淬硬鋼材料高速切削過(guò)程的有限元仿真

李琳+陳澤鋒

摘要： 基于對(duì)切削原理的深入研究，建立了金屬切削過(guò)程的熱力耦合有限元模型?；?DEFORM-3D軟件平臺(tái)，模擬了金屬切削加工過(guò)程，得到了刀具和工件上的等效應(yīng)變、溫度場(chǎng)、刀具磨損的分布規(guī)律，仿真結(jié)果同實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析誤差在10%以內(nèi)。

Abstract： In this paper， the finite element models of metal cutting were first discussed systemically， based on metal cutting theroy. Based on the platform of finite element software DEFORM-3D， the processes of metal cutting were simulated and the laws of distribution disclosed for equivalent strain field， temperature field and tool wear were got. The error of the prediction is about 10%. The model has been validated by simulation results to be reliable.

關(guān)鍵詞： 有限元法；切屑成形仿真；材料模型；仿真預(yù)測(cè)

Key words： FEM；chip formation simulation；material model；simulation prediction

中圖分類號(hào)：TG506.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2014）10-0028-02

0 引言

高速加工（High Speed Machining，HSM）技術(shù)是一項(xiàng)先進(jìn)的、具有廣闊應(yīng)用前景的制造工藝。高速切削作為一種先進(jìn)切削加工技術(shù)，近幾年在航空、汽車、電子、模具等制造業(yè)中顯示出明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，受到國(guó)內(nèi)外越來(lái)越廣泛的關(guān)注[1]。

淬硬鋼（硬度HRC55～HRC65）是一類耐磨結(jié)構(gòu)材料，廣泛用于制造各種對(duì)硬度和耐磨性要求較高的基礎(chǔ)零部件。淬硬鋼經(jīng)淬火或低溫去應(yīng)力退火后具有較高硬度，通常采用磨削工藝進(jìn)行半精加工和精加工，不僅加工效率低，而且粉塵和廢液污染嚴(yán)重[2-3]。針對(duì)淬硬鋼的高速切削過(guò)程仿真相較于實(shí)驗(yàn)的方法具有更好的應(yīng)用性，本文將詳細(xì)探討針對(duì)此種難加工材料的高速切削仿真。

1 34CrNiMo6切削實(shí)驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)采用直角自由切削，工件材料選用外徑為100mm、厚度為2.0mm的34CrNiMo6材料。由于淬硬鋼的加工特點(diǎn)，選擇CBN刀具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行三組，每組實(shí)驗(yàn)的切削參數(shù)如表1所示。

通過(guò)Kistler測(cè)力儀對(duì)三次試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試，得到三向的切削力結(jié)果如表2所示。

2 仿真結(jié)果同實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

2.1 主切削力的對(duì)比分析 34CrNiMo6切削過(guò)程中的切削力的動(dòng)態(tài)變化如圖所示。由圖1可以看出，在刀具初始切入的瞬間，切削力急劇增大，并在極短的時(shí)間內(nèi)，切削進(jìn)入了穩(wěn)定階段。穩(wěn)定后的平均主切削力約為122N（在同等切削條件下，實(shí)驗(yàn)切削力為127N）。同實(shí)驗(yàn)中獲得的切削力曲線對(duì)比發(fā)現(xiàn)，仿真分析中獲得的切削力曲線波動(dòng)較大，在切削力達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)后，仍然存在20N范圍的波動(dòng)，這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因主要是由于工件材料的網(wǎng)格劃分問(wèn)題，單元節(jié)點(diǎn)連續(xù)不斷地分離。因此，切削力總的趨勢(shì)是不變的，但因節(jié)點(diǎn)的不斷分離而出現(xiàn)波動(dòng)。這種波動(dòng)的產(chǎn)生同實(shí)際的切削過(guò)程有所區(qū)別，但是切削力的平均值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果基本吻合，說(shuō)明此次仿真很好地反映了切削力的動(dòng)態(tài)變化情況，對(duì)工裝和夾具的設(shè)計(jì)很有幫助。

2.2 切削應(yīng)力分布 圖2所示為工件材料上的應(yīng)力分布情況，由圖可知，在接觸區(qū)內(nèi)，等效應(yīng)力的最大值發(fā)生在第一變形區(qū)內(nèi)，該處的應(yīng)力值達(dá)到1865MPa，越遠(yuǎn)離第一變形區(qū)，等效應(yīng)力σ下降越激烈。從圖可以看出，刀具切削區(qū)的最大主應(yīng)力分布在第二變形區(qū)內(nèi)。

3 結(jié)論

車削過(guò)程中，主切削力的三個(gè)幾何分力逐漸由零到達(dá)相對(duì)平穩(wěn)狀態(tài)，且相對(duì)平穩(wěn)狀態(tài)存在振蕩現(xiàn)象，這是由于軟件在模擬過(guò)程中，由于工件是通過(guò)網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)來(lái)傳遞作用力的，而刀具在切削的過(guò)程中接觸到刀具的節(jié)點(diǎn)是不斷變化的，這就導(dǎo)致了主切削力的振蕩現(xiàn)象。

刀具的最大等效應(yīng)力分別出現(xiàn)在前刀面主切削刃附近，同時(shí)在后刀面靠近主切削刃的地方也出現(xiàn)了較大的等效應(yīng)力，這與實(shí)際切削過(guò)程基本相似。

參考文獻(xiàn)：

[1]王亮德，王志孟，張樹濤.高速切削技術(shù)的發(fā)展及展望[J].濟(jì)南大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，10（2）.

[2]王西彬，解麗靜，劉志兵.難加工材料的高速切削與加工實(shí)例[J].新技術(shù)新工藝，2006，1.

[3]Usui E， Shirakashi T. Mechanics of Machining-from Descriptive to redictive Theory， on the Art of Cutting Metals-75 Years Later[J]. ASME-PED， 1982， 7：13～15.

摘要： 基于對(duì)切削原理的深入研究，建立了金屬切削過(guò)程的熱力耦合有限元模型?；?DEFORM-3D軟件平臺(tái)，模擬了金屬切削加工過(guò)程，得到了刀具和工件上的等效應(yīng)變、溫度場(chǎng)、刀具磨損的分布規(guī)律，仿真結(jié)果同實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析誤差在10%以內(nèi)。

Abstract： In this paper， the finite element models of metal cutting were first discussed systemically， based on metal cutting theroy. Based on the platform of finite element software DEFORM-3D， the processes of metal cutting were simulated and the laws of distribution disclosed for equivalent strain field， temperature field and tool wear were got. The error of the prediction is about 10%. The model has been validated by simulation results to be reliable.

關(guān)鍵詞： 有限元法；切屑成形仿真；材料模型；仿真預(yù)測(cè)

Key words： FEM；chip formation simulation；material model；simulation prediction

中圖分類號(hào)：TG506.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2014）10-0028-02

0 引言

高速加工（High Speed Machining，HSM）技術(shù)是一項(xiàng)先進(jìn)的、具有廣闊應(yīng)用前景的制造工藝。高速切削作為一種先進(jìn)切削加工技術(shù)，近幾年在航空、汽車、電子、模具等制造業(yè)中顯示出明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，受到國(guó)內(nèi)外越來(lái)越廣泛的關(guān)注[1]。

淬硬鋼（硬度HRC55～HRC65）是一類耐磨結(jié)構(gòu)材料，廣泛用于制造各種對(duì)硬度和耐磨性要求較高的基礎(chǔ)零部件。淬硬鋼經(jīng)淬火或低溫去應(yīng)力退火后具有較高硬度，通常采用磨削工藝進(jìn)行半精加工和精加工，不僅加工效率低，而且粉塵和廢液污染嚴(yán)重[2-3]。針對(duì)淬硬鋼的高速切削過(guò)程仿真相較于實(shí)驗(yàn)的方法具有更好的應(yīng)用性，本文將詳細(xì)探討針對(duì)此種難加工材料的高速切削仿真。

1 34CrNiMo6切削實(shí)驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)采用直角自由切削，工件材料選用外徑為100mm、厚度為2.0mm的34CrNiMo6材料。由于淬硬鋼的加工特點(diǎn)，選擇CBN刀具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行三組，每組實(shí)驗(yàn)的切削參數(shù)如表1所示。

通過(guò)Kistler測(cè)力儀對(duì)三次試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試，得到三向的切削力結(jié)果如表2所示。

2 仿真結(jié)果同實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

2.1 主切削力的對(duì)比分析 34CrNiMo6切削過(guò)程中的切削力的動(dòng)態(tài)變化如圖所示。由圖1可以看出，在刀具初始切入的瞬間，切削力急劇增大，并在極短的時(shí)間內(nèi)，切削進(jìn)入了穩(wěn)定階段。穩(wěn)定后的平均主切削力約為122N（在同等切削條件下，實(shí)驗(yàn)切削力為127N）。同實(shí)驗(yàn)中獲得的切削力曲線對(duì)比發(fā)現(xiàn)，仿真分析中獲得的切削力曲線波動(dòng)較大，在切削力達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)后，仍然存在20N范圍的波動(dòng)，這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因主要是由于工件材料的網(wǎng)格劃分問(wèn)題，單元節(jié)點(diǎn)連續(xù)不斷地分離。因此，切削力總的趨勢(shì)是不變的，但因節(jié)點(diǎn)的不斷分離而出現(xiàn)波動(dòng)。這種波動(dòng)的產(chǎn)生同實(shí)際的切削過(guò)程有所區(qū)別，但是切削力的平均值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果基本吻合，說(shuō)明此次仿真很好地反映了切削力的動(dòng)態(tài)變化情況，對(duì)工裝和夾具的設(shè)計(jì)很有幫助。

2.2 切削應(yīng)力分布 圖2所示為工件材料上的應(yīng)力分布情況，由圖可知，在接觸區(qū)內(nèi)，等效應(yīng)力的最大值發(fā)生在第一變形區(qū)內(nèi)，該處的應(yīng)力值達(dá)到1865MPa，越遠(yuǎn)離第一變形區(qū)，等效應(yīng)力σ下降越激烈。從圖可以看出，刀具切削區(qū)的最大主應(yīng)力分布在第二變形區(qū)內(nèi)。

3 結(jié)論

車削過(guò)程中，主切削力的三個(gè)幾何分力逐漸由零到達(dá)相對(duì)平穩(wěn)狀態(tài)，且相對(duì)平穩(wěn)狀態(tài)存在振蕩現(xiàn)象，這是由于軟件在模擬過(guò)程中，由于工件是通過(guò)網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)來(lái)傳遞作用力的，而刀具在切削的過(guò)程中接觸到刀具的節(jié)點(diǎn)是不斷變化的，這就導(dǎo)致了主切削力的振蕩現(xiàn)象。

刀具的最大等效應(yīng)力分別出現(xiàn)在前刀面主切削刃附近，同時(shí)在后刀面靠近主切削刃的地方也出現(xiàn)了較大的等效應(yīng)力，這與實(shí)際切削過(guò)程基本相似。

參考文獻(xiàn)：

[1]王亮德，王志孟，張樹濤.高速切削技術(shù)的發(fā)展及展望[J].濟(jì)南大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，10（2）.

[2]王西彬，解麗靜，劉志兵.難加工材料的高速切削與加工實(shí)例[J].新技術(shù)新工藝，2006，1.

[3]Usui E， Shirakashi T. Mechanics of Machining-from Descriptive to redictive Theory， on the Art of Cutting Metals-75 Years Later[J]. ASME-PED， 1982， 7：13～15.

摘要： 基于對(duì)切削原理的深入研究，建立了金屬切削過(guò)程的熱力耦合有限元模型?；?DEFORM-3D軟件平臺(tái)，模擬了金屬切削加工過(guò)程，得到了刀具和工件上的等效應(yīng)變、溫度場(chǎng)、刀具磨損的分布規(guī)律，仿真結(jié)果同實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析誤差在10%以內(nèi)。

Abstract： In this paper， the finite element models of metal cutting were first discussed systemically， based on metal cutting theroy. Based on the platform of finite element software DEFORM-3D， the processes of metal cutting were simulated and the laws of distribution disclosed for equivalent strain field， temperature field and tool wear were got. The error of the prediction is about 10%. The model has been validated by simulation results to be reliable.

關(guān)鍵詞： 有限元法；切屑成形仿真；材料模型；仿真預(yù)測(cè)

Key words： FEM；chip formation simulation；material model；simulation prediction

中圖分類號(hào)：TG506.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2014）10-0028-02

0 引言

高速加工（High Speed Machining，HSM）技術(shù)是一項(xiàng)先進(jìn)的、具有廣闊應(yīng)用前景的制造工藝。高速切削作為一種先進(jìn)切削加工技術(shù)，近幾年在航空、汽車、電子、模具等制造業(yè)中顯示出明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，受到國(guó)內(nèi)外越來(lái)越廣泛的關(guān)注[1]。

淬硬鋼（硬度HRC55～HRC65）是一類耐磨結(jié)構(gòu)材料，廣泛用于制造各種對(duì)硬度和耐磨性要求較高的基礎(chǔ)零部件。淬硬鋼經(jīng)淬火或低溫去應(yīng)力退火后具有較高硬度，通常采用磨削工藝進(jìn)行半精加工和精加工，不僅加工效率低，而且粉塵和廢液污染嚴(yán)重[2-3]。針對(duì)淬硬鋼的高速切削過(guò)程仿真相較于實(shí)驗(yàn)的方法具有更好的應(yīng)用性，本文將詳細(xì)探討針對(duì)此種難加工材料的高速切削仿真。

1 34CrNiMo6切削實(shí)驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)采用直角自由切削，工件材料選用外徑為100mm、厚度為2.0mm的34CrNiMo6材料。由于淬硬鋼的加工特點(diǎn)，選擇CBN刀具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行三組，每組實(shí)驗(yàn)的切削參數(shù)如表1所示。

通過(guò)Kistler測(cè)力儀對(duì)三次試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試，得到三向的切削力結(jié)果如表2所示。

2 仿真結(jié)果同實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

2.1 主切削力的對(duì)比分析 34CrNiMo6切削過(guò)程中的切削力的動(dòng)態(tài)變化如圖所示。由圖1可以看出，在刀具初始切入的瞬間，切削力急劇增大，并在極短的時(shí)間內(nèi)，切削進(jìn)入了穩(wěn)定階段。穩(wěn)定后的平均主切削力約為122N（在同等切削條件下，實(shí)驗(yàn)切削力為127N）。同實(shí)驗(yàn)中獲得的切削力曲線對(duì)比發(fā)現(xiàn)，仿真分析中獲得的切削力曲線波動(dòng)較大，在切削力達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)后，仍然存在20N范圍的波動(dòng)，這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因主要是由于工件材料的網(wǎng)格劃分問(wèn)題，單元節(jié)點(diǎn)連續(xù)不斷地分離。因此，切削力總的趨勢(shì)是不變的，但因節(jié)點(diǎn)的不斷分離而出現(xiàn)波動(dòng)。這種波動(dòng)的產(chǎn)生同實(shí)際的切削過(guò)程有所區(qū)別，但是切削力的平均值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果基本吻合，說(shuō)明此次仿真很好地反映了切削力的動(dòng)態(tài)變化情況，對(duì)工裝和夾具的設(shè)計(jì)很有幫助。

2.2 切削應(yīng)力分布 圖2所示為工件材料上的應(yīng)力分布情況，由圖可知，在接觸區(qū)內(nèi)，等效應(yīng)力的最大值發(fā)生在第一變形區(qū)內(nèi)，該處的應(yīng)力值達(dá)到1865MPa，越遠(yuǎn)離第一變形區(qū)，等效應(yīng)力σ下降越激烈。從圖可以看出，刀具切削區(qū)的最大主應(yīng)力分布在第二變形區(qū)內(nèi)。

3 結(jié)論

車削過(guò)程中，主切削力的三個(gè)幾何分力逐漸由零到達(dá)相對(duì)平穩(wěn)狀態(tài)，且相對(duì)平穩(wěn)狀態(tài)存在振蕩現(xiàn)象，這是由于軟件在模擬過(guò)程中，由于工件是通過(guò)網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)來(lái)傳遞作用力的，而刀具在切削的過(guò)程中接觸到刀具的節(jié)點(diǎn)是不斷變化的，這就導(dǎo)致了主切削力的振蕩現(xiàn)象。

刀具的最大等效應(yīng)力分別出現(xiàn)在前刀面主切削刃附近，同時(shí)在后刀面靠近主切削刃的地方也出現(xiàn)了較大的等效應(yīng)力，這與實(shí)際切削過(guò)程基本相似。

參考文獻(xiàn)：

[1]王亮德，王志孟，張樹濤.高速切削技術(shù)的發(fā)展及展望[J].濟(jì)南大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，10（2）.

[2]王西彬，解麗靜，劉志兵.難加工材料的高速切削與加工實(shí)例[J].新技術(shù)新工藝，2006，1.

[3]Usui E， Shirakashi T. Mechanics of Machining-from Descriptive to redictive Theory， on the Art of Cutting Metals-75 Years Later[J]. ASME-PED， 1982， 7：13～15.