有限元切削仿真技術在發動機缸體銑削中的應用

馮應超，黃 蔚

（上汽通用五菱股份有限公司，廣西 柳州 5450007）

迄今為止，國內外學者對金屬切削機理進行了大量深入的研究，通過經驗或解析的方法，建立了一系列切削的模型，但是通過這些模型得到的切削力、溫度等數據，具有很大的誤差，也不能準確地模擬切屑的形態以及切削力、溫度、應力應變等物理場的分布，有些模型還需要做大量的實驗，來提供修正參數；對加工工藝參數的選擇，目前也主要還是停留在通過經驗或者進行大量的試切進行的，成本比較高，周期也比較長，效率低下。如何快速準確地模擬仿真實際切削加工，從而得到切削力、切削溫度、刀具磨損等數據和如何選擇合理的加工工藝參數，仍是需要深入研究的問題。

1 仿真分析技術及軟件在國內外的發展現狀

隨著計算機技術的發展，有限元方法被大量應用于金屬切削仿真當中。有限元金屬切削仿真，是通過數值分析的方法來模擬切削加工過程，使用有限元方法建立刀具和工件的模型，在切削仿真軟件中對該模型進行自適應有限元網格化分，根據刀具、工件的材料屬性，分析刀具切屑界面接觸摩擦行為準則、切削過程中工件材料屈服流動準則等，將工件材料屬性表示成溫度、應變和應變率的函數，建立刀具、工件在切削過程中的本構模型，施加準確的邊界條件后，對切削過程進行物理仿真，得到準確的切屑形態、切削力、切削熱、工件應力應變等物理參數，為切削參數優化、刀具角度選擇以及加工表面品質評估等提供重要的理論指導。

目前，有限元切削仿真軟件比較知名的有Advantedge、Deform、Abaqus等，能夠動態地對切削過程進行有限元解算，支持自適應網格劃分，并能夠仿真各種加工性能指標。

Advantedge和Deform包含了豐富的材料庫，通過大量的實驗總結出的材料本構關系模型，對于用戶來說節省了大量的工作；Abaqus非線性計算功能強大，操作靈活，但不包括材料本構關系模型，只是留下材料設置接口。第三波公司的Advantage有限元仿真分析軟件，在行業里面應用很廣，上海交通大學，山東大學，清華大學等科研院校，已經很廣泛地應用在切削試驗與研究層面；在企業方面，上海工具廠，上海大眾等切削、刀具等行業企業，應用也很廣泛。通過應用仿真軟件，可以減小昂貴的實驗費用，降低刀具的磨損，增加刀具的壽命，提高生產效率。

2 有限元切削仿真分析的過程方法

目前的有限元分析仿真軟件，其分析過程主要有3個階段：前處理、中間計算和后處理。

在Advantage有限元仿真分析軟件加工中，可以通過設置刀具、工件和工藝參數，對實際加工過程進行有限元計算，通過仿真結果模擬現實加工，并從中得出各種切削加工性能指標，供用戶改進加工性能。其分析流程如圖1所示。

圖1 有限元切削仿真分析流程

3 仿真分析在缸體端面切削加工中的應用

3.1 問題現狀

加工內容——發動機缸體前端面，缸體材料為HT250。

加工刀具——裝16個硬質合金刀片的銑刀盤，直徑125 mm，如圖2所示，切削路徑如圖3所示：

圖2 刀具示意圖

圖3 刀具路徑圖

加工程序：

切削參數——主軸轉速S 500，進給速度F 1 600，切深4 mm。

加工問題——刀片磨損快，達不到設定壽命，工件易崩邊，機床功率不夠，加工中停機。

3.2 分析問題確定優化方案

暫時不考慮更換刀片和設備，優先考慮優化切削參數和刀具的切削路徑。

3.3 建立有限元分析模型

（1）導出工件模型。利用UG中建立工件的三維模型，如圖4。

圖4 工件三維模型

（2）設定刀具信息。將實際使用的刀具切削參數輸入到軟件中，具體設置如圖5。

圖5 刀具切削參數

（3）設定參考坐標系。設定編程坐標系，即加工代碼的程序原點相對于絕對坐標系下的位置，該位置可以在UG中測量得到。

（4）加工路徑編輯。根據走刀路徑，編輯數控程序代碼，把編好的保存為.nc文件等待調用，編好數控程序如下：

（5）設定加工路徑。點擊Setup→Tool Path，在Tool path Type中選擇NC code，File Name中指向加工路徑NC代碼，并指定對應的參考坐標系即數控程序中的編程坐標系，然后根據實際情況設定換刀位置。

設定完成后，最終顯示的效果如圖6所示。

圖6 最終效果

（6）仿真解算及刀路優化。點擊Run→Force model，軟件將會解算加工設定刀路下的整個切削過程，可以得到如下結果：

徑向受力、切向受力、軸向受力、消耗功率、每單位長度的負載刀具峰值溫度、刀具所受壓應力等，對于刀具來說，瞬時切削力和峰值溫度，對刀具切削性能的影響最大，圖7為切向力的計算結果。

圖7 切向力與時間關系

從圖中可以看到，切向切削力最大可以達到5 500 N左右，而且切削力波動較大，最小的只有不到500 N。在軟件中進行切削力進行優化，點擊Run→Tool path Optimize，彈出 Multiple Sequence Optimization對話框，設定優化指標為Tangetial Force，切削力目標值介于3 500～4 500 N之間，并設定進給速度的最大值為切削時2 000 mm/min，空切時5 000 mm/min。可以進一步將切削路徑，分成更小的線性段進行優化，為了使切削力更加平穩，設定線性段最小為20 mm，如圖8所示。

圖8 優化切削力、切削參數

點擊右下角的Optimize，可以進行自動參數優化，優化后的結果如圖9所示。

圖9 優化切向力與時間關系

（7）結果分析。利用有限元分析并對加工參數進行分別優化，得到如下的結果：由圖10可見，經過優化后，刀具受力性能得到顯著改進，同時加工效率得到提高。各個數據的最大值，都降低到理想狀態，而切削循環時間，也有所縮短，減少了3.81%。

圖10 優化前后數據分析

4 仿真分析結果生產測試

根據有限元切削仿真分析結果，進給速度經過了Advantage軟件的自動優化，走刀路徑采用分段，每段路徑采用優化后的切削參數，將仿真所用的數控程序轉化機床數控系統所識別的數控程序并在機床上加工驗證。通過持續在缸體線3個月的生產試驗，數據統計顯示刀具磨損明顯改善，且平均壽命提高了15%，機床由于功率不足停機率由原來16.1%降為3%，切削時間減少3.8%。

5 結束語

應用有限元切削仿真技術，可以方便地進行研發與試驗，但由于軟件的數據庫是基于其所理解的標準切削情況下的一些經驗與數學數據，并不能完全適合國內切削工況，其在刀具設計上及難加工材料切削參數分析上，還是有一些指導作用的，往往需要通過現場試驗反復修正仿真分析數據。本文利用Advantage軟件，優化了刀具的切削參數和走刀路徑，提高了生產節拍，取得一定的經濟效益，其利用有限元切削仿真分析過程和方法，值得同行借鑒。

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