基于ABAQUS切削仿真加工技術(shù)應(yīng)用

趙慶軍，尹勝，向瑤，陳鴻，陳虹松，2

1森泰英格(成都)數(shù)控刀具股份有限公司；2四川輕化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

1 引言

金屬加工是制造業(yè)的基本組成部分，其中切削加工是金屬材料加工成型的主要工藝之一，如何在切削過(guò)程中獲得最佳的切削參數(shù)和加工質(zhì)量成為制造業(yè)普遍關(guān)注的熱點(diǎn)之一。傳統(tǒng)的切削試驗(yàn)法需要消耗大量的時(shí)間、成本和人力，并且試驗(yàn)結(jié)果不具有普遍適用性。近年來(lái)，有限元法在切削仿真中得到了廣泛的應(yīng)用，有限元切削仿真結(jié)果能更直觀地反映切屑形狀和清晰地了解切削機(jī)理，為更好地掌握刀具的切削性能提供可能。因此，有限元模擬已成為現(xiàn)代金屬切削加工預(yù)測(cè)必不可少的方法之一。

20世紀(jì)70年代初，蘇聯(lián)和日本學(xué)者采用有限元方法進(jìn)行數(shù)值建模研究金屬切削[1]。Van Luttervelt C.A.等[2]綜述金屬加工的2D建模及正交切割，為滿足工業(yè)需求嘗試了3D建模方法。Lounes I.和Philippe L.等[3]將約束自然元素方法(CNEM)應(yīng)用于3D切割模型，但不足之處是該模型未提供結(jié)果質(zhì)量的信息。Yang Xiaoping等[4]通過(guò)建立切削加工中摩擦力隨切削壓力變化的有限元模型，研究了殘余應(yīng)力分布狀態(tài)。Yung-Chang Y.等[5]分析了切削刀刃的形狀對(duì)切屑成形、切削力和切削溫度的影響。近年來(lái)，謝峰等[6]采用仿真方法研究了金屬切削起始階段切削力變化，分析了刀具破損和抗沖擊性能。姚輝等[7]建立了銑削仿真模型，并采用模擬仿真技術(shù)對(duì)銑削狀態(tài)進(jìn)行有效模擬。

基于國(guó)內(nèi)外研究情況，論文綜述了ABAQUS切削仿真技術(shù)在金屬切削預(yù)測(cè)中的模型構(gòu)建、分離準(zhǔn)則及有限元網(wǎng)格劃分等關(guān)鍵技術(shù)，分析切削仿真應(yīng)用過(guò)程中存在的問(wèn)題，針對(duì)該技術(shù)領(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)等熱點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行了探討。

2 ABAQUS有限元仿真的關(guān)鍵技術(shù)

切削仿真關(guān)鍵技術(shù)是建立一定范圍的近似處理與假設(shè)的基礎(chǔ)，包括復(fù)雜結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化、連續(xù)結(jié)構(gòu)離散化和計(jì)算近似化，同時(shí)還涉及幾何和本構(gòu)模型、摩擦和溫度模型、網(wǎng)格劃分等相關(guān)的設(shè)計(jì)與選擇。切削有限元仿真分析屬于有限元仿真分析的一種，因此切削有限元仿真分析的主要過(guò)程類(lèi)似于一般的有限元仿真分析，切削仿真分析流程如圖1所示。

2.1 幾何模型

通過(guò)ABAQUS軟件中的建模模塊或利用建模軟件完成建模。在正交切削建模中，有兩個(gè)常用的假設(shè)：一是平面應(yīng)變狀態(tài)假設(shè)；二是剛體假設(shè)。以圖2所示的鉆頭三維模型為例，復(fù)雜的刀具幾何形狀和螺旋效果可以完全可視化，再根據(jù)切削參數(shù)、刀具與工件的相對(duì)位置作鉆削仿真的幾何模型。由于鉆削過(guò)程是鉆尖連續(xù)切削工件，螺旋槽起到初始卷屑作用，因此，鉆削幾何建?？珊?jiǎn)化為對(duì)鉆尖和部分螺旋槽進(jìn)行三維實(shí)體建模。

(b)側(cè)視

(c)正視

2.2 材料模型

切削加工仿真模擬的基礎(chǔ)是構(gòu)建工件材料的本構(gòu)模型，準(zhǔn)確地確定工件材料的本構(gòu)模型是模擬金屬切削過(guò)程的關(guān)鍵。材料模型能夠充分反映一定溫度范圍內(nèi)的高應(yīng)變率和低應(yīng)變率加載變形行為，并能表征出硬化和軟化過(guò)程。目前應(yīng)用的材料本構(gòu)模型主要有：Zerilli-Armstrong(ZA)[8]、Nemat-Nasser[9，10]、Maewaka[11]、Power-Law[12]、Johnson-Cook(J-C)[13]及修正的J-C[14，15]等模型。其中，切削加工模擬常用的J-C模型描述了切削過(guò)程中的應(yīng)變硬化、應(yīng)變率強(qiáng)化和熱軟化效應(yīng)，再現(xiàn)了高溫和高應(yīng)變率狀態(tài)下的材料塑性變形行為。

為了描述工件變形和破壞行為，本文采用J-C的熱粘塑性材料模型，其表達(dá)式為

(1)

2.3 分離準(zhǔn)則

在模擬切削過(guò)程中，通常采用物理和幾何準(zhǔn)則來(lái)分離切屑和工件，但這些準(zhǔn)則與實(shí)際切屑形成的情況相差甚遠(yuǎn)。為了形成模型，采用基于等效塑性應(yīng)變J-C斷裂模型作為損傷開(kāi)始時(shí)的判據(jù)[16-17]，使用累積損傷失效模型反映切屑剝離狀態(tài)。

失效參數(shù)D表達(dá)式為

(2)

(3)

(4)

式中，d1～d5是失效參數(shù)；θ是無(wú)量綱溫度，定義為

(5)

同時(shí)影響失效參數(shù)的兩個(gè)關(guān)鍵因素是工件材料的失效應(yīng)變和工件最小單元尺寸，其工件最小單元尺寸與切削深度有關(guān)。

2.4 摩擦模型

在切削加工過(guò)程中，刀具與工件之間的接觸受到較多因素影響。為了保證切削仿真模擬的準(zhǔn)確性，必須構(gòu)建相應(yīng)的摩擦模型來(lái)描述刀具與工件之間的摩擦關(guān)系。摩擦力特征與刀-屑的接觸有關(guān)，一般分為峰點(diǎn)型和緊密型兩種(見(jiàn)圖3)。峰點(diǎn)型接觸區(qū)域適用于經(jīng)典摩擦法則，緊密型接觸區(qū)域摩擦力與剪切應(yīng)力相等。

(a)峰點(diǎn)型

(b)緊密型

如圖4所示，在切削加工過(guò)程中，主要是兩對(duì)摩擦伴隨刀具與工件之間：刀具后面與工件表面；刀具前面與切屑。針對(duì)后者，Zorev N.N.[18]認(rèn)為存在金屬粘結(jié)區(qū)和組織滑移區(qū)，作用在刀具前面上的壓力和摩擦力的分布規(guī)律如圖5所示。

圖4 切削加工摩擦

圖5 刀具前面法向力與摩擦力分布

在金屬黏結(jié)區(qū)，材料剪切力和屈服力相等；在組織滑移區(qū)，符合庫(kù)倫摩擦定律[19]。在切削仿真模擬過(guò)程中，其摩擦力模型τ表達(dá)式為

(6)

式中，μ是摩擦系數(shù)；τcrit是剪切力；σ是壓力。

庫(kù)倫摩擦模型反映了常規(guī)切削加工中的摩擦力狀態(tài)。在實(shí)踐過(guò)程中，摩擦系數(shù)需要結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)算準(zhǔn)確數(shù)值。

2.5 溫度模型

摩擦?xí)a(chǎn)生切削熱，金屬切削加工過(guò)程中的傳熱是由工件塑性變形導(dǎo)致的具有內(nèi)熱源的非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)。由于工件與環(huán)境的溫差，塑性變形過(guò)程中產(chǎn)生的熱量會(huì)以各種形式與周?chē)h(huán)境進(jìn)行熱傳遞。圖6為切削熱傳遞示意圖，在切削過(guò)程中共有三個(gè)產(chǎn)生熱量區(qū)域：第Ⅰ變形區(qū)域發(fā)生的剪切變形產(chǎn)生熱，第Ⅱ變形區(qū)域內(nèi)切屑與刀具前面摩擦產(chǎn)生熱，第Ⅲ變形區(qū)內(nèi)已加工表面與刀具后面摩擦產(chǎn)生熱。

圖6 切削變形區(qū)域

根據(jù)傳熱原理，在直角坐標(biāo)系下切削加工的熱傳導(dǎo)微分方程為

(7)

式中，λ，Q分別是熱傳導(dǎo)率和生成速率；p，c分別是材料密度和比熱容；x，y和ux，uy分別是點(diǎn)的坐標(biāo)和位移。

在切屑與刀具前刀面的接觸區(qū)，忽略熱輻射和對(duì)流等能耗，其熱流量(q1)方程為

q1=k(tA-tB)

(8)

式中，k是切屑與刀具間熱傳遞系數(shù)；tA是切屑溫度；tB是刀具溫度。

2.6 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分在切削加工仿真模擬過(guò)程中十分重要，可分為拉格朗日算法和自適應(yīng)拉格朗日-歐拉算法[21](見(jiàn)圖7)。高效計(jì)算材料粗略變形優(yōu)先選擇拉格朗日算法；對(duì)于切削加工過(guò)程中，切屑與刀具主要區(qū)域產(chǎn)生的較大應(yīng)變，自適應(yīng)拉格朗日-歐拉算法可以避免大變形引起的網(wǎng)格畸變誤差，滿足邊界條件，通常用于穩(wěn)定切削過(guò)程。

(a)拉格朗日算法

(b)自適應(yīng)拉格朗日-歐拉算法

3 切削仿真技術(shù)應(yīng)用

ABAQUS軟件廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造加工、生物醫(yī)學(xué)、建筑材料以及新型復(fù)合材料等領(lǐng)域[21，22]。賈云海等[23]建立了焊接式PCD雙刃立銑刀銑削銅模型，研究了不同工藝參數(shù)對(duì)刀具溫度場(chǎng)分布和切削力的影響。結(jié)果表明，隨著銑削深度、進(jìn)給量和速度的增加，刀具溫度升高。王曉明等[24]利用ABAQUS軟件模擬了非織構(gòu)刀具和變形刀具的切削過(guò)程，認(rèn)為刀具表面織構(gòu)能改善刀具的切削性能，與非織構(gòu)刀具相比，等間距織構(gòu)刀具的主切削力和切削溫度分別降低了9.8%和12.4%。張青云[25]模擬了皮質(zhì)骨的鉆孔過(guò)程，得到了鉆孔量、鉆孔力和鉆孔溫度之間的模擬預(yù)測(cè)模型。在ABAQUS/Explicit顯式模塊中，周里群等[26]用物理分離準(zhǔn)則和單元剪切破壞對(duì)瀝青混凝土銑削過(guò)程進(jìn)行了建模，得到了不同切削速度下的切削應(yīng)力和切削力，為銑床的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。劉闖等[27]建立了Sicp/Al復(fù)合材料銑削過(guò)程的三維斜向模型，分析了切削參數(shù)對(duì)切削加工的影響。臧健[28]采用多工步切削仿真法，研究了切削加工過(guò)程中刀具因素對(duì)切屑形態(tài)的影響。

隨著切削速度和刀具前角的增加，被加工表面的殘余應(yīng)力逐漸表現(xiàn)為拉應(yīng)力，而切削厚度對(duì)切屑形貌和表面完整性的影響尚未得到進(jìn)一步分析。國(guó)憲孟[29]通過(guò)建立微細(xì)正交切削模型揭示了切屑形成的原因和機(jī)理，并分析了微細(xì)切削中的尺寸效應(yīng)，為三維微銑削模型的建立和分析奠定了基礎(chǔ)。于金等[30]建立了刀具內(nèi)擺線運(yùn)動(dòng)的銑削有限元模型，研究了7050-T7451航空鋁合金銑削力的變化規(guī)律，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。龐宇等[31]對(duì)TC4鈦合金超聲振動(dòng)輔助車(chē)削進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，仿真結(jié)果表明，超聲振動(dòng)車(chē)削鈦合金能有效降低平均切削力和刀尖切削溫度，振幅越大，改善效果越明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

金屬切削加工計(jì)算機(jī)仿真模擬技術(shù)是集合多學(xué)科知識(shí)的新興技術(shù)，該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中仍然存在一定的困難和挑戰(zhàn)，需要今后進(jìn)一步探索。

(1)當(dāng)前大多數(shù)二維仿真模型不能準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)切削過(guò)程仿真。為滿足切削工藝需求，需要從二維轉(zhuǎn)化為三維模擬仿真。查閱國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中關(guān)于三維車(chē)削、銑削和鉆削仿真的研究可知，該方法尚未普及和應(yīng)用，為了深入理解切削機(jī)理，需深入研究與發(fā)展三維仿真建模。

(2)建立更能體現(xiàn)切削加工實(shí)際條件的三維仿真模型，還需對(duì)切削液、刀具實(shí)際幾何結(jié)構(gòu)等加以考慮，才能準(zhǔn)確研究切削條件和刀具幾何結(jié)構(gòu)對(duì)刀具切削特性、刀具磨損和工件表面微觀形貌的影響。

(3)超聲振動(dòng)加工是一種典型的輔助加工方法，研究難點(diǎn)是耦合超聲振動(dòng)參數(shù)與切削工藝參數(shù)之間的關(guān)系。超聲振動(dòng)仿真研究對(duì)于探索超聲加工機(jī)理、優(yōu)化超聲加工工藝和研發(fā)超聲裝備及刀具等都具有理論指導(dǎo)作用。

(4)復(fù)合材料的切削仿真主要針對(duì)金屬基顆粒和碳纖維兩種復(fù)合材料。金屬基顆粒復(fù)合材料主要以微觀仿真為主，而纖維復(fù)材主要是材料本構(gòu)模型以及參數(shù)化、模塊化二次插件開(kāi)發(fā)。得到準(zhǔn)確的仿真模型關(guān)鍵是仿真模型的材料屬性及力學(xué)性能，而新材料的不斷涌現(xiàn)又推動(dòng)著材料本構(gòu)模型的發(fā)展。