基于Deform3D的不銹鋼車(chē)削加工仿真研究

韋遼

摘 要：不銹鋼是典型的難加工材料。為了更詳細(xì)地了解金屬材料的切削加工，采用CAE仿真軟件Deform 3D為平臺(tái)，根據(jù)有限元法對(duì)304不銹鋼的切削加工過(guò)程進(jìn)行建模和仿真。同時(shí)采用正交試驗(yàn)法對(duì)304不銹鋼進(jìn)行車(chē)削加工試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果和有限元仿真模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，為實(shí)際生產(chǎn)工藝選擇參數(shù)提供合理的參考。

關(guān)鍵詞：切削加工;Deform 3D;正交試驗(yàn);有限元仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：TB ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.22.092

0 引言

切削加工是機(jī)械制造行業(yè)中應(yīng)用廣泛的零件金屬成形工藝，是國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)課題。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，304不銹鋼廣泛用于制造需要良好性能的設(shè)備和零件上。硬質(zhì)合金硬度比較高，是加工304不銹鋼常用的刀具材料之一。硬質(zhì)合金因?yàn)槌哂捕?、高紅硬性、高強(qiáng)度和韌性廣泛地應(yīng)用于切削刀具、礦用工具和耐磨零件中。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元方法理論的飛躍發(fā)展，有限元已被廣泛應(yīng)用于分析切削加工領(lǐng)域中。常用的CAE仿真軟件有MARC、DEFORM、AdvantEdge、ABAQUS等。

Deform 3D可以隨著刀具的幾何形狀、切削速度和切削深度來(lái)預(yù)測(cè)一些參數(shù)的情況，如切削力大小、應(yīng)力應(yīng)變、切削溫度高低、磨損大小、磨損形式等。采用CAE仿真軟件Deform 3D為平臺(tái)，根據(jù)有限元法對(duì)304不銹鋼的切削加工過(guò)程進(jìn)行建模和仿真。同時(shí)采用正交試驗(yàn)法對(duì)304不銹鋼進(jìn)行車(chē)削加工試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果和有限元仿真模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，為實(shí)際生產(chǎn)工藝選擇參數(shù)提供合理的參考。

1 基于Deform 3D的不銹鋼車(chē)削加工仿真

1.1 Deform 3D簡(jiǎn)介

Deform 3D是基于有限元分析方法的專(zhuān)業(yè)工藝仿真軟件，可以綜合建模、網(wǎng)格劃分、成形、熱傳導(dǎo)等進(jìn)行模擬仿真分析，適用于熱、冷、溫成形，可以得到詳細(xì)和有益的工藝數(shù)據(jù)。Deform 3D可以?xún)?yōu)化工藝參數(shù)選擇，提高工程設(shè)計(jì)效率，縮短開(kāi)發(fā)周期，減少經(jīng)濟(jì)開(kāi)支從而節(jié)約成本。

1.2 切削仿真模型的建立

Deform 3D軟件的仿真模型可以從外部CAD軟件導(dǎo)入。在實(shí)際中可以使用常用三維繪圖軟件來(lái)描繪刀具和工件的三維幾何模型，如UG、Solidworks、Pro/E等，隨后導(dǎo)入到Deform 3D軟件中進(jìn)行模擬仿真。

1.3 材料模型的建立

材料模型的建立，就是要獲得材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)關(guān)系（本構(gòu)關(guān)系），以定義材料在載荷作用下的響應(yīng)行為。在Deform 3D自帶材料庫(kù)，可以選擇相應(yīng)的刀具和工件材料。

1.4 模型網(wǎng)格劃分

在金屬成形有限元分析軟件中，常用的單元主要有8節(jié)點(diǎn)六面體單元和四面體常應(yīng)變單元。由于四面體常應(yīng)變單元簡(jiǎn)單、實(shí)用，文章選取四面體常應(yīng)變單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料

實(shí)驗(yàn)所用的設(shè)備包括數(shù)控車(chē)床、測(cè)力儀。實(shí)驗(yàn)刀具為YW2硬質(zhì)合金刀片，工件材料為304不銹鋼。切削條件：干切削。

2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

為了深入分析模擬結(jié)果，文章對(duì)304不銹鋼進(jìn)行了單因素車(chē)削加工試驗(yàn)，分析了切削參數(shù)對(duì)切削加工過(guò)程的影響。

切削力傳感器是由瑞士公司制造的測(cè)力儀。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果分析

切削力是切削加工過(guò)程中關(guān)鍵的物理參數(shù)，影響刀具的磨損情況和工件已加工表面質(zhì)量。

圖1所示為Deform 3D環(huán)境下車(chē)削加工模擬分析過(guò)程的示意圖。

切削過(guò)程中用切削速度、切削深度和進(jìn)給量來(lái)了解切削加工的過(guò)程。為了研究不同的切削參數(shù)變化對(duì)切削力的影響，采用正交實(shí)驗(yàn)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。正交實(shí)驗(yàn)表和切削力仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)值比較表如表1所示。

在實(shí)際加工過(guò)程中，由于環(huán)境溫度變化、刀具磨損狀況、加工參數(shù)對(duì)排屑情況等因素的影響，可能會(huì)導(dǎo)致實(shí)際數(shù)值與模擬數(shù)值產(chǎn)生一定的誤差。同時(shí)，因?yàn)榻饘偾邢鬟^(guò)程是一個(gè)非線(xiàn)性問(wèn)題，具有連續(xù)性和動(dòng)態(tài)性特征，在Deform 3D中對(duì)于刀具和工件的網(wǎng)格劃分不同也將會(huì)導(dǎo)致誤差產(chǎn)生，在仿真切削過(guò)程中一些單元可能被擠壓或變形，嚴(yán)重影響切削精度，導(dǎo)致計(jì)算過(guò)程不收斂，也會(huì)產(chǎn)生誤差。

從表1可以看出，考慮到實(shí)際切割中材料的失效和摩擦條件非常復(fù)雜，誤差在8%以?xún)?nèi)，所以模擬結(jié)果是可以接受的。Deform 3D模擬在理想條件下，實(shí)際加工過(guò)程中存在各種影響因素，可以看出實(shí)驗(yàn)值和切削力模擬值存在一定的誤差。但總體誤差很小，在可接受的范圍內(nèi)。

從圖2可以看出，當(dāng)?shù)毒唛_(kāi)始切削工件后，切削力開(kāi)始比較小，隨著時(shí)間的增加不斷增加，到了一定時(shí)間后才會(huì)達(dá)到穩(wěn)定值，數(shù)值在一定范圍內(nèi)也存在不斷波動(dòng)情況，這與在實(shí)際試驗(yàn)中利用測(cè)力儀所獲取的圖表變化趨勢(shì)是一致的。

4 結(jié)語(yǔ)

文章以CAE仿真軟件Deform 3D為研究平臺(tái)，根據(jù)有限元法對(duì)304不銹鋼的切削加工過(guò)程進(jìn)行建模和仿真。同時(shí)采用正交試驗(yàn)法對(duì)304不銹鋼進(jìn)行車(chē)削加工試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果和有限元仿真模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，為實(shí)際生產(chǎn)工藝選擇參數(shù)提供合理的參考和理論指導(dǎo)。

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