基于ANSYS14.0的數(shù)控機(jī)床切削加工仿真及關(guān)鍵技術(shù)研究

王素粉，秦 沖

(三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 三門峽 472000)

隨著非線性有限元技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，特別是在數(shù)值仿真成功地應(yīng)用于工程領(lǐng)域之后，一些數(shù)值分析已經(jīng)在切削過程中得到了廣泛應(yīng)用，能夠更準(zhǔn)確的預(yù)測應(yīng)力、切削溫度等一些技術(shù)參數(shù)，數(shù)值分析的核心問題主要是切削形成過程的問題.而近幾年，隨著自動化程度的發(fā)展，智能化數(shù)控機(jī)床也成為了一種發(fā)展趨勢，即利用傳感器技術(shù)對數(shù)控機(jī)床的加工工藝參數(shù)進(jìn)行自動調(diào)整，而在這一技術(shù)應(yīng)用過程中對數(shù)控車床切削過程中的一些關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是該技術(shù)應(yīng)用的理論基礎(chǔ)，本文利用強(qiáng)大的有限元分析軟件ANSYS對數(shù)控機(jī)床的切削過程進(jìn)行模擬，不但解決了粘接區(qū)的切削分離問題，而且得到了數(shù)控機(jī)床加工過程中的切削應(yīng)力變形云圖，并預(yù)測了切削過程中的切削熱、切削力、切削應(yīng)力的、摩擦力的一些變化曲線，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了實(shí)際生產(chǎn)與分析結(jié)果的一致性，為進(jìn)一步數(shù)控機(jī)床的加工工藝參數(shù)的選擇與調(diào)整打下一定的理論基礎(chǔ)，為數(shù)控機(jī)床的智能化研究提供了一定的研究依據(jù).

1 刀具切削加工有限元模型建立

1.1 幾何模型的建立

模型如圖1所示，該模型由加工工件、切屑和刀具三部分組成，幾何尺寸如下：L1=40mm，L2=2mm，H1=10mm，H2=2mm，H3=9mm，刀具前角α=20°，刀具后角β=5°.工件材料的彈性模量為70GPa，泊松比是0.3，其中屈服應(yīng)力為400MPa、切線模量為15MPa.刀具選用PLANE182單元類型，彈性模量為210GPa,泊松比是0.3，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系式為[1]9,[2]32-35：Y0=265+180.0ε-0.5.

圖1 刀具切削加工模型

1.2 摩擦力數(shù)學(xué)模型的建立

摩擦力數(shù)模型如圖2所示，根據(jù)索瑞夫摩擦理論可以得到，刀具在進(jìn)行工件切削時候，刀具和切屑的接觸面部分可以分為兩個部分，如圖3所示，也就是粘接區(qū)和滑動區(qū)，當(dāng)τf>τmax則位于粘接區(qū)，此區(qū)域的摩擦系數(shù)是不變的，也即是τ=τchip，此時的μi=kchip/σn，而當(dāng)τf≤τmax時，處于滑動區(qū)部分，摩擦力是按照庫倫摩擦規(guī)律進(jìn)行的，在計(jì)算的過程中，為了能夠簡化計(jì)算過程，根據(jù)有限元的特點(diǎn)，引入罰函數(shù)，本文把摩擦因數(shù)看成是前刀面的正壓力函數(shù).其表達(dá)式為：

當(dāng)σ0=kchip/μ時，為摩擦粘接區(qū)與滑動區(qū)的分界點(diǎn)，也即為庫倫摩擦與剪切摩擦的分界點(diǎn).通過多次的仿真，直至仿真的結(jié)果與實(shí)測值一致.

圖2 金屬切削數(shù)學(xué)模型

1.2 有限元網(wǎng)格劃分

本切削模擬過程中選用單元PLANE182來定義刀具單元類型，使用接觸單元CONTA171和TAGGE169定義切屑和金屬件之間的粘接，使用接觸向?qū)Фx刀具與工件及切屑之間的接觸，并假設(shè)各個接觸面的摩擦因數(shù)為0.待平面模型建立之后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中，把工件部分劃分成700個單元，刀具劃分成16個單元，約束部分為整個工件的底面部分，對于刀具的約束主要是Y向自由度，并且對刀具施加沿著刀具向左向的載荷.刀具切削的有元模型網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

圖3 刀具切削模型網(wǎng)格劃分

3 刀具切削加工模擬仿真與分析

通過文中1部分模型建立后，定義加載求解，在求解之前控制輸出計(jì)算結(jié)果、設(shè)置計(jì)算時間和子步，子步為600，載荷加載方式為斜坡加載，并設(shè)置自動時間步，激活預(yù)測器進(jìn)行計(jì)算處理，計(jì)算結(jié)束后，提取第10步、30步、60步、100步、200步、235步的子步等效應(yīng)力云圖，并對其溫度、切削力進(jìn)行預(yù)測分析.

3.1 切削應(yīng)力仿真與分析

從圖4中的(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)6個圖中可以看出粘接區(qū)模型可以很好地模擬刀具與切屑的分離現(xiàn)象，并且最大等效應(yīng)力發(fā)生在與刀尖相接處的切屑處，最大為472MP.從子步200和子步235可以看出，刀具的后刀面顏色較重，是磨損嚴(yán)重區(qū)，當(dāng)切削過程中，從材料發(fā)生塑性變形開始，進(jìn)入穩(wěn)定的切削階段，等效應(yīng)力基本保持不變[3]248-260.

3.2 切削溫度分析

雖然有很多數(shù)學(xué)計(jì)算方式來預(yù)測切削中的平均溫度變化情況，但是都不能很精確的來預(yù)算，而ANSYS14.0有限元分析軟件卻能較為準(zhǔn)確的預(yù)測切削溫度，在ANSYS14.0有限元軟件中，不但能夠模擬切屑在流動過程中的應(yīng)力分布，還能預(yù)測刀具切削溫度的變化情況，對刀具在切削過程中的磨損以及失效等方面的研究和控制提供了有效的理論參考價值.

3.3.1 加工工件切削溫度有限元分析

本文在已經(jīng)加工好的工件表面進(jìn)行研究，得出加工表面溫度-時間曲線，分別選擇的點(diǎn)有節(jié)點(diǎn)46、節(jié)點(diǎn)50、節(jié)點(diǎn)55，如圖5所示，通過對圖6的切削熱傳導(dǎo)過程可以發(fā)現(xiàn)：在前刀面切屑保持不變時，切削溫度還在不斷的增加.除此之外，還對其已經(jīng)加工好的表面的X、Y方向進(jìn)行了溫度變化-時間分析，得出其變化關(guān)系，如圖7、8所示，通過對圖7和圖8的分析可以得到，在已加工表面上，X、Y方向的溫度變化也是不同的，并且在Y方向的溫度變化要比X方向的溫度變化明顯，從而可以說明在切削過程中的溫度擴(kuò)散量最大的是在垂直于加工表面的方向上.因此，在利用有限元軟件進(jìn)行切削模型簡化的時候可以把X方向的溫度變化簡化為0,這種思想和結(jié)論為數(shù)控機(jī)床金屬切削的有限元進(jìn)一步分析提供了一定的理論基礎(chǔ).

(a)子步為10時的等效應(yīng)力云圖

(b)子步為30時的等效應(yīng)力云圖

(c)子步為60時的等效應(yīng)力云圖

(d)子步為100時的等效應(yīng)力云圖

(e)子步為200時的等效應(yīng)力云圖

(f)子步為325時的等效應(yīng)力云圖

圖5 已加工表面溫度θ/時間t變化曲線圖

圖6 切削加工熱量的產(chǎn)生和傳導(dǎo)

圖7 已加工表面在X向溫度梯度變化曲線

圖8 已加工表面在Y向溫度梯度變化曲線

3.3.2 切削溫度實(shí)驗(yàn)與分析

為便于對機(jī)床切削過程中溫度的變化研究，本文利用熱電偶自測傳感器建立刀具、工件溫度檢測系統(tǒng)，通過熱電偶傳感器感知的到并利用此傳感器的進(jìn)行溫度感知與測量，傳感器得到的信號經(jīng)過采集與放大后，通數(shù)據(jù)傳輸傳給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，通過改變不同的技術(shù)參數(shù)得出溫度變化與參數(shù)之間的關(guān)系，便于數(shù)控機(jī)床工藝的進(jìn)一步智能化研究.見圖9.

圖9 金屬切削溫度測試系統(tǒng)

從表1中可以看出，前刀面的溫度變化隨著切削速度的增加而升高，并且測得的溫度值與ANSYS仿真值基本一致，此外，分別保持切削速度、進(jìn)給量不變，改變切削深度和保證切削速度、切削深度不變，改變進(jìn)給量，對刀具的前刀面進(jìn)行實(shí)際測量溫度分析及實(shí)際測量溫度與仿真值對比，通過分析可以發(fā)現(xiàn)：傳感器實(shí)際測量溫度與仿真溫度值基本保持一致，前刀面實(shí)際溫度隨著切削速度、切削深度、進(jìn)給量的增加而增加.這些數(shù)據(jù)的得出為刀具切削過程的參數(shù)控制與智能化研究提供了一定的理論依據(jù).

表1 同一刀具在不同的參數(shù)下的熱電偶切削溫度測量結(jié)果

3.3 切削力分析與實(shí)驗(yàn)研究

3.3.1 切削力有限元分析

為了分析切削力的變化情況，本文在ANSYS中提取了切削力的變化曲線，分別是進(jìn)給抗力變化曲線、主切削力變化曲線、切深抗力變化曲線，如圖10所示：

(a)進(jìn)給抗力變化曲線 (b)主切削力變化曲線 (c)切深抗力變化曲線圖10 切削力變化曲線

根據(jù)圖10結(jié)合實(shí)際切削過程，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)毒邉偳腥牍ぜ臅r候，工件發(fā)生的是塑性變形階段，摩擦力是不斷增加，從而切削力也呈現(xiàn)不斷增大的趨勢，然而，當(dāng)切屑進(jìn)入成型階段，切削力逐漸穩(wěn)定.

3.3.2 切削力實(shí)驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證有限元仿真切削力的仿真結(jié)果的正確性，本文也對切削過程切削力的測試進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與分析，實(shí)驗(yàn)選擇的是硬質(zhì)合金刀具與45#鋼工件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并利用壓電式三向動態(tài)測量儀進(jìn)行測量，經(jīng)電荷放大器放大信號后，把信號通過數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)進(jìn)行相連，采集信息，得到的信息進(jìn)行回歸分析獲得了一些切削用量和技術(shù)參數(shù)對切削力的影響情況，并經(jīng)過實(shí)驗(yàn)值與仿真值進(jìn)行對比.其測量結(jié)果如圖11所示[4]28-33：

(a)前角對主切削力的影響曲線

(b)切削深度對主切削力的影響曲線

(c)進(jìn)給量影響下的主切削力變化曲線

(d)切削速度影響下的主切削力變化曲線

通過圖11的實(shí)驗(yàn)數(shù)值與仿真數(shù)值對比可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)值與仿真數(shù)值基本一致，最大誤差不超過19%，并且從圖11也可以發(fā)現(xiàn)，隨著刀具前角的降低、各切削參數(shù)的增大，主切削力呈上升趨勢.這對數(shù)控機(jī)床切削過程中的工藝研究提供了理論依據(jù).

4 結(jié)語

本文首先利用有限元仿真軟件ANSYS14.0對CK6140數(shù)控車床刀具切削過程進(jìn)行仿真，并得出子步應(yīng)力云圖，可以分析最大切削應(yīng)力發(fā)生在與刀尖相接處的切屑處，還通過本軟件得出的結(jié)論對刀具切削力、切削溫度等進(jìn)行的分析和預(yù)測，為了驗(yàn)證刀具溫度影響因素、切削力影響因素，本文還引入了傳感器技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究與分析，通過對切削深度、切削用量、切削速度、刀具前角等參數(shù)的變化得出了其對切削溫度及切削力的影響規(guī)律，并結(jié)合仿真值進(jìn)行對比，得到的結(jié)果是兩者基本吻合，這些都為數(shù)控機(jī)床的切削工藝優(yōu)化及智能化系統(tǒng)的建立提供了一定的理論依據(jù).

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