基于Deform 的切削加工有限元仿真分析

梁宇紅

（山西大學 工程學院，山西 太原 030013）

0 引言

在切削過程中，如何選擇合理的刀具，避免刀具的浪費，已成為眾多學者研究的課題。美國肯納公司曾經對刀具的使用情況做過調查，結果令人吃驚：在美國制造業當中，能夠正確選擇刀具的概率小于50%，刀具僅僅發揮了38%的功效，造成了巨大的浪費。本文將以車削過程為研究對象，采用Deform 有限元軟件，對整個加工過程進行仿真模擬運算，對切削加工過程中材料應力、切削溫度等進行分析，找出對車削過程有影響的一些主要參數，進而指導實際的加工過程。

1 模型的建立及參數設置

1.1 模型的建立

模擬結果數據的準確度受刀具幾何形狀的直接影響，為了得到更加精確的數據，本文借助于三維建模軟件UG 完成刀片、工件的幾何建模，并將完善后的模型導入仿真軟件Deform 中，圖1為Deform 環境下車削加工模擬示意圖。在實際加工過程中，影響車削加工的因素多，作用機理非常復雜，需找出其中起主導作用的因素，因此，建立仿真模型時需要對其進行理想化或簡化處理。

圖1 Deform 環境下的車削加工模擬示意圖

在加工過程中，刀具的磨損受切削力和溫度變化的影響，如果在模擬時對切削力和溫度的變化進行認真分析，找出影響這些變化的因素，便能在實際的加工切削過程中更好地指導生產，選擇更合適的機床和刀具，避免造成浪費。

1.2 參數的設定

在切削模擬過程中，選擇Deform 材料庫中的AISI－1045作為工件材料，這種材料的主要成分及物理性能與45鋼近似，工件材料為塑性材料，而刀具材料采用硬質合金WC，設置為剛性材料。兩種金屬材料的物理性能見表1，二者的熱交換率都設置為45 000 W／（m2·K），剪切摩擦系數為0.6，在車削模擬加工中，摩擦系數對刀具的磨損和工件的加工影響非常大，是建立邊界條件的重要參數。

模擬中劃分的網格數將影響計算結果的精度和計算規模的大小，網格數較少時適當增加網格數量，計算精度得到明顯的提高，且計算時間不會大幅度增加；網格數增加到一定程度后，若再繼續增加，不僅計算時間倍增，而且精度提高受限。經過反復驗證，網格數量劃分設為30 000。在車削過程中，刀尖和工件的接觸部位應力、應變以及溫度變化集中，其他部位變化不大。在保證精度的情況下，為了減少計算時間，盡量減少網格的數量，在工件和刀具的接觸部位網格密度劃分得稠密些，其他部位相對稀疏點。進行有限元仿真計算過程中還可采用網格重劃技術，來避免由于網格畸變、退化導致的計算結果嚴重失真或不收斂，對于局部變形可以通過網格細分技術保證計算精度。

2 模擬仿真

在仿真過程中將切削速度設置為250mm／s，切削厚度設置為0.3mm，然后定義環境溫度等參數，進行仿真運算，分析運算結果。

表1 工件及刀具的物理性能

2.1 應力分析

在金屬切削過程中，切削力的大小直接影響刀具的使用壽命和工件的加工質量，切削力包括克服被加工材料變形時產生的彈性和塑性變形抗力、克服切屑對刀具前刀面的摩擦力以及刀具后刀面與加工表面和已加工表面之間的摩擦力。

傳統的受力分析大多采用簡化的理論公式加大量試驗方法來確定，而采用三維分析不但可使分析結果的精度得到提高，更能節省大量的時間。圖2為仿真得到的應力分布云圖。從圖2可以看出，在刀尖和工件的接觸部位應力最大，向外沿區域呈逐漸減弱的趨勢。由此可知刀具破壞的主要形式為刀尖和刀刃破壞，這與實際加工中刀尖部位容易崩刃是相符的。通過對應力云圖的分析，可更好地了解刀具的破壞情況，針對不同的工件材料選擇強度不同的刀具，避免刀具的浪費。

圖2 應力分布云圖

圖3為主切削力隨時間的變化曲線。從圖3可以看出：隨著刀具切削的進行，主切削力迅速增加，在開始很短的時間內就可以升到一個很高的數值，之后隨著切削的進行，切削力變化不大。將模擬中的切削力數據處理后結果為1.03GPa，而將經驗數據代入單位切削力經驗公式的計算結果為1.25GPa。由此可以看出模擬結果相對經驗公式有一定誤差，這是因為刀尖進行切削時使連續的網格尺寸離散化，加劇了刀尖的幾何形狀不規則程度，導致模擬出的結果有一定的誤差，但這個誤差在可接受的范圍內，同樣可以通過細分網格來減小誤差。

2.2 溫度分析

在整個模擬過程中，考慮了刀具和工件的摩擦、工件的塑性變形等引起的溫度變化。切削中工件的溫度變化如圖4所示。從圖4可看出，由于刀具切入工件后，機械能迅速轉變為熱能，故工件的溫度升高很快，在開始階段，溫度近似線性升高，很快達到最高溫度，隨后在325 ℃左右波動。圖5為工件溫度分布云圖。從圖5也可看出，切削產生的熱量主要集中在刀尖部位，其他部位溫度變化不大，由于刀具的溫度主要是靠刀尖處的刀屑來傳遞的，可只對這一部位的溫度進行分析。加工過程中如果能將產生的切屑及時移走，將會大幅度地降低工件、刀具的溫度，從而提高刀具的使用壽命，提高加工質量。從整個模擬結果來看，工件的最高溫度接近330℃，然后基本達到平衡狀態，變化很小，而刀具的溫度要比工件低100多度。

圖3 主切削力隨時間的變化曲線

圖4 切削中工件溫度變化

圖5 工件溫度分布云圖

調整刀具刃區的參數，適當增大刀具前角，而不改變刀具其它參數和模擬加工參數，進行模擬。圖6為調整參數后工件和刀具的溫度變化趨勢圖。從圖6中可以看出，在車削過程中，工件和刀具的溫度都比參數調整前下降了很多，可見刃區的參數對加工溫度的影響很大。因此在滿足加工強度要求的情況下，可以適當地增大刀具前角，來降低加工過程中的溫度。

圖6 調整刀具參數后切削過程溫度變化

不同材料在切削時都有一個溫度使用范圍，可以根據具體的材料來模擬整個切削過程，防止工件出現過高的溫度，導致工件變形，從而造成工件的報廢。

3 結論

利用金屬的切削仿真，可進一步了解其切削機理，對探索切削過程中影響加工質量各種因素的變化規律有著重要的意義。仿真結果能夠直觀地反映出切削過程中切削力、溫度等的變化趨勢，實際加工時可以參照模擬結果對刀具參數進行優化設置，這對整個切削工藝的優化具有重大的指導意義。

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