基于ANSYS14.0的數控機床切削加工仿真及關鍵技術研究

王素粉，秦 沖

(三門峽職業技術學院，河南 三門峽 472000)

隨著非線性有限元技術的發展和廣泛應用，特別是在數值仿真成功地應用于工程領域之后，一些數值分析已經在切削過程中得到了廣泛應用，能夠更準確的預測應力、切削溫度等一些技術參數，數值分析的核心問題主要是切削形成過程的問題.而近幾年，隨著自動化程度的發展，智能化數控機床也成為了一種發展趨勢，即利用傳感器技術對數控機床的加工工藝參數進行自動調整，而在這一技術應用過程中對數控車床切削過程中的一些關鍵技術參數的分析與實驗驗證是該技術應用的理論基礎，本文利用強大的有限元分析軟件ANSYS對數控機床的切削過程進行模擬，不但解決了粘接區的切削分離問題，而且得到了數控機床加工過程中的切削應力變形云圖，并預測了切削過程中的切削熱、切削力、切削應力的、摩擦力的一些變化曲線，并通過實驗驗證了實際生產與分析結果的一致性，為進一步數控機床的加工工藝參數的選擇與調整打下一定的理論基礎，為數控機床的智能化研究提供了一定的研究依據.

1 刀具切削加工有限元模型建立

1.1 幾何模型的建立

模型如圖1所示，該模型由加工工件、切屑和刀具三部分組成，幾何尺寸如下：L1=40mm，L2=2mm，H1=10mm，H2=2mm，H3=9mm，刀具前角α=20°，刀具后角β=5°.工件材料的彈性模量為70GPa，泊松比是0.3，其中屈服應力為400MPa、切線模量為15MPa.刀具選用PLANE182單元類型，彈性模量為210GPa,泊松比是0.3，其應力-應變關系式為[1]9,[2]32-35：Y0=265+180.0ε-0.5.

圖1 刀具切削加工模型

1.2 摩擦力數學模型的建立

摩擦力數模型如圖2所示，根據索瑞夫摩擦理論可以得到，刀具在進行工件切削時候，刀具和切屑的接觸面部分可以分為兩個部分，如圖3所示，也就是粘接區和滑動區，當τf>τmax則位于粘接區，此區域的摩擦系數是不變的，也即是τ=τchip，此時的μi=kchip/σn，而當τf≤τmax時，處于滑動區部分，摩擦力是按照庫倫摩擦規律進行的，在計算的過程中，為了能夠簡化計算過程，根據有限元的特點，引入罰函數，本文把摩擦因數看成是前刀面的正壓力函數.其表達式為：

當σ0=kchip/μ時，為摩擦粘接區與滑動區的分界點，也即為庫倫摩擦與剪切摩擦的分界點.通過多次的仿真，直至仿真的結果與實測值一致.

圖2 金屬切削數學模型

1.2 有限元網格劃分

本切削模擬過程中選用單元PLANE182來定義刀具單元類型，使用接觸單元CONTA171和TAGGE169定義切屑和金屬件之間的粘接，使用接觸向導定義刀具與工件及切屑之間的接觸，并假設各個接觸面的摩擦因數為0.待平面模型建立之后進行網格劃分，其中，把工件部分劃分成700個單元，刀具劃分成16個單元，約束部分為整個工件的底面部分，對于刀具的約束主要是Y向自由度，并且對刀具施加沿著刀具向左向的載荷.刀具切削的有元模型網格劃分結果如圖3所示。

圖3 刀具切削模型網格劃分

3 刀具切削加工模擬仿真與分析

通過文中1部分模型建立后，定義加載求解，在求解之前控制輸出計算結果、設置計算時間和子步，子步為600，載荷加載方式為斜坡加載，并設置自動時間步，激活預測器進行計算處理，計算結束后，提取第10步、30步、60步、100步、200步、235步的子步等效應力云圖，并對其溫度、切削力進行預測分析.

3.1 切削應力仿真與分析

從圖4中的(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)6個圖中可以看出粘接區模型可以很好地模擬刀具與切屑的分離現象，并且最大等效應力發生在與刀尖相接處的切屑處，最大為472MP.從子步200和子步235可以看出，刀具的后刀面顏色較重，是磨損嚴重區，當切削過程中，從材料發生塑性變形開始，進入穩定的切削階段，等效應力基本保持不變[3]248-260.

3.2 切削溫度分析

雖然有很多數學計算方式來預測切削中的平均溫度變化情況，但是都不能很精確的來預算，而ANSYS14.0有限元分析軟件卻能較為準確的預測切削溫度，在ANSYS14.0有限元軟件中，不但能夠模擬切屑在流動過程中的應力分布，還能預測刀具切削溫度的變化情況，對刀具在切削過程中的磨損以及失效等方面的研究和控制提供了有效的理論參考價值.

3.3.1 加工工件切削溫度有限元分析

本文在已經加工好的工件表面進行研究，得出加工表面溫度-時間曲線，分別選擇的點有節點46、節點50、節點55，如圖5所示，通過對圖6的切削熱傳導過程可以發現：在前刀面切屑保持不變時，切削溫度還在不斷的增加.除此之外，還對其已經加工好的表面的X、Y方向進行了溫度變化-時間分析，得出其變化關系，如圖7、8所示，通過對圖7和圖8的分析可以得到，在已加工表面上，X、Y方向的溫度變化也是不同的，并且在Y方向的溫度變化要比X方向的溫度變化明顯，從而可以說明在切削過程中的溫度擴散量最大的是在垂直于加工表面的方向上.因此，在利用有限元軟件進行切削模型簡化的時候可以把X方向的溫度變化簡化為0,這種思想和結論為數控機床金屬切削的有限元進一步分析提供了一定的理論基礎.

(a)子步為10時的等效應力云圖

(b)子步為30時的等效應力云圖

(c)子步為60時的等效應力云圖

(d)子步為100時的等效應力云圖

(e)子步為200時的等效應力云圖

(f)子步為325時的等效應力云圖

圖5 已加工表面溫度θ/時間t變化曲線圖

圖6 切削加工熱量的產生和傳導

圖7 已加工表面在X向溫度梯度變化曲線

圖8 已加工表面在Y向溫度梯度變化曲線

3.3.2 切削溫度實驗與分析

為便于對機床切削過程中溫度的變化研究，本文利用熱電偶自測傳感器建立刀具、工件溫度檢測系統，通過熱電偶傳感器感知的到并利用此傳感器的進行溫度感知與測量，傳感器得到的信號經過采集與放大后，通數據傳輸傳給計算機系統，通過改變不同的技術參數得出溫度變化與參數之間的關系，便于數控機床工藝的進一步智能化研究.見圖9.

圖9 金屬切削溫度測試系統

從表1中可以看出，前刀面的溫度變化隨著切削速度的增加而升高，并且測得的溫度值與ANSYS仿真值基本一致，此外，分別保持切削速度、進給量不變，改變切削深度和保證切削速度、切削深度不變，改變進給量，對刀具的前刀面進行實際測量溫度分析及實際測量溫度與仿真值對比，通過分析可以發現：傳感器實際測量溫度與仿真溫度值基本保持一致，前刀面實際溫度隨著切削速度、切削深度、進給量的增加而增加.這些數據的得出為刀具切削過程的參數控制與智能化研究提供了一定的理論依據.

表1 同一刀具在不同的參數下的熱電偶切削溫度測量結果

3.3 切削力分析與實驗研究

3.3.1 切削力有限元分析

為了分析切削力的變化情況，本文在ANSYS中提取了切削力的變化曲線，分別是進給抗力變化曲線、主切削力變化曲線、切深抗力變化曲線，如圖10所示：

(a)進給抗力變化曲線 (b)主切削力變化曲線 (c)切深抗力變化曲線圖10 切削力變化曲線

根據圖10結合實際切削過程，可以發現，當刀具剛切入工件的時候，工件發生的是塑性變形階段，摩擦力是不斷增加，從而切削力也呈現不斷增大的趨勢，然而，當切屑進入成型階段，切削力逐漸穩定.

3.3.2 切削力實驗與分析

為了驗證有限元仿真切削力的仿真結果的正確性，本文也對切削過程切削力的測試進行了實驗與分析，實驗選擇的是硬質合金刀具與45#鋼工件進行實驗研究，并利用壓電式三向動態測量儀進行測量，經電荷放大器放大信號后，把信號通過數據線與計算機進行相連，采集信息，得到的信息進行回歸分析獲得了一些切削用量和技術參數對切削力的影響情況，并經過實驗值與仿真值進行對比.其測量結果如圖11所示[4]28-33：

(a)前角對主切削力的影響曲線

(b)切削深度對主切削力的影響曲線

(c)進給量影響下的主切削力變化曲線

(d)切削速度影響下的主切削力變化曲線

通過圖11的實驗數值與仿真數值對比可以發現，實驗數值與仿真數值基本一致，最大誤差不超過19%，并且從圖11也可以發現，隨著刀具前角的降低、各切削參數的增大，主切削力呈上升趨勢.這對數控機床切削過程中的工藝研究提供了理論依據.

4 結語

本文首先利用有限元仿真軟件ANSYS14.0對CK6140數控車床刀具切削過程進行仿真，并得出子步應力云圖，可以分析最大切削應力發生在與刀尖相接處的切屑處，還通過本軟件得出的結論對刀具切削力、切削溫度等進行的分析和預測，為了驗證刀具溫度影響因素、切削力影響因素，本文還引入了傳感器技術進行實驗研究與分析，通過對切削深度、切削用量、切削速度、刀具前角等參數的變化得出了其對切削溫度及切削力的影響規律，并結合仿真值進行對比，得到的結果是兩者基本吻合，這些都為數控機床的切削工藝優化及智能化系統的建立提供了一定的理論依據.

[1] 朱江新.切削-擠壓成形過程分析與建模方法研究[D].西安:西安理工大學,2006.

[2] 朱江新.基于ANSYS的金屬切削過程模擬[J].制造業自動化，2010(11).

[3] 張洪才.ANSYS14.0工程實例解析與常見問題解答[M].北京：機械工業出版社,2013.

[4] 李初曄.金屬切削過程有限元模擬[J].航空制造技術，2010(22).