有限元模擬分析金屬切削加工

陸芳

編者按：在這篇文章中，作者采用有限元法模擬分析金屬切削加工過(guò)程，建立金屬切削加工有限元模型，研究分析切削速度、背吃刀量、進(jìn)給量對(duì)切削力的影響，并通過(guò)研究?jī)?yōu)化切削加工工藝。

前言

有限元法模擬切削加工主要集中在模擬分析切削參數(shù)對(duì)已加工表面殘余應(yīng)力、切削力以及切削溫度刀具磨損等方面的影響，從而優(yōu)化切削參數(shù)，同時(shí)也分析模擬切屑形狀以及形成的過(guò)程?？谆⑿堑萚1]主要建立鈦合金的切削有限元模型，分析了切削溫度、表面應(yīng)力、切削力分布情況，優(yōu)化加工工藝。芮執(zhí)元等[2]主要研究不同切削參數(shù)條件下切削力的情況，分析切削速度、進(jìn)給量、背吃刀量對(duì)切削力的影響情況。Hongtao Ding等[3]將有限元應(yīng)用于模擬分析難加工材料的磨削加工，模擬切屑的形成同時(shí)分析溫度對(duì)刀具磨損的影響。本文綜合有限元模擬金屬切削加工的優(yōu)勢(shì)，用有限元模擬切削加工過(guò)程，分析各切削參數(shù)對(duì)切削力的影響，從而優(yōu)化切削工藝。

有限元分析

材料本構(gòu)模型

確定材料的本構(gòu)模型是有限元分析中至關(guān)重要的因素之一。以往研究表明材料的應(yīng)變受應(yīng)變率以及溫度的雙重影響，應(yīng)變率高則在應(yīng)變值一定的情況下應(yīng)力就大，而溫度高則材料一定程度上軟化，導(dǎo)致應(yīng)力小，而溫度越高，材料的過(guò)應(yīng)力會(huì)更加明顯[4]，因此精確確定材料的本構(gòu)模型是個(gè)至關(guān)重要的難題。對(duì)于已經(jīng)確定的材料的本構(gòu)模型大致可以分成以下兩種：一種就是經(jīng)驗(yàn)本構(gòu)模型;另一類(lèi)為基于物理學(xué)的本構(gòu)模型。本研究采用經(jīng)驗(yàn)本構(gòu)Johnson-cook模型，因?yàn)檫@種模型不僅能夠反映材料的應(yīng)變率強(qiáng)化作用，而且還可以反映溫升軟化作用效果，同時(shí)還能反映出材料加工硬化作用，這種本構(gòu)模型也大量地應(yīng)用于金屬加工的有限元模擬分析中。

Johnson-cook模型如下式所示：

刀—屑接觸與摩擦有限元模擬模型的確定

在金屬切削加工中，切屑對(duì)刀具前刀面的摩擦以及工件對(duì)刀具后刀面的摩擦對(duì)刀具的使用壽命以及加工的質(zhì)量有決定性的作用。切屑的形成過(guò)程是：刀具對(duì)切削層的擠壓以及摩擦作用，在第一變形區(qū)內(nèi)變形層沿刀具的前刀面流動(dòng)，然后前刀面的壓力及摩擦作用使得切屑層的變形更為嚴(yán)重，形成了第二變形區(qū)位于刀具的后刀面處，在第二變形區(qū)內(nèi)切屑變形更為嚴(yán)重因摩擦產(chǎn)生的熱量也很高，從而導(dǎo)致切屑-刀具接觸區(qū)域溫度很高，對(duì)第一變形區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。如何準(zhǔn)確地定義刀-屑之間的接觸與摩擦是有限元模擬是否準(zhǔn)確的關(guān)鍵。根據(jù)刀屑接觸區(qū)域剪應(yīng)力的大小將刀屑接觸區(qū)域分為粘結(jié)區(qū)以及滑動(dòng)區(qū)，刀屑未完全分離區(qū)域段定為粘結(jié)區(qū)，完全分離的區(qū)域段則為滑動(dòng)區(qū)。Zorev[5]加入考慮剪切應(yīng)力的基礎(chǔ)上，建立了包括剪應(yīng)力在內(nèi)的應(yīng)力模型，如圖1所示。

切屑分離準(zhǔn)則

金屬切削加工中，工件被刀具切削分為切屑層以及已加工表面層，切屑層沿著刀具的前刀面流出，本文的有限元模擬切屑分離準(zhǔn)則使用的是剪切失效模型準(zhǔn)則。對(duì)于切屑分離準(zhǔn)則[6]主要有兩種：一種是物理分離準(zhǔn)則，即切屑的分離與材料的物理參數(shù)有聯(lián)系，當(dāng)材料的某些物理參數(shù)如等效塑性應(yīng)變、應(yīng)變能密度、應(yīng)力等[7-8]這些參數(shù)到達(dá)相應(yīng)的臨界值時(shí)材料就分離;另一種則是幾何分離準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則采用的依據(jù)是所分析物體的幾何尺寸變化情況，比如工件相應(yīng)節(jié)點(diǎn)與刀尖節(jié)點(diǎn)之間的距離，這個(gè)分離準(zhǔn)則更準(zhǔn)確的描述即為在刀尖加工途徑上，刀尖距離與其最近的工件上節(jié)點(diǎn)之間的長(zhǎng)度不大于一定值時(shí)，這個(gè)定值是設(shè)定的，切屑就脫離基體沿前刀面流出[9]。幾何分離準(zhǔn)則相對(duì)于物理分離準(zhǔn)則會(huì)比較容易判定，但是節(jié)點(diǎn)之間的距離的計(jì)算結(jié)果有時(shí)候難以收斂，而且需要建立一條切屑與工件相分離的分離線。此次研究的有限元模擬切屑分離準(zhǔn)則使用的是剪切失效模型準(zhǔn)則。

熱傳導(dǎo)分析

金屬加工過(guò)程會(huì)產(chǎn)生很多熱量，尤其是在切削加工硬質(zhì)合金的過(guò)程中。因此，在用有限元分析切削加工時(shí)采用的都是熱力耦合模型。有限元模擬中切削模擬的傳熱的能量方程如下：

二維有限元模型建立

本文所用的有限元模擬軟件為ABAQUS，對(duì)Sialon陶瓷刀具切削加工GH4169鎳基高溫合金進(jìn)行二維的模擬仿真。有限元模擬方案為單因素模擬，主要是分析背吃刀量、切削速度、進(jìn)給量對(duì)于刀具切削力的影響。

如圖2所示為刀具工件的有限元模擬模型，模型中工件幾何尺寸為3mm× 1mm，工件采用均勻劃分網(wǎng)格的方式，網(wǎng)格為四節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變熱力耦合單元;切屑分為兩層分別劃分網(wǎng)格，一層為切屑也采用四節(jié)點(diǎn)熱力耦合單元網(wǎng)格均勻劃分，一層為分離層，網(wǎng)格類(lèi)型與切屑一致。而刀具在網(wǎng)格劃分時(shí)，刀具距離刀尖位置網(wǎng)格劃分較密，網(wǎng)格單元采用四節(jié)點(diǎn)熱力耦合單元，模擬的初始溫度為300K。切削運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)給刀具施加一定的速度于刀具網(wǎng)格，速度的方向?yàn)檠豖軸負(fù)方向。預(yù)應(yīng)力的加載是通過(guò)固定工件的右邊X方向的位移，將一定大小的預(yù)拉應(yīng)力加載至工件的左邊界節(jié)點(diǎn)上，背吃刀量的不同則是通過(guò)采用改變切屑層的厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

切削過(guò)程仿真

在本文中關(guān)于有限元模擬切削加工過(guò)程分析可主要研究三方面內(nèi)容：等效塑性應(yīng)變PEEQ，切削溫度以及Mises應(yīng)力。以下即是對(duì)這幾方面模擬過(guò)程及結(jié)果的分析。

PEEQ等效塑性應(yīng)變分布

將刀具的整個(gè)加工流程分成四個(gè)階段，約束階段即將各部件進(jìn)行約束加載，但還沒(méi)進(jìn)行切削的階段，此時(shí)PEEQ值均為零;將刀具開(kāi)始切入工件時(shí)定義為初始切削階段，當(dāng)進(jìn)入這個(gè)階段時(shí)，加工層初始成為切屑，是因?yàn)榧庸邮艿搅说毒叩臄D壓以及剪切作用，使加工層逐漸變成切屑沿剪切面流動(dòng)，這個(gè)階段的切屑上的PEEQ值最大;當(dāng)切削進(jìn)行一段距離或時(shí)間后，切削力較為平穩(wěn)，將這個(gè)階段定義為穩(wěn)定切削階段，這個(gè)階段會(huì)形成較為穩(wěn)定的剪切滑移帶，這個(gè)階段PEEQ出現(xiàn)最大值，最大值出現(xiàn)在切屑表面上;當(dāng)切削過(guò)程結(jié)束時(shí)將此階段定義為切削完成階段，此時(shí)刀具已經(jīng)脫離工件，已加工表面出現(xiàn)。

切削溫度分布情況

對(duì)于切削加工來(lái)講，切削溫度是影響其切削加工質(zhì)量的一個(gè)至關(guān)緊要的因素，因此，在本文研究模擬切削加工必然會(huì)加入溫度場(chǎng)的分析。在此模擬中，刀具以及工件的原始溫度均設(shè)定成300K;到刀具開(kāi)始切入工件，切削溫度在刀具與工件的擠壓以及摩擦作用下上升得非?？?當(dāng)進(jìn)入穩(wěn)定切削過(guò)程，切屑的流動(dòng)，刀具與切屑間的摩擦以及刀具后刀面與已加工表面的摩擦，刀具與工件的擠壓使得切削溫度繼續(xù)上升，刀屑接觸面即前刀面上接近刀尖的區(qū)域切削溫度達(dá)到最大值;在最后切削加工完成階段，最終的切削段直接被刀具推擠掉，因此大大降低了刀具與切屑之間的磨損，從而降低了切削溫度。

Mises應(yīng)力分布

關(guān)于Mises應(yīng)力分布情況同樣也可將其分為四個(gè)階段來(lái)進(jìn)行分析，刀具切削過(guò)程可以由以下四階段組成：（1）刀具即將但還未接觸工件，即初始約束階段，Mises應(yīng)力大小是零;（2）刀具開(kāi)始切入工件，即初始切入階段，此時(shí)工件材料初始切離;（3）跟以上兩個(gè)穩(wěn)定切削階段的定義一樣，穩(wěn)定切削階段切屑與工件產(chǎn)生分離，并且沿刀具的前刀面流動(dòng)，因?yàn)橐鸭庸け砻鎸?duì)刀具后刀面的相互作用力使得刀具后刀面上接近刀尖處所受應(yīng)力最大，而Mises應(yīng)力最大值出現(xiàn)在工件的剪切區(qū)中間位置;（4）刀具脫離工件，切削完成，即完成切削階段。

切削模擬結(jié)果的分析

圖3（a）所示為切削速度對(duì)各切削力的影響情況，指定范圍內(nèi)加大切削速度有利于減小切削過(guò)程中的切削力，這主要是由于當(dāng)切削速度在指定大小內(nèi)時(shí)，速度增大會(huì)減小刀具前刀面的磨損，加大剪切角從而導(dǎo)致減小了切屑的變形，切削過(guò)程所受的切削力也相應(yīng)變小。圖3（b）所示為不同背吃刀量條件下對(duì)各切削力的結(jié)果值，隨著背吃刀量的增加切削力上升較快，而且綜合對(duì)比背吃刀量對(duì)切削力的影響最大。圖3（c）所示為不同進(jìn)給量條件下對(duì)各切削力的結(jié)果值，隨著進(jìn)給量的增加切削力上升較快。從關(guān)系圖中可以看出，對(duì)切削力的大小的影響，背吃刀量排第一，切速以及進(jìn)給量次之。因此，通過(guò)模擬可以得出，切削加工若想降低切削力則應(yīng)采取的切削方案是較大的切速、較小的進(jìn)給量及背吃刀量。

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