超聲車削瞬時(shí)切削力仿真研究

張興紅，閆德鑫，陳 鑫

(1.重慶理工大學(xué)時(shí)柵傳感及先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054; 2.湖南科技經(jīng)貿(mào)職業(yè)學(xué)院電氣與信息工程系，湖南衡陽 421001)

超聲車削瞬時(shí)切削力仿真研究

張興紅1，閆德鑫2，陳 鑫1

(1.重慶理工大學(xué)時(shí)柵傳感及先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054; 2.湖南科技經(jīng)貿(mào)職業(yè)學(xué)院電氣與信息工程系，湖南衡陽 421001)

針對(duì)尚未掌握超聲輔助車削加工過程中瞬時(shí)切削力的變化規(guī)律的情況，運(yùn)用有限元軟件ANSYS/LS－DYNA，采用Johnson－Cook本構(gòu)模型建立了40CrNiMo合金超聲車削加工的三維模型。利用正交切削方式對(duì)超聲車削和普通車削進(jìn)行了切削力的仿真，得到了超聲車削和普通車削的瞬時(shí)切削力變化曲線。將超聲車削和普通車削的平均切削力大小進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，超聲車削的平均切削力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于普通車削的平均切削力。

超聲車削;普通車削;有限元仿真;平均切削力

經(jīng)過近一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，金屬切削技術(shù)(例如車削、鉆、磨削等)得到了近乎完美的發(fā)展。特別是車削技術(shù)，它是加工復(fù)雜形狀零件的重要手段。當(dāng)用傳統(tǒng)的車削方法加工材料時(shí)，雖然刀具始終不離開加工材料，但是刀面在切削的同時(shí)撐擠被切物，伴隨著切屑的形成，切屑與刀具之間存在相互的擠壓和摩擦作用，導(dǎo)致刀具不可避免地會(huì)產(chǎn)生振幅和頻率都隨機(jī)變化的切削振動(dòng)現(xiàn)象。研究人員發(fā)現(xiàn):切削振動(dòng)一方面不利于零件的加工;而另一方面由于該振動(dòng)的存在，又在一定程度上降低了切削功率，使切屑收縮現(xiàn)象顯著減少，改善了切屑的形成條件。為了避免這種隨機(jī)振動(dòng)造成的危害，同時(shí)又充分發(fā)揮切削振動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，研究人員嘗試在車削加工過程中在刀具上施加一定規(guī)律的小振幅高頻振動(dòng)，使刀具的隨機(jī)振動(dòng)變成穩(wěn)定的有規(guī)律的振動(dòng)。此時(shí)會(huì)產(chǎn)生動(dòng)摩擦并且以動(dòng)摩擦代替靜摩擦，從而使摩擦力大大降低，這對(duì)切削加工十分有利，可獲得良好的切削效果。這種新的車削方法被稱為振動(dòng)輔助車削。超聲輔助車削技術(shù)是把超聲振動(dòng)有規(guī)律地疊加在刀具上，是結(jié)合超聲波技術(shù)和傳統(tǒng)切削工藝的一種新型車削技術(shù)。

與傳統(tǒng)的車削相比，超聲輔助車削能大大降低切削過程中的瞬時(shí)切削力，其主要原因是刀具和工件周期性分離以及切削力的減?。?－2］。然而目前對(duì)超聲輔助車削的微觀機(jī)理尚認(rèn)識(shí)不足，未掌握超聲輔助車削過程中瞬時(shí)切削力的變化規(guī)律，這嚴(yán)重影響超聲車削技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用［3］。因此，對(duì)超聲輔助車削中切削力的變化規(guī)律進(jìn)行深入研究，對(duì)于揭示超聲輔助車削技術(shù)的機(jī)理，獲得更好的加工效果，進(jìn)而促進(jìn)超聲車削技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展有重要的意義。

1 超聲車削有限元模型的建立

金屬切削加工有正交切削和斜角切削2種方式。對(duì)于正交切削情形，切削刃與切削速度方向垂直，刃傾角為0，如圖1所示。本實(shí)驗(yàn)仿真采用正交切削方式。

圖1 正交切削

金屬切削過程中，刀具剪切擠壓工件，使工件先發(fā)生彈性變形然后發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生應(yīng)變硬化，最后沿著前刀面形成切屑。刀具材料的強(qiáng)度和硬度要比工件材料的強(qiáng)度和硬度大得多，因此可將刀具看作是不發(fā)生塑性變形的彈性材料，對(duì)刀具采用彈性單元進(jìn)行彈塑性分析。雖然振動(dòng)切削的工件進(jìn)給速度較低，但是刀具瞬時(shí)振動(dòng)沖擊速度較高，故振動(dòng)切削加工過程中材料仍然表現(xiàn)出具有高應(yīng)變和高應(yīng)變率的特點(diǎn)［4］。因此，工件材料選用 Johnson－Cook本構(gòu)模型，如式(1)所示［5］。

式(1)中:A，B，n，c，m分別表示屈服應(yīng)力強(qiáng)度、應(yīng)變強(qiáng)化常數(shù)、應(yīng)變硬化指數(shù)、應(yīng)變率強(qiáng)化參數(shù)和溫度應(yīng)變率靈敏度，其取值分別為793 MPa，510 MPa，0.26，0.014，1.03。

Johnson－Cook［6］提出了材料斷裂準(zhǔn)則，考慮了應(yīng)變、應(yīng)變速率、溫度以及應(yīng)力。每個(gè)單元斷裂值可以由式(2)確定。

本實(shí)驗(yàn)仿真采用的損傷參數(shù)D1，D2，D3，D4，D5分別為0.05，3.44，－2.21，0.002，1.61。

圖2為利用ANSYS14.0軟件建立的三維超聲輔助車削的有限元模型。工件選用40CrNiMo合金結(jié)構(gòu)鋼材料，采用Johnson－Cook本構(gòu)模型，密度為7 840 kg/m3，彈性模量E=200 GPa，泊松比μ= 0.32。工件長3.0 mm，寬0.3 mm，高1.0 mm。刀具采用碳化鎢硬質(zhì)合金，選用SOLID164實(shí)體單元類型，彈性模量E=550 GPa、泊松比μ=0.3，切削深度t=0.1 mm，采用LaGrange單點(diǎn)積分算法，利用映射法來劃分網(wǎng)格。刀具劃分為160個(gè)單元，工件劃分為18 000個(gè)單元。

圖2 三維超聲輔助車削有限元模型

數(shù)值仿真的環(huán)境溫度設(shè)置為20℃，在刀具上施加頻率f=20 kHz、振幅a=13 μm的高頻振動(dòng)。由振動(dòng)輔助車削技術(shù)可知，超聲振動(dòng)車削的臨界速度為Vc=2πfa=1.6 m/s。為達(dá)到良好的斷續(xù)切削效果，切削速度應(yīng)小于臨界速度的1/3［7］。因此，仿真的切削速度V=0.3 m/s，那么刀具上的速度Vtool=2πafsin(2πft)。同時(shí)，在刀具和工件相互作用的接觸面也產(chǎn)生摩擦，這會(huì)影響到切削力、切削溫度和刀具受的應(yīng)力。然而這個(gè)摩擦形式非常復(fù)雜，受到工件材料、切削厚度、切削速度和刀具前角的影響，如果摩擦模型建立得不當(dāng)，將導(dǎo)致第一變形區(qū)的剪切滑移加劇，甚至?xí)绊懙降诙冃螀^(qū)的變形，所以摩擦模型的建立是切削模擬是否成功的關(guān)鍵技術(shù)之一［8］。有學(xué)者在車削的有限元分析摩擦模型的接觸設(shè)置中對(duì)摩擦邊界條件進(jìn)行了簡化，設(shè)置刀具前刀面和工件之間以及刀具底面和工件之間的摩擦條件一致，均為剪切摩擦，即τ=μτ0。其中:τ為剪切應(yīng)力;μ為摩擦因子;τ0為剪切屈服強(qiáng)度;摩擦因數(shù)均為0.6［9］。本次仿真采用的摩擦定律的形式如下:

其中:σfr為摩擦應(yīng)力;ˉσ為等效應(yīng)力;Vr為相對(duì)移動(dòng)速度;Vcr為臨界移動(dòng)速度;mfr為摩擦因數(shù); sgn(x)為x的符號(hào)函數(shù)。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 普通車削瞬時(shí)切削力仿真曲線

圖3為切削速度為0.3 m/s、切削厚度為0.1 mm時(shí)的普通車削瞬時(shí)切削力變化曲線?？梢钥闯?進(jìn)行普通車削加工時(shí)，切削力會(huì)有一個(gè)波動(dòng)，這是由于伴隨著切屑的形成，切屑與刀具之間存在相互的擠壓和摩擦作用，導(dǎo)致刀具不可避免地產(chǎn)生振幅和頻率都隨機(jī)變化的切削振動(dòng)現(xiàn)象，這就會(huì)使切削力在一個(gè)小范圍內(nèi)變化，最大的切削力達(dá)到43 N，最小的切削力為28 N。

圖3 普通車削瞬時(shí)切削力變化

2.2 超聲車削瞬時(shí)切削力仿真曲線

為了避免這種隨機(jī)振動(dòng)造成的危害，同時(shí)又充分發(fā)揮切削振動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，在刀具上施加了一個(gè)恒定頻率的振動(dòng)，這就產(chǎn)生了超聲車削技術(shù)。利用超聲車削技術(shù)對(duì)40CrNiMo合金進(jìn)行切削仿真時(shí)，切削速度設(shè)為0.3 m/s，切削厚度為0.1 mm，對(duì)刀具施加一個(gè)頻率為20 kHz、振幅為13 μm的超聲振動(dòng)，得到超聲車削時(shí)的瞬時(shí)切削力變化曲線，如圖4所示。由圖4可見，切削力有一個(gè)規(guī)律的固定周期性變化(周期是50 μs)。只有當(dāng)?shù)毒哒駝?dòng)速度大于工件的切削速度且方向一致時(shí)，刀具才會(huì)離開切屑，實(shí)現(xiàn)刀具與切屑的分離，這時(shí)切削力大小為0。當(dāng)?shù)毒吲c工件的相對(duì)速度最大時(shí)，切削力出現(xiàn)最大值。刀具與切屑接觸的時(shí)間大約為25 μs。這也是降低對(duì)刀具的磨損、延長刀具使用壽命的一個(gè)重要因素。

圖4 超聲車削瞬時(shí)切削力變化

2.3 超聲車削與普通車削瞬時(shí)切削力的對(duì)比分析

圖5為超聲車削和普通車削在同樣的切削速度0.3 m/s和同樣的切削厚度0.1 mm下的切削力變化。從圖5可以看出:普通車削時(shí)的切削力和超聲車削時(shí)的最大切削力相差不太大;普通車削的平均切削力大約是35 N，超聲車削平均切削力大約是12 N，普通車削的平均切削力是超聲車削平均切削力的3倍左右。

圖5 普通車削和超聲車削瞬時(shí)切削力變化

3 結(jié)論

通過有限元軟件 ANSYS/LS－DYNA 對(duì)40CrNiMo合金進(jìn)行超聲車削和普通車削的仿真，采用Johnson－Cook本構(gòu)模型，建立了三維車削模型。在相同的仿真環(huán)境和條件下分別進(jìn)行了普通車削和超聲車削瞬時(shí)切削力的仿真，得出了其切削力大小的變化規(guī)律。結(jié)果表明:

1)普通車削瞬時(shí)切削力并不是恒定不變的，而是會(huì)由于刀具和切屑接觸時(shí)產(chǎn)生一個(gè)不規(guī)律的振動(dòng)，導(dǎo)致瞬時(shí)切削力在一個(gè)小范圍內(nèi)不規(guī)則地波動(dòng)。

2)超聲車削瞬時(shí)切削力是有規(guī)律的周期性變化，當(dāng)?shù)毒唠x開切屑時(shí)切削力變?yōu)樽钚≈?。當(dāng)施加在刀具上的超聲振動(dòng)振幅位移達(dá)到最大時(shí)，這時(shí)切削力也達(dá)到了最大值。

3)普通車削平均切削力是超聲車削平均切削力的3倍左右，利用超聲加工技術(shù)能大大降低加工時(shí)的平均切削力。

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(責(zé)任編輯 劉 舸)

Simulation Research on the Instantaneous Cutting Force in Ultrasonic Turning

ZHANG Xing－h(huán)ong1，YAN De－xin2，CHEN Xin1
(1.Chongqing Key Laboratory of Time－grating Sensing and Advanced Testing Technology，Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China;2.Department of Electric and Information Engineering，Hunan Science and Technology Economy Trade Vocation College，Hengyang 421001，China)

As for the phenomenon that people do not master the change rule of the instantaneous cutting force in the ultrasonic assisted turning processing，and by using the finite element software of ANSYS/ls－dyna and adopting Johnson－Cook constitutive model，we established a 3D model of 40CrNiMo alloy ultrasonic turning processing.Simulating the cutting force of ultrasonic turning and common turning using the orthogonal cutting way，we obtained the instantaneous cutting force curve of ultrasonic turning and common turning.At the same time，we compared the average cutting force of ultrasonic turning with the common turning’s，and the results show that the average cutting force of ultrasonic turning is far less than the average cutting force of ordinary cutting.

ultrasonic turning;ordinary turning;finite element simulation;average cutting force

TG663

A

1674－8425(2014)07－0039－04

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.07.009

2014－05－12

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275551);重慶市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(cstc2012jjA70004);重慶理工大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(YCX2012314)

張興紅(1970—)，男，博士，教授，主要從事計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試技術(shù)等研究。

張興紅，閆德鑫，陳鑫.超聲車削瞬時(shí)切削力仿真研究［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014(7):39－42.

format:ZHANG Xing－h(huán)ong，YAN De－xin，CHEN Xin.Simulation Research on the Instantaneous Cutting Force in Ultrasonic Turning［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(7):39－42.