車削過程溫度與應(yīng)力分布的有限元模擬

侯健 鄧恒鳳

中國工程物理研究院材料研究所 四川 江油 621907

引言

應(yīng)力與熱是機器加工過程比較關(guān)注的問題，尤其在薄壁工件或是活性金屬材料的加工過程[1-2]，應(yīng)力與熱導(dǎo)致的工件變形和切削著火都會引起不可接受的后果。本文采用有限元方法模擬了切削過程的應(yīng)力與熱分布，以期對其過程有更多認(rèn)識。

1 模擬參數(shù)設(shè)置

在有限元車削模擬軟件AdvantEdge 6.2上開展相關(guān)模擬。刀具的選擇是一個重要環(huán)節(jié)，刀具為普通碳鋼。通常采用的是平面車刀片，加工之前應(yīng)先確定刀具車削刃 的鈍圓半徑、前角、后角、刀具涂層數(shù)及涂層厚度等。在此基礎(chǔ)上，給定模擬中和刀具有關(guān)的輸入?yún)?shù)，如前刀面長度、后刀面長度、最大刀具單元尺寸、最小單元尺寸和網(wǎng)格梯度等，其切削刃的相關(guān)參數(shù)如表1所示。最大單元尺寸為0.1mm，最小單元尺寸為0.02mm，鈍圓半徑為0.02mm，網(wǎng)絡(luò)梯度為0.5。模擬材料性能設(shè)置為25至400℃范圍熱導(dǎo)率從3.12至16.2 W/(m·K)，比熱為0.114至0.14kJ/(kg·K)。

續(xù)表

對于車削加工而言，在二維模擬中，保持刀具固定，部件相對刀具進行運動，從而產(chǎn)生車削效果。在二維的車削加工中，刀具相對工件表面運動從而產(chǎn)生車削效果，需要輸入的參數(shù)是刀具的背吃刀量及相對運動速度。工件相對刀具的運動速度為0.3m/min，刀具的背吃刀量為0.15mm。二維模擬中刀具與工件的匹配關(guān)系及網(wǎng)格劃分如圖1所示，可見刀具外圍的網(wǎng)格比內(nèi)部的細密，特別在與工件接觸的部分刀具網(wǎng)格最細密，這是為了保證切削過程中應(yīng)力與溫度的計算精度?；谙嗤脑?，對工件而言，越接近刀具的部分網(wǎng)格越細密，越遠離刀具的部分網(wǎng)格越粗糙。

圖1 二維刀具與工件的匹配關(guān)系及網(wǎng)格劃分示意圖

車削加工的對象可以是一個平面，也可以是一個旋轉(zhuǎn)體（如形狀規(guī)則的柱體或殼體等），選取模擬棒狀樣品為對象開展車削加工模擬。

在刀具及工件導(dǎo)入過程中，輸入STEP文件后應(yīng)檢查文件中可能存在的錯誤及問題，確保文件正確后再設(shè)置仿真車削條件及網(wǎng)格參數(shù)。刀具及工件的導(dǎo)入與仿真計算中其余步驟之間的執(zhí)行順序如圖2所示。

圖2 刀具及工件的導(dǎo)入與仿真計算中其余步驟之間的執(zhí)行順序

2 模擬結(jié)果

二維車削過程中，刀具與工件表面有相對運動，因車削而產(chǎn)生刀具與工件的局部應(yīng)力與溫度的升高。圖3是車削加工過程中刀具與工件的溫度分布云圖，可見工件與刀具鈍圓接觸部分的溫度最高，接近400℃。初始階段刀具內(nèi)部溫度尚未明顯上升，隨著車削的進行，刀具內(nèi)部溫度逐漸升高，最終大部分刀具均升至100℃以上。工件的溫度變化過程與刀具有明顯差異，由圖3可見，工件可分為切削與基體兩部分，從一開始切削部分就接近300℃且?guī)缀踉谡麄€切削體中呈均勻分布，在整個車削過程中切削溫度基本保持不變，只有與刀具接觸部分溫度略高；對工件基體部分而言，刀具劃過的區(qū)域溫度會有明顯升高，但與切削的高溫相比仍然有較大差距，這是因為工件基體部分的傳熱方式單一，幾乎只有導(dǎo)熱。圖3表明，工件基體的溫度不會劇烈升高，即使在車削最后階段，工件基體的大部分區(qū)域溫度仍不超過100℃，反而自始至終產(chǎn)生的切削溫度都很高，這為防范生產(chǎn)過程中高溫切削可能造成的傷害提供了參考。

圖3 二維車削加工過程中刀具與工件的溫度分布

圖4是車削加工過程中刀具與工件的應(yīng)力分布云圖，與溫度場相似的是，工件與刀具鈍圓接觸部分的應(yīng)力最高，約300MPa。整個車削過程中，刀具與工件中均未產(chǎn)生劇烈的應(yīng)力升高，當(dāng)?shù)毒咦哌^工件表面后，工件的應(yīng)力迅速恢復(fù)，即降為接近于零的水平[3]。圖4表明，車削加工造成的工件內(nèi)部的應(yīng)力差異并不明顯，反而刀具內(nèi)部的應(yīng)力分布更易受車削加工的影響，隨著車削的進行，刀具中的應(yīng)力分布不均勻性越來越顯著。

圖4 二維車削加工過程中刀具與工件的應(yīng)力分布

刀具與工件接觸部分的作用力隨時間的變化規(guī)律如圖5所示，可見只有在初始加工階段作用力變化顯著，其后的加工過程中，橫向與縱向作用力均保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)。橫向作用力明顯大于縱向作用力，穩(wěn)定階段前者約為后者的三倍，這是因為橫向與刀具工件的相對運動方向一致。

圖5 二維車削加工過程中刀具與工件接觸點的作用力分布

3 結(jié)束語

模擬結(jié)果表明，刀具溫度隨加工的進行逐漸升高，工件基體的溫度僅有輕微的升高，加工產(chǎn)生的切削溫度很高，甚至不低于刀具的最高溫度；只有刀具與工件接觸的局部應(yīng)力較高，工件基體及切削中的應(yīng)力較低且分布大致均勻。