奧氏體不銹鋼切削過(guò)程的有限元仿真分析

李海榮

（寧夏民族職業(yè)技術(shù)學(xué)院，寧夏 吳忠751100）

奧氏體不銹鋼具有良好的耐蝕性、塑性、韌性和弱磁性能，在家電、電子、食品、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域廣泛應(yīng)用。不銹鋼中加入了鉻、鎳、鈦等合金元素。這些元素的增加，在提高鋼的物理力學(xué)性能的同時(shí)，對(duì)其機(jī)械加工性能也產(chǎn)生了一定影響，切削不銹鋼時(shí)，切屑不易折斷，常伴有斷刀、粘刀現(xiàn)象，刀具易磨損。在切削溫度作用下，工件容易產(chǎn)生熱變形，使已加工表面惡化，尺寸度較難控制，對(duì)確保表面質(zhì)量和精度帶來(lái)極大的難度[1]。

對(duì)奧氏體不銹鋼通過(guò)ABAQUS軟件進(jìn)行切削過(guò)程的模擬仿真，得到切削過(guò)程中應(yīng)力變化的情況，分析切削速度、背吃刀量、刀具前角對(duì)切削力影響的一般規(guī)律。選取YW 2類硬質(zhì)合金作為刀具材料，以二維正交直角切削為研究對(duì)象[2]，對(duì)奧氏體不銹鋼的切削過(guò)程進(jìn)行分析。奧氏體不銹鋼的切削過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程。切削過(guò)程中彈性變形和塑性變形都很大，有著高切削溫度和復(fù)雜的摩擦條件，存在大變形和高應(yīng)變率，采用傳統(tǒng)的分析方法，難以對(duì)切削過(guò)程進(jìn)行分析和研究。ABAQUS有限元軟件有強(qiáng)大的非線性分析功能，用有限元模擬對(duì)不銹鋼切削過(guò)程進(jìn)行數(shù)值仿真并且分析，切屑分離運(yùn)用拉格朗日與歐拉相結(jié)合的算法(ALE)來(lái)實(shí)現(xiàn)[3]。具體分為前處理、計(jì)算求解和后處理三個(gè)步驟。前處理階段的內(nèi)容包括幾何模型建立、定義工件、刀具及切削參數(shù)，如相互作用的創(chuàng)建、分析步設(shè)置、定義約束、劃分網(wǎng)格等；計(jì)算求解過(guò)程的內(nèi)容包括通過(guò)邊界條件、施加載荷等設(shè)置遞交求解，得出應(yīng)力、溫度、切削力等數(shù)據(jù)；后處理主要是提取數(shù)據(jù)結(jié)果，分析數(shù)據(jù)使之可視化，并進(jìn)行相關(guān)處理。

1 切削過(guò)程有限元模型的建立

1.1 建立模型與模型的單元?jiǎng)澐?/h3>

通過(guò)有限元仿真軟件ABAQUS建立二維有限元仿真模型時(shí)，做如下假設(shè)：刀具在切削時(shí)不發(fā)生變形，忽略金屬切削加工中材料的位移變形，刀具按剛體處理；工件材料在因摩擦熱引起的內(nèi)部金相組織變化給予忽略處理[4]。如圖1所示，將幾何模型設(shè)置為刀具切削刃半徑0.05 mm，刀具后角7°，通過(guò)改變刀具前角進(jìn)行分析。工件切削時(shí)位置固定，尺寸為長(zhǎng)10mm，高5mm，切削時(shí)刀具以預(yù)設(shè)的速度移動(dòng)并切除材料。首先對(duì)研究的工件和刀具進(jìn)行建模，在材料屬性模塊中，賦予相應(yīng)的材料特征，然后將工件和刀具裝配到一起。在設(shè)置邊界條件時(shí)，不僅要對(duì)工件的底部和左側(cè)進(jìn)行固定約束，還要約束工件右側(cè)不與刀具接觸的部分，設(shè)置仿真時(shí)的初始溫度為20℃（即刀具、工件和環(huán)境的開始溫度都為20℃）。最后對(duì)模型采用（CPE4R）4節(jié)點(diǎn)線性平面應(yīng)變單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立刀具切削工件的二維有限元仿真模型。

圖1 幾何模型與單元?jiǎng)澐?/p>

1.2 材料模型的建立

不銹鋼切削過(guò)程中工件一直處于高溫、高應(yīng)變和高應(yīng)變率狀態(tài)下[5]。因假設(shè)刀具為剛體，分析時(shí)不考慮應(yīng)變。但工件材料為塑性，切削時(shí)伴隨著三種效應(yīng)，即應(yīng)變硬化、熱軟化和應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)。Johnson-Cook本構(gòu)關(guān)系形式簡(jiǎn)單，考慮了這三種效應(yīng)，能真實(shí)反映切削中工件材料的本構(gòu)行為，為正確反映工件塑性變形行為，采用較為理想的J-C模型[6]。本研究使用的奧氏體不銹鋼的材料屬性見(jiàn)表1.

表1 奧氏體不銹鋼（0Cr18N i9）材料屬性

受實(shí)驗(yàn)條件限制，直接引用參考文獻(xiàn)奧氏體不銹鋼Johnson-Cook本構(gòu)模型的相關(guān)參數(shù)[4]見(jiàn)表2.

表2 奧氏體不銹鋼（0Cr18N i9）J-C參數(shù)表

1.3 摩擦模型的確定

切削模擬時(shí)，刀-屑之間摩擦情況復(fù)雜，在ABAQUS中需要定義接觸摩擦行為，輸入摩擦系數(shù)值。此時(shí)確定一合理的摩擦模型對(duì)切削過(guò)程仿真至關(guān)重要，有限元仿真中廣泛應(yīng)用簡(jiǎn)單庫(kù)侖、剪切-滑移和變摩擦系數(shù)三種摩擦模型，因切削不銹鋼時(shí)刀具和工件在接觸區(qū)產(chǎn)生大量的熱和較大的接觸正應(yīng)力，使刀-屑材料之間產(chǎn)生流動(dòng)剪切應(yīng)力，考慮剪切應(yīng)力與摩擦應(yīng)力的關(guān)系，本文把摩擦模型設(shè)置為剪切-滑移摩擦，摩擦系數(shù)為0.9[4]。

2 結(jié)果分析

（接上圖）

圖2 切削過(guò)程

2.1 奧氏體不銹鋼切屑形成過(guò)程仿真

圖 2（a）、圖 2（b）、圖 2（c）、圖 2（d）分別為切削過(guò)程中的碰刀、切入、成形和穩(wěn)態(tài)成形，這就是帶狀切削的形成過(guò)程。依次分離切削路徑的節(jié)點(diǎn)，則切削的底層單元沿前刀面流出，穩(wěn)定的帶狀切削就形成了。

（續(xù)下圖）

2.2 切削各階段對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的影響

在切削過(guò)程中，分析工件變形區(qū)的等效應(yīng)力以及應(yīng)力場(chǎng)分布隨著時(shí)間變化情況，刀尖剛切入工件時(shí)的等效應(yīng)力為最大，遠(yuǎn)離刀尖向外擴(kuò)展的方向，等效應(yīng)力越來(lái)越?。坏毒咧饾u深入切削時(shí)，剪切變形區(qū)受刀具擠壓產(chǎn)生大的塑性應(yīng)變，當(dāng)流動(dòng)剪切力超過(guò)材料屈服應(yīng)力時(shí)，單元網(wǎng)格斷裂，形成切屑。切屑流出后，刀尖處的應(yīng)力明顯變小。材料的應(yīng)力在突破極限后出現(xiàn)較大波動(dòng)，這是材料特性變化引起的機(jī)理變化。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是材料變形時(shí)做功，產(chǎn)生大量熱能，使切削區(qū)域溫度升高，溫度過(guò)高時(shí)材料因熱軟化效應(yīng)，從而降低材料承受應(yīng)力的能力。

2.3 切削速度、背吃刀量、刀具角度對(duì)主切削力的影響

2.3.1 切削速度對(duì)主切削力的影響

由切削速度對(duì)切削力的影響（圖3）分析，在同一切削厚度情況下，切削速度在34m/min～175m/min內(nèi)變化，主切削力的大小在197 N～228 N之間變動(dòng)，變化程度并不大。一定范圍內(nèi)切削速度的變化對(duì)切削力結(jié)果的精度的影響并不大[7]。切削速度在135m/min之后繼續(xù)增大時(shí)，主切削力又略有減小的現(xiàn)象。原因是不同刀具材料與工件材料匹配，在不同條件下有不同的臨界速度，達(dá)到臨界速度后，剪切變形抗力減小，功率消耗下降，單位切削力也減小，導(dǎo)致主切削力減小。

圖3 切削速度對(duì)主切削力的影響

2.3.2 背吃刀量對(duì)主切削力的影響

通過(guò)對(duì)不同背吃刀量下主切削力與切削速度變化關(guān)系分析（圖4），在切削速度和刀具角度一定時(shí)，背吃刀量增大，切削力也明顯增大。背吃刀量ap為0.2 mm時(shí)，主切削力F在140 N，當(dāng)背吃刀量由ap增加到1 mm時(shí)，主切削力F增加到431 N，隨背吃刀量變化的增加，主切削力變動(dòng)范圍較大。當(dāng)背吃刀量由ap由0.5 mm增大到1 mm時(shí)，主切削力由225 N增大到431 N.相當(dāng)于背吃刀量增加一倍，相應(yīng)的主切削力增大約0.9倍左右。主切削力增大是由于刀具切削工件的厚度逐漸增大。因此，切削加工中為了減少進(jìn)給次數(shù)，可在在滿足機(jī)床功率和工藝系統(tǒng)剛性的前提下，增加背吃刀量。

圖4 背吃刀量對(duì)主切削力的影響

2.3.3 刀具前角對(duì)主切削力的影響

刀具前角γ影響切削過(guò)程中的切削變形，前角越大，刀具越鋒利，可減小切削力和被切削層的塑性變形，但前角過(guò)大，會(huì)使刀頭散熱變差，強(qiáng)度降低，切削時(shí)易崩刃。根據(jù)刀具前角對(duì)主切削力的影響（圖5）分析，在切削速度和背吃刀量一定，當(dāng)?shù)毒呓嵌圈脼?5°.時(shí)主切削力F為253 N；當(dāng)?shù)毒呓嵌圈茫?5°時(shí)主切削力降到218 N.隨刀具的前角γ增大，主切削力有所減小，影響幅度較小。在切削加工中選擇合理的前角既要保證切削刃的鋒利，使工件變形減小，刀-屑摩擦得到改善，又要考慮刀具強(qiáng)度和散熱滿足使用要求。

圖5 刀具前角對(duì)主切削力的影響

3 結(jié)束語(yǔ)

用有限元ABAQUS軟件對(duì)奧氏體不銹鋼切削過(guò)程建立有限元模型，通過(guò)模擬仿真，對(duì)各階段對(duì)應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析，研究切削速度、背吃刀量以及刀具前角與切削力之間的關(guān)系，得出在不銹鋼切削加工中這些參數(shù)的選擇對(duì)切削力的影響，為實(shí)際的加工中相關(guān)切削用量參數(shù)的選擇提供參考依據(jù)。