基于DEFORM的304不銹鋼銑削數(shù)值模擬*

侍海東

(安徽工業(yè)大學機械工程學院，安徽馬鞍山 243002)

0 引言

304不銹鋼由于其良好的機械性能，被廣泛應用于眾多工業(yè)領域，但是，相比于其他鋼，其相對可切削性約在0．3～0．5之間，是一種難切削材料。為此，如何提高該類材料制品的加工質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，成為了急需解決的工藝問題，也成為當前研究的一個熱點。而在切削加工的諸多物理現(xiàn)象中，切削力具有重要的研究價值，過大的切削力會使刀具和工件產(chǎn)生讓刀變形，降低加工精度，并使切削溫度升高，刀具磨損，引起工藝系統(tǒng)振動，降低已加工表面質(zhì)量。文獻［1］針對加工過程的切削用量選擇、工件表面粗糙度、切屑形態(tài)等問題進行不銹鋼材料在干切削和微量潤滑劑下切削的深入研究;韋偉等［2］也通過建立熱力耦合、平面應變模型和正交試驗，模擬了不銹鋼車削加工過程中切削力的變化。然而，銑削在切削加工中也有著舉足輕重的作用，對銑削加工過程中切削力變化的研究同樣對不銹鋼材料的切削機理有著重要影響。目前，國內(nèi)外也有很多專家對銑削力及其力的模型進行研究［3-5］，因而深入研究銑削過程中切削力的大小和分布規(guī)律，對分析切削機理、合理選擇銑削工藝參數(shù)、改進銑削加工過程都具有重要意義。

1 基本理論

銑削加工作為一種重要的金屬制造工藝方法，在銑削的過程中會涉及到材料非線性、幾何非線性以及狀態(tài)非線性等問題，人工的切削實驗難以觀察到表面粗糙度、微觀組織變化、加工硬化等評價加工質(zhì)量指標的變化情況。304不銹鋼由于其本身的特殊性，在銑削加工中通常表現(xiàn)出以下特點［6］。

(1)銑削力大 不銹鋼材料，由于導熱系數(shù)小、高溫強度和高溫硬度高，切削過程中的熱量大部分被刀具所吸收，刀具溫度升高，容易磨損，且抗拉強度式中保持在400 MPa左右。

(2)加工硬化趨勢強 因不銹鋼材料塑性大，變形時容易產(chǎn)生晶格變形，造成很大的強化系數(shù)，部分奧氏體在銑削應力的作用下會轉(zhuǎn)變成馬氏體，產(chǎn)生嚴重的加工硬化。

(3)粘刀現(xiàn)象嚴重不銹鋼材料在和其他金屬材料接觸時，在高溫高壓下會產(chǎn)生粘附現(xiàn)象，銑削時，刀具上容易產(chǎn)生切屑瘤，降低加工表面質(zhì)量。

(4)線膨脹系數(shù)大 不銹鋼的線膨脹系數(shù)約為碳素鋼的1．5倍，加上銑削溫度高的緣故，工件產(chǎn)生變形，難以控制加工精度。

然而，金屬切削有限元仿真軟件DEFORM有效地解決了這些問題，它可以全面考慮工件材料、刀具材料及幾何參數(shù)、切削加工參數(shù)、換熱系數(shù)等多種因素，通過對銑削加工過程的物理仿真，得到工件在被加工過程中銑削力的分布情況。其仿真模擬的一般流程如圖1所示。

圖1 DEFORM模擬流程圖

2 銑削參數(shù)選擇及模型建立

由于金屬切削加工的有限元模擬是一個十分復雜的過程，涉及到塑性力學、斷裂力學、彈性力學以及熱力學、摩擦學等，且在實際的加工制造中，刀具的幾何參數(shù)、切削參數(shù)、切削路徑等都會影響加工的表面質(zhì)量，其復雜性使得模擬中某些地方的處理難度比較大。為更容易實現(xiàn)銑削模擬，假設銑削過程中產(chǎn)生連續(xù)切屑，并設定模擬初始的環(huán)境溫度、刀具溫度和工件溫度均為20℃，摩擦系數(shù)為0．3，熱傳導率為16N/sec/mm/℃［7］，選用硬質(zhì)合金作為刀具材料，刀具、刀片參數(shù)如表1、表2，刀具三維模型如圖2所示。

表1 刀具尺寸參數(shù)

表2 刀片尺寸參數(shù)

實驗中通常是利用立銑刀銑削工件平面以測得其切削力。然而，在DEFORM有限元仿真中仿真立銑刀銑削工件平面的過程比較復雜，模擬效果不太理想。這里將銑刀銑削的復雜過程簡化，銑刀簡化為一個銑刀片，工件簡化為一個圓弧片，利用銑刀片來切削可以更加直觀地看到銑削的過程及切屑擠壓變形斷裂的過程。

圖2 刀具三維模型圖

3 銑削模擬結(jié)果分析

在切削不銹鋼時，對銑削力的影響因素主要為徑向切深ae、軸向切深ap、每齒進給量fz和切削速度v。為更好的分析比較銑削力，參照文獻［8］的正交試驗表對4個切削參數(shù)，按照每個參數(shù)4個水平進行模擬仿真。圖3顯示了切削加工中工件材料在刀具的作用下發(fā)生變形，產(chǎn)生切屑，切屑逐漸與工件分離，并發(fā)生卷曲變形的過程。

圖3 切削過程變化的DEFORM模擬圖

由于切削用量對Z軸方向的切削力影響不大，故主要模擬X，Y軸兩個方向的銑削力。根據(jù)文獻［8］選取當參數(shù)為 ae=3 mm，ap=1．5 mm，fz=0．13 mm/rev，v=67．824 m/min 時，經(jīng)過數(shù)值模擬，得到銑削力Fx、Fy隨時間變化的規(guī)律如圖4、5所示。

圖4 切削力F x

圖5 切削力F y

圖4 、5可以看出，當?shù)毒咔腥牍ぜ?，切削力很快達到穩(wěn)定值。在設定的切削路徑上，隨著刀具的前進，切削力不斷增大，當?shù)都馇暗墓?jié)點滿足分離標準時，刀尖前方臨近的節(jié)點開始分離，切削力就會突然降低，隨著刀具的前進，切削力就會呈現(xiàn)出波動變化，在某一平衡位置附近形成圖中所示的幅度曲線。模擬得到此條件下X和Y方向的銑削力值見表3所列。

表3 銑削力誤差

從表3中發(fā)現(xiàn)，模擬值和實驗值基本上符合比較好，由于仿真模型是在一定假設條件下建立的，很多參數(shù)都與實際情況存在差別，如實驗環(huán)境溫度，潤滑環(huán)境，模型中的刀具和工件網(wǎng)格劃分的不一致導致一些網(wǎng)格單元被壓扁或者扭曲而使計算過程不收斂等問題都會造成誤差的存在;而且仿真模型是簡化后的仿真模型，與實際的切削狀態(tài)還是存在一定的差別。同時，在通過其他組參數(shù)模擬比較重可以直觀地看到，仿真模擬的切削力的變化趨勢是隨著實驗值的變化而變化的，說明銑削力模擬是具有一定的準確性，模擬結(jié)果可以接受。

4 結(jié)論

建立了一個簡化的銑削模型，通過DEFORM有限元仿真軟件對304不銹鋼進行了銑削的模擬仿真，得到了特定切削用量下的銑削力值，并與實驗所得數(shù)據(jù)進行比較分析，仿真結(jié)果與實驗結(jié)果較為符合，銑削模型能夠很好地預測預測銑削力值。同時，對誤差產(chǎn)生原因進行了分析，為進一步對銑削參數(shù)的優(yōu)化，選擇更加合適的網(wǎng)格劃分及模擬環(huán)境奠定了基礎，對不銹鋼的切削加工和機理研究具有一定的指導意義。

［1］ 李宇智．0Cr18Ni9不銹鋼材料在干切削和微量潤滑劑下的車削實驗研究［D］．上海:同濟大學，2008．

［2］ 韋 偉，任家隆．不銹鋼切削力和切削溫度的有限元模擬［J］．工具技術，2009 43(2):67-70．

［3］ Yang IQ，DeVorShiv R E，Kappor G．Analysis of forceshape characteristics and detection of depth of cut variations in end milling［J］．ASME Journal of Manufacturing Science and Engineering，2005，127(3):454-462．

［4］ 李艷聰，徐燕申，張連洪．不銹鋼立銑切削力實驗研究及模型建立［J］．制造技術與機床，2009(8):72-75．

［5］ Walsh A．Hangbook ofmachining and metalworkoing calculations．New York McGraw-Hill，2001．

［6］ 劉曉東，許耀東．不銹鋼的切削研究［D］．上海:同濟大學，2005．

［7］ 王厚華．傳熱學［M］．重慶:重慶大學出版社，2006．

［8］ 時忠明，李興華，汪通悅．0Cr18Ni9不銹鋼銑削力的回歸正交實驗研究［J］．機械設計與制造，2013(8):240-242．