路優(yōu)化。點(diǎn)擊Run→Force model，軟件將會解算加工設(shè)定刀路下的整個切削過程，可以得到如下結(jié)果：

徑向受力、切向受力、軸向受力、消耗功率、每單位長度的負(fù)載刀具峰值溫度、刀具所受壓應(yīng)力等，對于刀具來說，瞬時切削力和峰值溫度，對刀具切削性能的影響最大，圖7為切向力的計算結(jié)果。

圖7 切向力與時間關(guān)系

從圖中可以看到，切向切削力最大可以達(dá)到5 500 N左右，而且切削力波動較大，最小的只有不到500 N。在軟件中進(jìn)行切削力進(jìn)行優(yōu)化，點(diǎn)擊Run→Tool path Optimize，彈出 Multiple Sequence Optimization對話框，設(shè)定優(yōu)化指標(biāo)為Tangetial Force，切削力目標(biāo)值介于3 500～4 500 N之間，并設(shè)定進(jìn)給速度的最大值為切削時2 000 mm/min，空切時5 000 mm/min。可以進(jìn)一步將切削路徑，分成更小的線性段進(jìn)行優(yōu)化，為了使切削力更加平穩(wěn)，設(shè)定線性段最小為20 mm，如圖8所示。

圖8 優(yōu)化切削力、切削參數(shù)

點(diǎn)擊右下角的Optimize，可以進(jìn)行自動參數(shù)優(yōu)化，優(yōu)化后的結(jié)果如圖9所示。

圖9 優(yōu)化切向力與時間關(guān)系

（7）結(jié)果分析。利用有限元分析并對加工參數(shù)進(jìn)行分別優(yōu)化，得到如下的結(jié)果：由圖10可見，經(jīng)過優(yōu)化后，刀具受力性能得到顯著改進(jìn)，同時加工效率得到提高。各個數(shù)據(jù)的最大值，都降低到理想狀態(tài)，而切削循環(huán)時間，也有所縮短，減少了3.81%。

圖10 優(yōu)化前后數(shù)據(jù)分析

4 仿真分析結(jié)果生產(chǎn)測試

根據(jù)有限元切削仿真分析結(jié)果，進(jìn)給速度經(jīng)過了Advantage軟件的自動優(yōu)化，走刀路徑采用分段，每段路徑采用優(yōu)化后的切削參數(shù)，將仿真所用的數(shù)控程序轉(zhuǎn)化機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)所識別的數(shù)控程序并在機(jī)床上加工驗(yàn)證。通過持續(xù)在缸體線3個月的生產(chǎn)試驗(yàn)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示刀具磨損明顯改善，且平均壽命提高了15%，機(jī)床由于功率不足停機(jī)率由原來16.1%降為3%，切削時間減少3.8%。

5 結(jié)束語

應(yīng)用有限元切削仿真技術(shù)，可以方便地進(jìn)行研發(fā)與試驗(yàn)，但由于軟件的數(shù)據(jù)庫是基于其所理解的標(biāo)準(zhǔn)切削情況下的一些經(jīng)驗(yàn)與數(shù)學(xué)數(shù)據(jù)，并不能完全適合國內(nèi)切削工況，其在刀具設(shè)計上及難加工材料切削參數(shù)分析上，還是有一些指導(dǎo)作用的，往往需要通過現(xiàn)場試驗(yàn)反復(fù)修正仿真分析數(shù)據(jù)。本文利用Advantage軟件，優(yōu)化了刀具的切削參數(shù)和走刀路徑，提高了生產(chǎn)節(jié)拍，取得一定的經(jīng)濟(jì)效益，其利用有限元切削仿真分析過程和方法，值得同行借鑒。

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