切割過(guò)程建模及刀具磨損仿真

李 紅， 王大鎮(zhèn), 葉銜真

(1.集美大學(xué)誠(chéng)毅學(xué)院 機(jī)械工程系， 福建 廈門 361021; 2.集美大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 福建 廈門 361021)

切割過(guò)程建模及刀具磨損仿真

李 紅1， 王大鎮(zhèn)2, 葉銜真1

(1.集美大學(xué)誠(chéng)毅學(xué)院 機(jī)械工程系， 福建 廈門 361021; 2.集美大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 福建 廈門 361021)

在切割過(guò)程中的刀具加工系統(tǒng)坐標(biāo)系建立了工件幾何模型和接觸模型，進(jìn)行了切割過(guò)程以及刀具磨損的仿真研究。

刀具磨損； 數(shù)值模擬； 切割； 切屑形成

0 引 言

機(jī)械加工過(guò)程離不開(kāi)切削加工，即在刀具的切割作用下實(shí)驗(yàn)零件的加工成型[1-3]。 對(duì)于這些刀具的磨損已經(jīng)開(kāi)展了很多調(diào)查，這有助于研究人員更好地理解刀具磨損的殘余應(yīng)力對(duì)最終產(chǎn)物的影響[4-5]。

加工過(guò)程時(shí)，刀具和工件接觸的過(guò)程以及磨損接觸的現(xiàn)象說(shuō)明了通過(guò)形成之間的關(guān)系微動(dòng)系統(tǒng)碎片和摩擦中消耗的能量[6-7]。這個(gè)耗能可控制在接觸區(qū)中使用量方面[8]。因此，文中通過(guò)對(duì)切割過(guò)程中刀具和工件的摩擦作用問(wèn)題進(jìn)行建模仿真研究，分析了刀具在切割時(shí)的磨損變化情況。

1 刀具加工系統(tǒng)

在傳統(tǒng)孔加工技術(shù)的基礎(chǔ)上，讓刀具和工件相對(duì)位置之間存在固定方向上的規(guī)律性高頻振動(dòng)，目的是使孔加工過(guò)程中速度和深度以及進(jìn)給量都能夠有規(guī)律地控制，能夠在很大程度上減少切削力和加工中產(chǎn)生的溫度，更為有效地控制加工工件的質(zhì)量，同時(shí)提高了加工效率。

加工系統(tǒng)刀具進(jìn)給軌跡決定了刀具和工件之間的相對(duì)接觸位置，保證了他們之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。可以說(shuō)刀具進(jìn)給軌跡的確定對(duì)保證加工制動(dòng)至關(guān)重要。加工系統(tǒng)刀具進(jìn)給軌跡坐標(biāo)示意如圖1所示。

圖1 刀具工作坐標(biāo)系示意圖

xoy為與振動(dòng)臺(tái)平行的平面，z軸為刀具進(jìn)給方向。

設(shè)p點(diǎn)為鉆頭主切削刃上最外端一點(diǎn)，鉆頭轉(zhuǎn)過(guò)角度θ，p點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算如下：

(1)

式中:vj----刀具進(jìn)給速度，μm/s；

f----振動(dòng)頻率，Hz；

A----工件振幅，μm；

n----鉆頭轉(zhuǎn)速，r/s；

r----鉆頭半徑,μm。

2 幾何建模

幾何形狀和刀具網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 幾何形狀和刀具網(wǎng)格劃分

為了保持計(jì)算的精度，對(duì)刀具和元件接觸區(qū)域(趨于D)進(jìn)行網(wǎng)格加密特殊處理。

2.1 幾何清理

幾何清理的第一步就是曲面修復(fù)。幾何清理的過(guò)程就是要將不合適的自由邊去掉，以方便網(wǎng)格的劃分。

CAE的分析過(guò)程中，70%～80%的時(shí)間用于劃分網(wǎng)格，而劃分網(wǎng)格的過(guò)程中，70%～80%的時(shí)間做幾何處理，如果沒(méi)做好模型空間的幾何處理而直接進(jìn)行網(wǎng)格劃分，那么后續(xù)將會(huì)出現(xiàn)不理想的網(wǎng)格，進(jìn)而會(huì)對(duì)這些不理想的網(wǎng)格進(jìn)行二次劃分，那樣進(jìn)行網(wǎng)格修復(fù)更麻煩，最終也很難劃分出理想的網(wǎng)格。為了盡量減少計(jì)算規(guī)模，也為了更好地劃分網(wǎng)格,提高數(shù)值模擬計(jì)算的效率，有必要對(duì)空間幾何模型進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化。

2.2 網(wǎng)格劃分

理論上，網(wǎng)格劃分越細(xì)越好,但是，過(guò)于追求高質(zhì)量網(wǎng)格就會(huì)增加計(jì)算時(shí)間。因此,要綜合多方面的因素來(lái)確定合適的液壓管路網(wǎng)格劃分方式。文中在網(wǎng)格劃分時(shí)主要考慮以下幾方面的問(wèn)題：

1)網(wǎng)格類型。對(duì)充液管路結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分采用的是二維單元，盡可能多地使用四邊形單元，盡可能少地使用三角形網(wǎng)格，使網(wǎng)格數(shù)量控制在一定的范圍。

2)網(wǎng)格尺寸。網(wǎng)格尺寸決定了網(wǎng)格的數(shù)量，網(wǎng)格數(shù)量過(guò)多不僅使數(shù)值計(jì)算規(guī)模成倍地增加，同時(shí)對(duì)計(jì)算機(jī)的性能也會(huì)有更高的要求，為了兼顧計(jì)算的精度和效率，設(shè)定網(wǎng)格尺寸為10mm。

3)網(wǎng)格疏密調(diào)整。對(duì)于不同的結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格疏密的調(diào)整對(duì)保障計(jì)算的速度是很有必要的，在結(jié)構(gòu)比較規(guī)整、表面比較平坦的部分，將網(wǎng)格調(diào)整得稀疏些，這樣可以保證在對(duì)結(jié)果影響不大的情況下提高計(jì)算的效率。

4)網(wǎng)格質(zhì)量的檢查。當(dāng)網(wǎng)格形狀比較理想的時(shí)候，計(jì)算結(jié)果也會(huì)很理想，但在實(shí)際操作過(guò)程中，網(wǎng)格變形是很難避免的，而變形了的網(wǎng)格過(guò)多，會(huì)對(duì)數(shù)值計(jì)算的精度產(chǎn)生明顯影響。如果網(wǎng)格質(zhì)量不滿足要求，將會(huì)導(dǎo)致分析計(jì)算的結(jié)果錯(cuò)誤,甚至不能計(jì)算出結(jié)果，因此有必要對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查，對(duì)于質(zhì)量太差的網(wǎng)格進(jìn)行手動(dòng)控制，保證整體的網(wǎng)格質(zhì)量滿足計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)。

在ABAQUS中斷裂能實(shí)施的目的是為了在相當(dāng)?shù)偷恼磺邢髦姓业揭粋€(gè)快速的刀具磨損，并持續(xù)幾毫秒數(shù)值計(jì)算，直至得到收斂的結(jié)果。在較高的應(yīng)變、應(yīng)變率和溫度的金屬切割過(guò)程中對(duì)材料的流動(dòng)有很大影響。為了得到更好的切屑結(jié)果，考慮計(jì)算時(shí)間對(duì)保證模型的計(jì)算精度具有重要的意義。

3 接觸問(wèn)題

刀具在切削工件的過(guò)程中，接觸問(wèn)題的建立是研究刀具磨損的關(guān)鍵，對(duì)保證切削模型計(jì)算精度非常重要。目前，經(jīng)典的切削模擬和剛性元件的接觸是動(dòng)態(tài)變化的，這無(wú)形中增加了計(jì)算的難度。為了保證刀具節(jié)點(diǎn)和元件工作表面節(jié)點(diǎn)在相互作用時(shí)不干涉，因此對(duì)他們進(jìn)行分別設(shè)定,設(shè)定刀具與元件之間的摩擦系數(shù)為0.2,切削模型的接觸問(wèn)題的建立如圖3所示。

圖3 接觸問(wèn)題

4 數(shù)值模擬

4.1 切削過(guò)程模擬

切削過(guò)程在模擬的時(shí)候需要控制計(jì)算時(shí)間變量，它是已知的計(jì)算時(shí)間甚至不太重要的在下面的順序配方、拉格朗日、歐拉和ALE。切削過(guò)程模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 切削過(guò)程模擬結(jié)果

可以看到，在切削過(guò)程中隨著刀具的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，切屑隨之脫落，加工變形主要發(fā)生在接觸區(qū)。

4.2 磨損數(shù)值模擬

刀具磨損仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 刀具磨損仿真

結(jié)果表明，月牙洼磨損逐漸發(fā)展為模擬研究進(jìn)展。據(jù)觀察，這種刀具磨損計(jì)算方法顯示出對(duì)刀具磨損比的計(jì)算精度不佳，這是因?yàn)樵谟?jì)算的過(guò)程中忽略了刀具接觸面在力的作用下會(huì)出現(xiàn)的回彈現(xiàn)象。刀具的磨損主要發(fā)生在接觸區(qū)域，也正是接觸區(qū)域的摩擦作用導(dǎo)致了刀具的磨損消耗。

5 結(jié) 語(yǔ)

在分析切割過(guò)程中,在刀具加工系統(tǒng)工作坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上建立了工件切割過(guò)程中的幾何模型和接觸模型。一方面是致力于發(fā)展一種新的方法，使我們能夠顯著降低計(jì)算所需的時(shí)間完成模擬；另一方面提高了仿真計(jì)算的精度，并分析了切割過(guò)程以及刀具磨損的仿真結(jié)果，為切削研究提供一定的理論基礎(chǔ)。

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Cutting process modeling and tool wear simulation

LI Hong1， WANG Dazhen2, YE Xianzhen1

(1.Department of Mechanical Engineering, Chengyi University College, Jimei University, Xiamen 361021, China；2.School of Mechanical Engineering， Jimei University， Xiamen 361021, China)

In cutting tool system coordination during the cutting process, both the tool geometry model and contact model are built. Numerical simulation for the cutting process and tool wear is given here.

tool wear; numerical simulation; cutting; chip formation.

2016-05-25

福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(2015J01215); 福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目(JAT160692); 集美大學(xué)誠(chéng)毅學(xué)院青年科研基金科技類項(xiàng)目(C16001)

李 紅(1981-)，女，漢族，遼寧沈陽(yáng)人，集美大學(xué)誠(chéng)毅學(xué)院講師,碩士，主要從事先進(jìn)制造技術(shù)(精密和特種加工理論與技術(shù))方向研究,E-mail:wswhqk@163.com.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2016.6.05

TH 164

A

1674-1374(2016)06-0540-04