乏燃料包殼切割裝置鋸切參數(shù)的計算與仿真

楊凱，曾慶生，王湘江

（南華大學 機械工程學院，湖南 衡陽 421001）

0 引言

乏燃料包殼切割裝置主要是對乏燃料棒體的外表殼進行切斷去除，且棒體外表殼是由不銹鋼薄板構成，考慮到加工精度問題，經常會使用金屬圓鋸片對其進行加工切斷。由于不銹鋼是高塑性、高韌性材料，且在切削加工過程中存在導熱性差、導熱系數(shù)小等問題[1]，為了提高鋸切精度，需要對其鋸切參數(shù)進行計算和仿真分析。

1 乏燃料包殼切割裝置和乏燃料棒結構分析

乏燃料包殼切割裝置結構原理圖如圖1所示，金屬圓鋸片1的刀齒材料為硬質合金，基體的材料為65Mn高錳鋼。鋸切電動機2實現(xiàn)金屬圓鋸片的鋸切功能。直線電動機3安裝在工作臺5上，帶動鋸切箱體4實現(xiàn)高精度切削，擺動氣缸6能夠實現(xiàn)金屬圓鋸片90°擺轉并切削，三柱式頂升液壓缸7實現(xiàn)退刀作用。

圖1 切割裝置結構原理圖

乏燃料棒體的結構圖如圖2所示，本次的切割工藝主要實現(xiàn)對乏燃料棒體六邊形外殼進行切斷去除。

圖2 乏燃料棒體結構圖

2 鋸切參數(shù)計算

本次切割的物體為乏燃料棒體的外邊表殼，分別對其橫向以及縱向去殼切削。切割刀具為直徑長度為360 mm的硬質合金圓鋸片，鋸齒為裝配齒，鋸齒的齒形如圖3所示，該鋸片一共有120個齒，齒距t為9.42 mm，基體厚度為2.25 mm，鋸齒厚度為2.6 mm，鋸切前角和后角都為8°。

圖3 鋸齒原理圖

圖4所示為鋸片切割運動過程示意圖，為刀具剛開始切割工件到完全切割的簡化示意圖，縱向切割和橫向切割進給速度u根據(jù)避免塞齒現(xiàn)象的險界公式[2]計算設計為30 mm/s和99 mm/s，鋸片的切削速度v為140 m/min。

圖4 鋸片切割運動過程圖示意圖

2.1 運動鋸切參數(shù)計算

1）初始相迎角α0、鋸齒鋸切完成時的相迎角α1和平均相迎角αave。

2.2 工件鋸切變形參數(shù)計算

2.3 切削力能參數(shù)和切削功率計算

3 基于ABAQUS的鋸切仿真

3.1 三維模型建立

通過SolidWorks三維軟件建立鋸切三維模型。

由于進給速度為30 mm/s，切割工件的長度為66.4 mm,如果完整地進行切削仿真不太可能實現(xiàn)，而且此次主要是希望得到鋸切力、鋸切溫度和鋸切應力參數(shù)，所以為了提高計算時間和計算精度，根據(jù)前面計算得到同時參與鋸切的齒數(shù)在3.44個，所以按照要求對模型進行簡化[6]。

3.2 材料屬性添加

圓鋸片的基體材料為65Mn高錳鋼，鋸齒為硬質合金鋼，鋸切工件材料為304不銹鋼，因為鋸切仿真為熱力耦合顯示動力學仿真，所以對所有材料進行密度、彈性模量、泊松比、導熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)、比熱容等參數(shù)添加。由于鋸片的基體只參與傳熱不參數(shù)切削，所以將其設置為離散剛體。

圖5 鋸切模型三維圖

圖6 鋸切模型簡化三維圖

材料本構模型能夠真實反映工件在鋸切過程中發(fā)生的彈塑性變形。本文針對切削的304不銹鋼工件主要使用Johnson-Cook模型作為鋸切材料的本構模型，其計算數(shù)學模型為式中：A為材料的靜態(tài)屈服強度，MPa；B為應變強化指數(shù)，MPa；n為應變率敏感系數(shù)；C為硬化指數(shù)；m為軟化指數(shù)；ε為材料塑性應變；ε˙0為參考應變率；Tr為加工材料初始溫度；Tm為材料熔化溫度。通過文獻[7]查得其參考應變率ε˙0為0.001 s-1，靜態(tài)屈服強度A為277 MPa，應變強化指數(shù)B為556 MPa，應變率敏感系數(shù)n為0.794，硬化指數(shù)C為0.0096，軟化指數(shù)m為0.944。

同時Johnson-Cook材料模型第二部分涉及到了對于剪切失效即切屑分離準則的數(shù)學模型，通過設定的斷裂應變臨界值來判斷材料是否失效[8]，其斷裂應變εf計算公式為

式中：σ*=p/σeff，為三軸應力度，其中p為靜水壓，MPa；σeff為Mises等效應力，MPa；通過參考文獻[9]查得304不銹鋼的涉及斷裂應變的材料參數(shù)d1、d2、d3、d4、d5分別為-0.49、0、0、-0.265、-0.54，參考應變率ε˙0為1 s－1。

3.3 接觸設置

將工件與刀齒面之間設置為表面與表面接觸，工件的區(qū)域設置為被切削的結點位置，刀具的區(qū)域設置為刀齒的側面及刀齒前刀面。同時對接觸參數(shù)進行設置，如切向行為、法向行為、生熱等。切削刀具與切屑有黏結摩擦和滑動摩擦，根據(jù)修正的庫侖摩擦模型可以根據(jù)接觸應力來判斷此次摩擦是何種摩擦[10]，因此對此增加一項除了面與面之間的摩擦外的通用摩擦，并且將其設置為庫倫摩擦。

3.4 網格劃分

考慮到鋸切的精度，同時鋸片與工件之間結構比較簡單，所以將它們的網格屬性設置為六面體，圓鋸片鋸齒與基體的單元類型選擇為全積分的C3D8T的“溫度-位移耦合”單元格類型，由于考慮到工件再發(fā)生剪切變形時產生剪切封閉現(xiàn)象，所以對工件單元設置為減法縮積分的C3D8RT的單元類型[11]。

3.5 鋸切仿真結果分析

1）鋸切力仿真分析。鋸切力仿真結果如圖8所示。

圖7 鋸切模型網格圖

圖8 鋸切力仿真結果圖

從圖中可以看出單齒進行鋸切時最大鋸切力為21.5 N，根據(jù)前面的計算公式計算得到的平均單齒鋸切受力為25.12 N，可以得到仿真的結果與理論計算的結果之間的誤差為14.4%，說明仿真結果還是比較精確的。

2）鋸切溫度分析。鋸切溫度仿真結果如圖9所示。

圖9 鋸切溫度仿真結果圖

由于受到鋸切工件的塑性變形和切屑摩擦作用，并且304不銹鋼熱擴散率和熱導率都比較小，所以熱量一般不容易擴散，所以基本上產生的切削熱都會聚集在切削刀具的前刀面上，從圖中發(fā)現(xiàn)前刀面上的最高切削溫度達到459.1 ℃，這與文獻[12]中硬質合金車削304不銹鋼的實驗結果基本上相近，說明該鋸切仿真的精度比較高。

3）應力分析。鋸切過程應力分布仿真結果如圖10所示。

圖10 應力分布仿真結果圖

從圖中可以看出切削應力主要分布在刀齒的前刀面上，最高應力為6948 MPa，刀齒的側面沒有出現(xiàn)接觸應力，所以往往出現(xiàn)這些應力集中的地方容易發(fā)生破損及磨損。

4 結論

1）根據(jù)鋸切金屬的數(shù)學理論模型計算得出在鋸切過程中平均單齒鋸切力為25.12 N，同時基于ABAQUS仿真軟件分析得出單齒鋸切力為21.5 N，它們之間的結果誤差為14.4%，表明計算結果和仿真結果的準確性比較高。

2）基于ABAQUS軟件仿真動態(tài)鋸切過程，得出前刀面的最高切削溫度達到459.1 ℃，這與查得的文獻中硬質合金切削304不銹鋼的實驗結果基本符合，表明仿真結果的準確性高。

3）鋸切過程中，鋸切應力主要集中分布在鋸齒前刀面上，最高達到6948 MPa，所以可以看出前刀面是最容易發(fā)生磨損及斷裂的地方。