基于Deform 的切削加工有限元仿真分析

梁宇紅

（山西大學(xué) 工程學(xué)院，山西 太原 030013）

0 引言

在切削過(guò)程中，如何選擇合理的刀具，避免刀具的浪費(fèi)，已成為眾多學(xué)者研究的課題。美國(guó)肯納公司曾經(jīng)對(duì)刀具的使用情況做過(guò)調(diào)查，結(jié)果令人吃驚：在美國(guó)制造業(yè)當(dāng)中，能夠正確選擇刀具的概率小于50%，刀具僅僅發(fā)揮了38%的功效，造成了巨大的浪費(fèi)。本文將以車(chē)削過(guò)程為研究對(duì)象，采用Deform 有限元軟件，對(duì)整個(gè)加工過(guò)程進(jìn)行仿真模擬運(yùn)算，對(duì)切削加工過(guò)程中材料應(yīng)力、切削溫度等進(jìn)行分析，找出對(duì)車(chē)削過(guò)程有影響的一些主要參數(shù)，進(jìn)而指導(dǎo)實(shí)際的加工過(guò)程。

1 模型的建立及參數(shù)設(shè)置

1.1 模型的建立

模擬結(jié)果數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度受刀具幾何形狀的直接影響，為了得到更加精確的數(shù)據(jù)，本文借助于三維建模軟件UG 完成刀片、工件的幾何建模，并將完善后的模型導(dǎo)入仿真軟件Deform 中，圖1為Deform 環(huán)境下車(chē)削加工模擬示意圖。在實(shí)際加工過(guò)程中，影響車(chē)削加工的因素多，作用機(jī)理非常復(fù)雜，需找出其中起主導(dǎo)作用的因素，因此，建立仿真模型時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行理想化或簡(jiǎn)化處理。

圖1 Deform 環(huán)境下的車(chē)削加工模擬示意圖

在加工過(guò)程中，刀具的磨損受切削力和溫度變化的影響，如果在模擬時(shí)對(duì)切削力和溫度的變化進(jìn)行認(rèn)真分析，找出影響這些變化的因素，便能在實(shí)際的加工切削過(guò)程中更好地指導(dǎo)生產(chǎn)，選擇更合適的機(jī)床和刀具，避免造成浪費(fèi)。

1.2 參數(shù)的設(shè)定

在切削模擬過(guò)程中，選擇Deform 材料庫(kù)中的AISI－1045作為工件材料，這種材料的主要成分及物理性能與45鋼近似，工件材料為塑性材料，而刀具材料采用硬質(zhì)合金WC，設(shè)置為剛性材料。兩種金屬材料的物理性能見(jiàn)表1，二者的熱交換率都設(shè)置為45 000 W／（m2·K），剪切摩擦系數(shù)為0.6，在車(chē)削模擬加工中，摩擦系數(shù)對(duì)刀具的磨損和工件的加工影響非常大，是建立邊界條件的重要參數(shù)。

模擬中劃分的網(wǎng)格數(shù)將影響計(jì)算結(jié)果的精度和計(jì)算規(guī)模的大小，網(wǎng)格數(shù)較少時(shí)適當(dāng)增加網(wǎng)格數(shù)量，計(jì)算精度得到明顯的提高，且計(jì)算時(shí)間不會(huì)大幅度增加；網(wǎng)格數(shù)增加到一定程度后，若再繼續(xù)增加，不僅計(jì)算時(shí)間倍增，而且精度提高受限。經(jīng)過(guò)反復(fù)驗(yàn)證，網(wǎng)格數(shù)量劃分設(shè)為30 000。在車(chē)削過(guò)程中，刀尖和工件的接觸部位應(yīng)力、應(yīng)變以及溫度變化集中，其他部位變化不大。在保證精度的情況下，為了減少計(jì)算時(shí)間，盡量減少網(wǎng)格的數(shù)量，在工件和刀具的接觸部位網(wǎng)格密度劃分得稠密些，其他部位相對(duì)稀疏點(diǎn)。進(jìn)行有限元仿真計(jì)算過(guò)程中還可采用網(wǎng)格重劃技術(shù)，來(lái)避免由于網(wǎng)格畸變、退化導(dǎo)致的計(jì)算結(jié)果嚴(yán)重失真或不收斂，對(duì)于局部變形可以通過(guò)網(wǎng)格細(xì)分技術(shù)保證計(jì)算精度。

2 模擬仿真

在仿真過(guò)程中將切削速度設(shè)置為250mm／s，切削厚度設(shè)置為0.3mm，然后定義環(huán)境溫度等參數(shù)，進(jìn)行仿真運(yùn)算，分析運(yùn)算結(jié)果。

表1 工件及刀具的物理性能

2.1 應(yīng)力分析

在金屬切削過(guò)程中，切削力的大小直接影響刀具的使用壽命和工件的加工質(zhì)量，切削力包括克服被加工材料變形時(shí)產(chǎn)生的彈性和塑性變形抗力、克服切屑對(duì)刀具前刀面的摩擦力以及刀具后刀面與加工表面和已加工表面之間的摩擦力。

傳統(tǒng)的受力分析大多采用簡(jiǎn)化的理論公式加大量試驗(yàn)方法來(lái)確定，而采用三維分析不但可使分析結(jié)果的精度得到提高，更能節(jié)省大量的時(shí)間。圖2為仿真得到的應(yīng)力分布云圖。從圖2可以看出，在刀尖和工件的接觸部位應(yīng)力最大，向外沿區(qū)域呈逐漸減弱的趨勢(shì)。由此可知刀具破壞的主要形式為刀尖和刀刃破壞，這與實(shí)際加工中刀尖部位容易崩刃是相符的。通過(guò)對(duì)應(yīng)力云圖的分析，可更好地了解刀具的破壞情況，針對(duì)不同的工件材料選擇強(qiáng)度不同的刀具，避免刀具的浪費(fèi)。

圖2 應(yīng)力分布云圖

圖3為主切削力隨時(shí)間的變化曲線。從圖3可以看出：隨著刀具切削的進(jìn)行，主切削力迅速增加，在開(kāi)始很短的時(shí)間內(nèi)就可以升到一個(gè)很高的數(shù)值，之后隨著切削的進(jìn)行，切削力變化不大。將模擬中的切削力數(shù)據(jù)處理后結(jié)果為1.03GPa，而將經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入單位切削力經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果為1.25GPa。由此可以看出模擬結(jié)果相對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式有一定誤差，這是因?yàn)榈都膺M(jìn)行切削時(shí)使連續(xù)的網(wǎng)格尺寸離散化，加劇了刀尖的幾何形狀不規(guī)則程度，導(dǎo)致模擬出的結(jié)果有一定的誤差，但這個(gè)誤差在可接受的范圍內(nèi)，同樣可以通過(guò)細(xì)分網(wǎng)格來(lái)減小誤差。

2.2 溫度分析

在整個(gè)模擬過(guò)程中，考慮了刀具和工件的摩擦、工件的塑性變形等引起的溫度變化。切削中工件的溫度變化如圖4所示。從圖4可看出，由于刀具切入工件后，機(jī)械能迅速轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，故工件的溫度升高很快，在開(kāi)始階段，溫度近似線性升高，很快達(dá)到最高溫度，隨后在325 ℃左右波動(dòng)。圖5為工件溫度分布云圖。從圖5也可看出，切削產(chǎn)生的熱量主要集中在刀尖部位，其他部位溫度變化不大，由于刀具的溫度主要是靠刀尖處的刀屑來(lái)傳遞的，可只對(duì)這一部位的溫度進(jìn)行分析。加工過(guò)程中如果能將產(chǎn)生的切屑及時(shí)移走，將會(huì)大幅度地降低工件、刀具的溫度，從而提高刀具的使用壽命，提高加工質(zhì)量。從整個(gè)模擬結(jié)果來(lái)看，工件的最高溫度接近330℃，然后基本達(dá)到平衡狀態(tài)，變化很小，而刀具的溫度要比工件低100多度。

圖3 主切削力隨時(shí)間的變化曲線

圖4 切削中工件溫度變化

圖5 工件溫度分布云圖

調(diào)整刀具刃區(qū)的參數(shù)，適當(dāng)增大刀具前角，而不改變刀具其它參數(shù)和模擬加工參數(shù)，進(jìn)行模擬。圖6為調(diào)整參數(shù)后工件和刀具的溫度變化趨勢(shì)圖。從圖6中可以看出，在車(chē)削過(guò)程中，工件和刀具的溫度都比參數(shù)調(diào)整前下降了很多，可見(jiàn)刃區(qū)的參數(shù)對(duì)加工溫度的影響很大。因此在滿(mǎn)足加工強(qiáng)度要求的情況下，可以適當(dāng)?shù)卦龃蟮毒咔敖?，?lái)降低加工過(guò)程中的溫度。

圖6 調(diào)整刀具參數(shù)后切削過(guò)程溫度變化

不同材料在切削時(shí)都有一個(gè)溫度使用范圍，可以根據(jù)具體的材料來(lái)模擬整個(gè)切削過(guò)程，防止工件出現(xiàn)過(guò)高的溫度，導(dǎo)致工件變形，從而造成工件的報(bào)廢。

3 結(jié)論

利用金屬的切削仿真，可進(jìn)一步了解其切削機(jī)理，對(duì)探索切削過(guò)程中影響加工質(zhì)量各種因素的變化規(guī)律有著重要的意義。仿真結(jié)果能夠直觀地反映出切削過(guò)程中切削力、溫度等的變化趨勢(shì)，實(shí)際加工時(shí)可以參照模擬結(jié)果對(duì)刀具參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置，這對(duì)整個(gè)切削工藝的優(yōu)化具有重大的指導(dǎo)意義。

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