基于Deform仿真平臺(tái)的銑削加工切削深度和進(jìn)給速度分析

吳志光

摘要：為了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)切削過程對(duì)溫度的影響，應(yīng)用Deform仿真平臺(tái)，對(duì)切削參數(shù)對(duì)切削力和切削溫度的影響展開仿真分析。先通過UG軟件構(gòu)建刀具，再將其導(dǎo)入ABAQUS內(nèi)完成建模過程。仿真結(jié)果得到，銑削加工切削溫度在刀面處獲得最高的溫度，此位置摩擦受熱最大。在0.01～0.05mm的切削深度范圍內(nèi)工件形成的最高溫度。隨著進(jìn)給速度逐漸增大，切削最高溫度表現(xiàn)出先增加后減小的變化規(guī)律，最大值發(fā)生在進(jìn)給速度20mm/min時(shí)。

關(guān)鍵詞：銑削;切削參數(shù);切削溫度;Deform;仿真分析

0? 引言

當(dāng)前，科技水平不斷提升，促進(jìn)了各類產(chǎn)品不斷朝著更加小型化與精密化的方向發(fā)展，并對(duì)人們的日常生活以及工業(yè)生產(chǎn)過程產(chǎn)生了明顯的影響[1-3]。隨著當(dāng)前計(jì)算機(jī)運(yùn)行性能的提升以及各類軟件的開發(fā)，已有許多學(xué)者開始將有限元仿真方法應(yīng)用于對(duì)各參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行分析，并且還可以對(duì)加工期間遇到的問題進(jìn)行處理[4-5]。與傳統(tǒng)分析方式相比，采用有限元方法可以顯著降低實(shí)驗(yàn)次數(shù)，使整體開發(fā)成本得到有效控制，此外還可以利用該方法對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行預(yù)測(cè)，同時(shí)獲得更優(yōu)的工藝參數(shù)與刀具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)等[6]。YongYang等[8]在構(gòu)建得到J-C本構(gòu)模型之后，再以Deform有限元分析軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)鈦合金加工過程的仿真過程，同時(shí)對(duì)銑削期間的溫度分布情況進(jìn)行了分析，通過研究得到前刀面具有比后刀面更高的溫度，發(fā)現(xiàn)前刀面達(dá)到最高溫度，與切削刃基本相同。為了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)切削過程對(duì)溫度的影響，本文應(yīng)用Deform仿真平臺(tái)，對(duì)切削參數(shù)對(duì)切削力和切削溫度的影響展開仿真分析。

1? 仿真模型

對(duì)金屬進(jìn)行切削的時(shí)候，會(huì)發(fā)生快速應(yīng)變并產(chǎn)生高溫作用，實(shí)際設(shè)定的材料參數(shù)對(duì)于仿真精度具有顯著影響，為確保能夠達(dá)到精確仿真的效果，先通過UG軟件構(gòu)建尺寸為φ=0.4mm的刀具，再將其導(dǎo)入ABAQUS內(nèi)完成建模過程。為提高計(jì)算精度與處理效率，對(duì)工件結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化得到圖2所示的結(jié)果。

具體包含了以下各仿真步驟：

①采用剛體結(jié)構(gòu)模擬刀具，并將工件設(shè)定成TC4成分，通過Johnson-Cook本構(gòu)模型來實(shí)現(xiàn)，構(gòu)建得到仿真模型。②通過C3D8RT溫度位移耦合單元來構(gòu)建網(wǎng)格單元，并對(duì)刀具刀尖在切削期間的網(wǎng)格實(shí)施細(xì)化。③利用溫度-位移方式構(gòu)建分析步，設(shè)定切削時(shí)長(zhǎng)為0.005s，為獲得更高的運(yùn)算效率，將質(zhì)量縮放因子設(shè)定在10。

2? 仿真結(jié)果分析

圖3顯示了在銑削期間發(fā)生切屑脫落而造成溫度與切屑的改變情況?？梢悦黠@看到，銑削加工切削溫度在刀面處獲得最高的溫度，這是因?yàn)殂娤鲿r(shí)在刀面處會(huì)產(chǎn)生明顯的摩擦生熱現(xiàn)象，產(chǎn)生很多的熱量進(jìn)而轉(zhuǎn)變成刀具的溫度，只剩下少量熱量會(huì)殘留于工件上，應(yīng)重點(diǎn)對(duì)最高切削溫度進(jìn)行研究。

2.1 切削深度

處于恒定的進(jìn)給速率與進(jìn)給速度條件下，隨著切削深度的變化，將會(huì)引起工件達(dá)到不同的溫度。從圖4中可以看到，在1000r/min轉(zhuǎn)速下設(shè)定進(jìn)給速度為10mm/min時(shí)，在0.01～0.05mm的切削深度范圍內(nèi)工件形成的最高溫度。

根據(jù)圖4可知，當(dāng)切削深度增大后，將會(huì)引起切削溫度的升高，這是由于當(dāng)切深度增大后，將會(huì)引起切削部位形成更多的熱量，同時(shí)獲得更大的切屑長(zhǎng)度、體積與表面積，由此得到不同的加工環(huán)境，導(dǎo)致切削溫度不會(huì)發(fā)生同等比例的提高。

2.2 進(jìn)給速度

圖5顯示了在其它參數(shù)恒定的狀態(tài)下，在不同的進(jìn)給速度下切削溫度發(fā)生的改變?？梢园l(fā)現(xiàn)，切削溫度同樣受到進(jìn)給速度的較大影響，當(dāng)進(jìn)給速度逐漸增大后，切削溫度開始上升，而在達(dá)到某一臨界值后，切削溫度發(fā)生降低的現(xiàn)象，最大值發(fā)生在進(jìn)給速度20mm/min時(shí)。這是因?yàn)樵诟筮M(jìn)給速度下，將會(huì)引起材料去除體積的顯著增加，從而造成熱量積累，但增加幅度變化相對(duì)穩(wěn)定，甚至發(fā)生降低的情況。

進(jìn)給速度增大，會(huì)引起切削溫度的上升，同時(shí)表現(xiàn)為溫度上升速率不斷增大的特征，產(chǎn)生這一變化趨勢(shì)的原因是切削熱來自第一變形區(qū)塑性變形過程以及刀具發(fā)生摩擦?xí)r產(chǎn)生的熱量，大部分切削熱都是出現(xiàn)在靠近刀具面的區(qū)域，當(dāng)?shù)睹娼佑|到工件材料后，形成的摩擦熱將逐漸傳遞至切削、刀具以及工件中，因此進(jìn)給速度快速增大時(shí)，將會(huì)形成更快的切屑流出速率，無法將熱量高效傳輸給刀具與切屑，從而引起溫度的快速上升，隨著后續(xù)刀面摩擦接觸時(shí)間進(jìn)一步增加后，導(dǎo)致更多熱量發(fā)生堆積，引起切削溫度的顯著升高。

3? 結(jié)論

先通過UG軟件構(gòu)建刀具，再將其導(dǎo)入ABAQUS內(nèi)完成建模過程。仿真結(jié)果得到：①銑削加工切削溫度在刀面處獲得最高的溫度，這是因?yàn)殂娤鲿r(shí)在刀面處會(huì)產(chǎn)生明顯的摩擦生熱現(xiàn)象，產(chǎn)生很多的熱量進(jìn)而轉(zhuǎn)變成刀具的溫度。②隨著進(jìn)給速度逐漸增大，切削最高溫度表現(xiàn)出先增加后減小的變化規(guī)律，最大值發(fā)生在進(jìn)給速度20mm/min時(shí)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張文盟，董長(zhǎng)雙，馬世玲.GH4169合金微細(xì)銑削加工表面硬化仿真研究[J].機(jī)床與液壓，2019，47（21）：151-154.

[2]田璐，韓旭炤，高峰，韓闖.微細(xì)銑削技術(shù)研究綜述[J].機(jī)械強(qiáng)度，2019，41（03）：618-624.

[3]Cuang Chen， Chengzu Ren， Pan Zhang et al. Measurement and finite element simulation of micro-cutting temperatures of tool tip and work-piece[J]. International Journal? of Machine Tools&Manufacture， 2013（75）：16-26.

[4]劉朋和，姜增輝，土?xí)粤?TC4欽合金切削溫度的仿真與試驗(yàn)研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2013（10）：81-88.

[5]白清順，張亞博，王永旭，白錦軒.CVD金剛石刀具的微細(xì)銑削仿真及試驗(yàn)研究[J].工具技術(shù)，2018，52（10）：22-27.

[6]馮燦波，謝桂芝，盛曉敏，等.不銹鋼超高速磨削試驗(yàn)研究[J].中國機(jī)械工程，2013，24（03）：322-326.

[7]王江，黃筱調(diào)，張虎.砂輪修整工藝參數(shù)對(duì)成形磨齒粗糙度的影響[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2014（12）：19-21，26.

[8]Yong Yang， Weiwei Zhu. Study on cutting temperature during milling of titanium alloy based on FEM and experiment[J]. Int J Adv Manuf Technol，2014（73）：1511-1521.