水泥混凝土切削過程仿真

黃霞春，唐 娟，邢 國

（1.湖南理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湘潭 411104；2.長沙中聯(lián)重科科技發(fā)展有限公司，長沙 410013；3.常德煙草機械有限公司,常德 415000）

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，綜合國力的增強，鄉(xiāng)鎮(zhèn)城市化、中小城市大型化、大中城市花園化的趨勢日漸明顯，城市道路的改擴建工程也越來越多。在這種形勢下，公路養(yǎng)護工作也變得日益繁重，對公路養(yǎng)護作業(yè)的質(zhì)量提出了更高的要求，現(xiàn)代化的機械養(yǎng)護作業(yè)方式勢在必行。

切削加工是通過刀具在工件表面切除多余材料層來獲得理想工件形狀、尺寸以及表面質(zhì)量要求的機械加工方法。切削加工是一個復(fù)雜的問題，涉及切屑與刀具之間的摩擦狀態(tài)、切屑與基體材料的分離、應(yīng)變速率的影響等，利用傳統(tǒng)的解析和實驗研究方法，很難做到對切削機理的定量分析和研究，數(shù)值模擬技術(shù)對切削加工過程中金屬變形機理和切屑形成理論的研究提供了新的手段，具有重要的學(xué)術(shù)價值，對實際生產(chǎn)具有很好的指導(dǎo)作用[1-8]。

1 建模

1.1 幾何模型

本文利用有限元軟件ABAQUS 中的Lagrange 方法對切削加工過程進行仿真，并采用物理方法的切屑分離準(zhǔn)則，依照路面的有限元節(jié)點是否達到設(shè)定值來判斷該節(jié)點切屑分離。模擬切削水泥混凝土?xí)r，采用如圖1 所示的模型，路面尺寸長1 000 mm，寬200 mm；銑刨筒外徑315 mm，銑刨鼓內(nèi)徑301.05 mm；銑刨鼓旋轉(zhuǎn)速度為600 rpm；刀頭入地角為40°，刀頭半徑5.06 mm，刀頭數(shù)為1。

圖1 切削路面的有限元幾何模型

1.2 定義接觸

在切削過程中定義兩個接觸對，分別是刀頭與路面的接觸對和銑刨鼓與路面的接觸對。刀頭與路面的接觸對選擇刀頭及基座作為第一表面，路面節(jié)點為第二表面；銑刨鼓與路面的接觸對選擇銑刨鼓的外表面作為第一表面，路面節(jié)點作為第二表面。兩個接觸對都采用運動接觸法和有限滑移公式，摩擦系數(shù)為0.5 的切向行為，如圖2 和圖3 所示。

圖2 刀頭與路面的接觸對

圖3 銑刨筒與路面的接觸對

（1）邊界條件和溫度場

選中相關(guān)節(jié)點，對路面施加約束，分別限制路面底邊的六個自由度（U1 = U2 = U3 = UR1 = UR2 =UR3=0）和路面左右兩邊的3個自由度（U1=UR2=UR3=0）；同時限制刀頭、基座和銑刨鼓在X 和Y 方向上的自由度，只允許它們繞Z 軸逆時針旋轉(zhuǎn)。

（2）定義溫度場

在初始分析不添加切削溫度場，通過編輯區(qū)域常數(shù)來設(shè)定溫度場，方式為直接選取路面和刀具的所有節(jié)點，設(shè)置溫度為20℃。

（3）其他參數(shù)

水泥混凝土的彈性模量2 000MPa，泊松比0.2，密度2 400kg/m3，抗拉強度1.4MPa，抗壓強度14MPa，應(yīng)變率10-1s-1，硬化指數(shù)0.27，參考溫度20℃。由于設(shè)置了銑刨鼓、基座和刀頭為剛性，故可不賦予屬性，所以本文沒有賦予它們屬性。設(shè)置刀具與水泥混凝土路面之間的摩擦系數(shù)為0.5，分布在水泥混凝土路面上的換熱百分比為40%，由摩擦產(chǎn)生的耗散能百分比為10%。

論文結(jié)合Johnson-Cook、shear failure 失效準(zhǔn)則和任意拉格朗日- 歐拉描述法(ALE)對水泥混凝土分別進行切削深度為20mm、30mm、40mm 的切削仿真[9-10]。

2 結(jié)果與分析

2.1 切削深度對切削的影響

（1）切削深度對應(yīng)力的影響

在保持其它參數(shù)條件不變的情況下，分別以20mm、30mm、40mm 為切削深度對水泥混凝土進行切削模擬，情況下的刀尖處水泥混凝土的應(yīng)力圖見圖4。

圖4 可以看出，切削深度對水泥混凝土路面Mises 等效應(yīng)力影響不大，但距離刀尖越近的地方應(yīng)力越集中。

圖4a 20mm 切深時的等效應(yīng)力云圖

圖4b 30mm 切深時的等效應(yīng)力云圖

圖4c 40mm 切深時的等效應(yīng)力云圖

（2）切削深度對應(yīng)變的影響

在保持其它參數(shù)條件不變的情況下，圖5 是銑刨機分別以20mm、30mm 和40mm 為切削深度進行模擬情況下的刀尖處水泥混凝土的應(yīng)變圖。

圖5a 20mm 切深時的等效應(yīng)變云圖

圖5b 30mm 切深時的等效應(yīng)變云圖

圖5c 40cm 切深時的等效應(yīng)變云圖

表1 不同深度下的刀頭前端水泥混凝土應(yīng)變值

由表1 可知，不同深度下的應(yīng)變值、、和等效應(yīng)變幾乎沒有變化，這說明水泥混凝土的應(yīng)變不隨著切削深度的變化而變化，故銑刨機銑削水泥混凝土也可以從剪切應(yīng)變失效這方面進行研究。

（3）切削深度對切削溫度的影響

在保持其它參數(shù)條件不變的情況下，圖6 是銑刨機分別以20mm、30mm、40mm 為切削深度進行模擬情況下的刀尖處水泥混凝土的溫度圖。

圖6a 20mm 切深時的溫度變化云圖

圖6b 30mm 切深時的溫度變化云圖

圖6c 40mm 切深時的溫度變化云圖

由圖6 可以看出前刀面的溫度要高出后刀面的溫度很多隨著切削深度的增大，銑刨機要對路面切屑變形做更多的功，同時切削溫度隨著切削深度的增大而不斷升高，這是由于前刀面在切削過程中受到路面顆粒的摩擦和撞擊的引起的，見表2。

表2 不同切削深度下刀頭前角附近的溫度值

（4）切削深度對能耗的影響

在保持其它參數(shù)條件不變的情況下，圖7 分別給出了銑刨機20mm、30mm、40mm 為切削深度進行模擬情況下的水泥混凝土的所產(chǎn)生的熱能曲線圖。

圖7a 20mm 切深時的總熱能變化情況

圖7b 30mm 切深時的總熱能變化情況

圖7c 40mm 切深時的的總熱能變化情況

由圖7 可知，整個模型的總熱能隨著切削深度的增加而快速增大，這是因為隨著切削深度的增加，刀頭處水泥混凝土受到的拉伸和壓縮的程度就越大，銑刨機要做的功就越多，因此產(chǎn)生的熱能就越大，輸出的熱能就越多。

3 結(jié)論

（1）刀尖附近的水泥混凝土的等效應(yīng)力不受切削深度的影響，但是距離刀尖越近，應(yīng)力越集中；

（2）銑削溫度隨著銑削深度的增大而不斷升高，在進行大切深作業(yè)時良好的刀頭冷卻能夠有效的延長刀頭壽命；

（3）銑削功率隨著銑削深度的增加而劇烈增加，進行合理的銑削深度的研究是有必要的。

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