切削加工有限元仿真教學設(shè)計與研究

江晉劍，胡桂姬，趙夫超

（1.安慶師范大學計算機與信息學院，安徽安慶246133；2.安慶職業(yè)技術(shù)學院機械工程系，安徽安慶246003）

信息化技術(shù)的飛速發(fā)展使仿真教學應(yīng)用越來越廣泛。對于專業(yè)實踐性強的課程，比如切削加工，運用仿真教學能將理論與實踐相結(jié)合[1]，讓學生不用參加工程實踐，就能對切削加工過程從任意角度進行觀察，直觀形象，讓學生對切削加工有直觀感性認識，從而提高學習的主動性與積極性?？紤]教學示范性和應(yīng)用性等要求，本文運用耗時少、經(jīng)費要求低的有限元軟件ABAQUS對切削加工過程進行仿真[2]。選取塑性大、導(dǎo)熱能力差、容易導(dǎo)致加工硬化及加工性能較低的不銹鋼30CrMnSi[3]作為仿真工件材料，在ABAQUS中建立二維切削加工模型進行仿真教學，在課堂上實時演示切削加工機理，加深學生對切削加工的感性認識，從而提高課堂教學效果。

1 基于有限元軟件ABAQUS的切削加工仿真教學設(shè)計

有限元軟件ABAQUS，可以把刀具和被加工工件材料的受力特點和切削成形生動地展現(xiàn)出來，實現(xiàn)理論與試驗教學相結(jié)合，通過情景教學培養(yǎng)學生分析和處理問題的能力。下面就在ABAQUS中建立二維切削加工模型開展仿真教學設(shè)計。

1.1 建立仿真教學切削加工模型

1）建立二維切削加工幾何模型

在有限元軟件ABAQUS中，首先生成仿真刀具和工件，然后將刀具材料參數(shù)設(shè)為YT15硬質(zhì)合金，工件材料參數(shù)設(shè)為不銹鋼30CrMnSi，再利用自適應(yīng)網(wǎng)格（ALE）技術(shù)對其進行網(wǎng)格劃分，并針對鱗片微織構(gòu)區(qū)域進行了較細劃分，最后創(chuàng)建的仿真教學用二維切削加工幾何模型如圖1所示。

圖1 二維切削加工幾何模型

2）建立刀具與工件材料摩擦模型

切削摩擦一般發(fā)生在刀具與工件材料的接觸區(qū)域，是兩個接觸區(qū)域表面間產(chǎn)生的切向作用力，與其溫度、應(yīng)力及應(yīng)變等因素有關(guān)[4]。為了讓學生對切削摩擦現(xiàn)象深入理解，同時為了使摩擦仿真更加準確，這里使用ABAQUS中修正的庫倫摩擦模型：

其中，τf為靠近刀尖的粘接區(qū)摩擦應(yīng)力，σn為正應(yīng)力，τˉs為工件材料極限剪應(yīng)力，μ為摩擦因數(shù)，這里μ=0.5。

3）建立工件材料剪切失效模型

在切削加工教學中講到工件材料失效與塑性應(yīng)變、主應(yīng)變及主應(yīng)力等許多參數(shù)有關(guān)，物理力學機制非常復(fù)雜，真實受力狀態(tài)很難描述。為了讓學生感性認識剪切失效，在ABAQUS中選擇簡單的J-C（Johnson-Cook）模型進行仿真教學，其單元損傷模[5]型如下所示：

其中D為損傷參數(shù)，取值為0或1，εp為一個時間步的塑性應(yīng)變增量，εf為當前時間步的應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)變率和溫度下的破壞應(yīng)變[6]，定義：

（3）式中的D1、D2、D3、D4和D5是切削加工工件材料參數(shù)。D1為屈服應(yīng)力強度，D2為應(yīng)變強化常數(shù)，D3為應(yīng)變強化指數(shù)，D4為應(yīng)變率強化參數(shù)，D5為溫 度應(yīng)變率靈敏度。 σ*=p/σeff=-σkk/σeff=-Rσ，p為壓力,σeff為等效應(yīng)力,Rσ為應(yīng)力三軸度。ε*= ε/ε0為無量綱塑性應(yīng)變率，ε0為參考塑性應(yīng)變率。T*=(T-Tr)/(Tm-Tr)為無量綱溫度,Tr為參考溫度(室溫),Tm為材料的融化溫度。

1.2 設(shè)定仿真教學模型參數(shù)

1）設(shè)定刀具和工件材料相關(guān)參數(shù)

在ABAQUS中按表1、表2設(shè)定仿真刀具和工件的材料參數(shù)。

表2 不銹鋼材料30CrMnSi參數(shù)

2）設(shè)定幾何模型邊界參數(shù)

根據(jù)仿真教學需要，通過ENCASTER設(shè)置30CrMnSi工件材料模型各個方向運動的邊界參數(shù)，將刀具Y軸方向設(shè)置為不能旋轉(zhuǎn)。將30CrMnSi工件材料、刀具初始溫度均設(shè)為20℃，具體設(shè)置參數(shù)界面如圖2、圖3所示。

圖2 工件模型邊界參數(shù)設(shè)置界面

圖3 刀具模型邊界參數(shù)設(shè)置界面

3）設(shè)定切屑分離臨界參數(shù)

仿真教學中，通過設(shè)定J-C（Johnson-Cook）模型單元損傷參數(shù)D的臨界值，對單元進行剪切。ABAQUS中取決于網(wǎng)格的劃分，當?shù)都夂偷都馇皢卧木嚯x小于設(shè)定的臨界值時，這兩個單元就會按照特定的路線分開，實現(xiàn)兩個單元分離過程[7]。為了仿真教學方便，這里設(shè)置D初始為0，D為1時判定工件材料切削分離。

1.3 切削加工仿真教學分析

1）應(yīng)力仿真分析

圖4 Step 20等效應(yīng)力分布圖

圖4 、圖5分別給出了Step 20和Step 380時間步時工件材料的等效應(yīng)力分布圖。由圖可見，刃前區(qū)工件應(yīng)力分布狀態(tài)最為復(fù)雜，在第一變形區(qū)等效應(yīng)力數(shù)值最大，并有較大變化梯度;第二變形區(qū)應(yīng)力的分布較為均勻。Step 20中，在刀具剛接觸工件時，工件中最大應(yīng)力存在于刀尖與工件的相接處。刀具的前刀面和后刀面都存在一個最大的應(yīng)力點，由此可以推斷出刀具的破壞形式主要為靠近刀具刀尖的前刀面和后刀面以及切削刃。在主后刀面產(chǎn)生最大應(yīng)力點的原因是在加工過程中其受到已加工表面的擠壓與摩擦作用，刀尖最大應(yīng)力點主要由刀具對工件的沖擊、熱力藕合等現(xiàn)象形成。刀具前刀面的應(yīng)力主要是由于刀具與工件的摩擦造成。隨著仿真的進行，在Step 380處，可以看出最大應(yīng)力處區(qū)域不斷增加，并且最大應(yīng)力明顯的分布在第一變形區(qū)域，這主要是由于第一變形區(qū)發(fā)生了彈塑性變形。通過這兩步等效應(yīng)力仿真分析，可以讓學生直觀地掌握各步等效應(yīng)力分布情況，理解切削加工的具體過程。

圖5 Step 380等效應(yīng)力分布圖

2）塑性應(yīng)變仿真分析

由圖6、圖7可以看出，仿真輸出塑性應(yīng)變分布與教材論述基本一致[8]。即當?shù)毒唛_始切入工件時，工件材料的塑性應(yīng)變主要集中在刀尖處。隨著刀具進一步切削，在剪切區(qū)(第一變形區(qū))的形成過程中，塑性應(yīng)變區(qū)域延伸至整個剪切面上。由于切屑沿前刀面排出時進一步受到前刀面的擠壓和摩擦，使靠近前刀面材料也發(fā)生塑性變形，即在第二變形區(qū)和第三變形區(qū)也有塑性變形，但最大的塑性變形多發(fā)生在第一變形區(qū)，且第一變形區(qū)隨著刀具的移動而向前平移[9]。

圖6 刀具在工件材料開始處塑性應(yīng)變分布圖

圖7 刀具在工件材料剪切區(qū)塑性應(yīng)變分布圖

2 不同切削參數(shù)對切削加工的影響分析

2.1 不同切削速度對切屑成形的影響

切削速度對切屑成形的影響如圖8、圖9所示。在其他條件不變的情況下，切削速度對切屑成形的影響是非常明顯的。在低速的情況下，切屑呈崩脆形的，隨著速度的增大切屑的成形越來越好，高速切削有利于切屑成形。仿真結(jié)果表明，隨著切削速度的提高，切屑的卷曲半徑越來越小，切屑越容易折斷。

2.2 不同刀具角度對切屑成形的影響

圖10、圖11給出了切削速度為70 m/s時，8度和12度前角切屑成形的仿真結(jié)果。結(jié)果表明，隨著刀具前角的增大，剪切區(qū)切屑的流動性增強，切屑形狀變得細長，切屑的卷曲半徑越來越大。所以減小刀具前角，可使切屑變形加大，切屑容易折斷。

圖8 70 m/min切削速度對切屑成形影響圖

圖9 110 m/min切削速度對切屑成形影響圖

圖10 8度前角對切屑成形影響圖

圖11 12度前角對切屑成形影響圖

2.3 不同切削參數(shù)對切削力的影響分析

1）切削速度對切削力影響

設(shè)定切削深度ap=2 mm，前角12度、后角8度時，切削力與切削速度關(guān)系如圖12所示，表明隨切削速度增加，摩擦因數(shù)減小，變形系數(shù)減小，從而使切削力減小。

2）刀具前角對切削力的影響

設(shè)定切削深度ap=2 mm,Vc=70 m/min，后角8度時，切削力與刀具前角關(guān)系如圖13所示，表明增大前角可以減小切屑的變形，從而減小切削力的切削功率，降低切削溫度，提高刀具耐用度。

圖12 切削力與切削速度關(guān)系圖

圖13 切削力與刀具前角關(guān)系圖

3 總結(jié)

學生缺乏工程經(jīng)驗，切削加工的空間概念薄弱，難以理解工件材料參數(shù)、刀具位置等的作用，對于工件材料失效分離和刀具角度的要求只是記憶，傳統(tǒng)教學法使得課堂教學效果不佳。本文以不銹鋼30CrMnSi材料作為工件、YT15作為刀具，利用有限元軟件ABAQUS構(gòu)建二維正交切削加工模型，實時演示切削加工的動力學行為，增加了學生對切削加工的感性認識，同時，通過對不同參數(shù)仿真結(jié)果的分析比較，讓學生直觀地看到切削速度和刀具角度對切屑成形產(chǎn)生的影響，幫助學生理解切削加工過程中的應(yīng)力分布和應(yīng)變水平等問題，掌握切削加工機理，讓切削加工課堂教學更加生動、更加具體，激發(fā)學生的學習興趣，增強學生的工程意識，培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力，提高了教學效果。