基于有限元仿真的陶瓷刀具切削難加工金屬的研究

高　棱，林華泰

（廣東工業(yè)大學，廣東廣州510006）

基于有限元仿真的陶瓷刀具切削難加工金屬的研究

高棱，林華泰

（廣東工業(yè)大學，廣東廣州510006）

基于Deform有限元分析軟件，選擇陶瓷材料刀具，對難加工金屬的切削過程實現了模擬分析，并研究在改變切削參數如進給量、切削深度與切削速度的情況下，切削過程中的切削力、切削溫度的變化規(guī)律。仿真結果展示了切屑的形成過程，在各加工參數中，切削速度是影響切削溫度的最關鍵因素，切削深度對切削力產生較大影響。

有限元仿真；陶瓷刀具；難加工金屬；切削參數

隨著材料技術的發(fā)展，越來越多的高強度、高硬度的難加工材料相繼出現，硬質合金刀具作為一種傳統的刀具在面對某些新型材料的加工時難以勝任，而陶瓷材料的刀具作為最具前景的刀具能夠滿足這些新型材料的加工要求。鈦合金材料屬于典型的難切削材料，具有強度高、熱強度高的特點，在機械加工的過程中有變形系數小、切削溫度高、加工表面硬化嚴重等特點，因而陶瓷刀具在這方面有非常大的發(fā)展前景［1］。

Deform是一套功能強大的工藝有限元仿真系統，可用于仿真分析金屬成型工藝和金屬熱處理工藝等。由計算機仿真模擬材料的加工過程，從而幫助研究人員了解產品加工流程，降低昂貴的實驗試驗成本。Deform擁有強大的分析功能，可以對金屬成型過程中參與的多個物理場的耦合作用進行分析，真實的反映模擬過程中的各種變化［2］。

本文以材料塑性變形為理論基礎，采用Deform有限元軟件為分析軟件，采用陶瓷刀具，選擇鈦合金材料作為工件切削材料，進行了切削的有限元仿真。研究方法采用單因素實驗方法，從而系統地分析切削過程的各切削參數，如切削速度等對切削性能的變化規(guī)律［3］。

1　有限元仿真的技術要點

1.1幾何模型以及刀具與工件材料的設置

利用SolidWorks繪制刀具的三維模型，并且令前角r=5°，后角a=5，刀尖的圓弧半徑r=3mm.打開有限元軟件Deform的3D模塊，并且選擇Machining（cutting）選項，將提前繪制的刀具模型導入Deform的刀具模塊，由Deform生成相應的工件模型。

Deform材料數據庫幾乎涵蓋了工業(yè)生產中所涉及到的大部分材料，因此本文選用Deform材料數據庫提供的材料。刀具材料由Deform加載SiC_reinforced_Al2O3陶瓷刀具材料，工件材料加載Ti5Al4V鈦合金金屬材料。

1.2材料的本構關系

切削加工涉及了材料彈性形變、塑性應變等復雜的過程，因此建立一個準確反映材料加工過程特性的本構關系是對切削仿真的準確性具有重要的影響。本文采用了經典的Johnson-Cook［4］模型，如公式1所示為該模型的公式：

其中，

δf為流動應力；

ε為等效塑性應變；

ε./ε.0為等效塑性應變速率；

T為工件瞬時溫度；

Tr為參考溫度；

Tm為工件熔化溫度。

A，B，C，m和n為材料本身的參數，分別為材料的初始屈服應力、應變強化系數、應變速率強化系數、溫度軟化指數和應變強化指數。通過材料的實驗或者切削實驗方法可獲得材料的相關參數。本仿真實驗中所選用的材料為Ti-6Al-4V鈦合金材料，屬于典型難加工材料，公式（1）中所涉及的材料參數如下表1所示。

表1　仿真的工件材料的各個參數［4］

1.3切削分離模型

切削加工的過程中使加工材料產生分離，這一過程與一般的塑性成型不同。一個合理的分離模型需要準確地反應切削加工過程中的材料力學和物理性質，才能獲得準確真實的切削過程結果。本文選用Johnson-Cook［5］的材料斷裂分離準則，其能夠較好地表達在不同的溫度的條件下，應變、應變量和應力之間的關系。本文設定，當某節(jié)點的拉伸應力大于壓縮應力的110%時，產生分離。

1.4摩擦模型

切削加工過程中的摩擦主要位于前刀面與切削接觸面上。刀與切屑的接觸區(qū)域通常分為粘性區(qū)域和滑動區(qū)域［6］。粘性區(qū)域：接近刀尖位置，摩擦力大約等于切削工件時的剪切流動應力。滑動區(qū)域：遠離刀尖位置，摩擦力隨著正壓力的減小逐漸減小。由以上分析，摩擦力的公式如下所示：

其中，F、μ、δ、τ*s分別為摩擦力，摩擦系數、法向應力及最大剪切流應力，式中根據刀/屑間的摩擦應力大小來確定是滑動摩擦還是屬于粘性摩擦。設定材料的最大剪應力為，其中δn為材料的屈服強度。

1.5熱傳導模型

三維非穩(wěn)態(tài)溫度場直角坐標導熱控制方程［7］（考慮熱傳導率隨溫度變化）為：

式中，

K為熱傳導系數；

T為溫度；

ρ為材料密度；

c為熱容；

x、y和z是笛卡兒坐標；

wx、wy、wz分別為運動熱源在x、y和z方向的速度分量；

q*為單位體積的熱產生率。

式中，

Wh為塑性變形功轉化為熱能的比率；

σ

ˉ為等效應力；

ε為等效應變速率；

J為熱功當量系數。

2　仿真過程以及結果分析

如圖1所示為SiC晶須增韌Al2O3陶瓷刀具切削加工鈦合金金屬的仿真過程，由圖中可看出切屑的形成過程。模擬出的結果顯示，工件材料在刀具的切削下發(fā)生了一系列的變形過程，從切屑的形成，再到切屑的卷曲，再到切屑的脫離。

圖1　SiC晶須增韌Al2O3陶瓷刀具切削鈦合金金屬模擬圖

本文采用單一因素實驗方法，設計的切削參數條件如表2所示。

表2　切削因素條件

由圖2可看出切削過程的力的變化，當刀具剛開始接觸工件時，接觸區(qū)域首先發(fā)生彈性形變，其切削力呈正比的線性增加，刀具繼續(xù)前進，工件材料超過彈性形變范圍開始產生塑性變形，而當刀刃附近的金屬材料的剪切應力超過了材料的強度極限，開始剝離，從圖中也可看出，切削力有一個明顯的突然下降的變化，這與材料剝離，接觸力突然下降相關。這是一個循環(huán)的過程，由圖可看出切削力在平衡值附近上下波動。因此，切削力的大小與進給量、切削深度和切削速度都相關。

圖2　切削參數ap＝0.5mm，f＝0.9mm/r，v＝90m/min時，切削力仿真結果

切削溫度是切削性能的重要的因素，當切削溫度過高會使鈦合金產生表面金屬硬化，因此需要對切削溫度進行分析。切削溫度的大小與進給量、切削深度和切削速度都有關系。

如圖3、4、5所示為切削力F與切削溫度T在不同的f、ap、Vc的參數的變化下的曲線圖。

圖3　當ap＝0.5mm，f＝0.5mm/r時，Vc對切削的影響

圖4　當Vc＝100m/min，f＝0.5mm/r時，ap對切削的影響

圖5　當Vc＝100m/min，ap＝0.5mm時，f對切削的影響

由圖3、圖4、圖5所示，在相同條件下，切削力隨切削深度和進給量的增加而增加，相反的隨切削速度的增加而減小。另一方面，切削溫度隨著切削速度、進給量、背吃刀量的增加而增加，但增加的影響量各不一致。如表3、4、5所示為切削力和切削溫度在切削速度、背吃刀量和進給量的數據分析。

表3　當ap＝0.5mm，f＝0.5mm/r時，Vc對切削的影響

表4　當Vc＝100m/min，f＝0.5mm/r時，ap對切削的影響

表5　當Vc＝100m/min，ap＝0.5mm時，f對切削的影響

由表3、4、5的數據分析，同時結合切削原理，對切削性能的影響因素進行分析，有以下結論：

（1）隨著切削速度的增加，切削力有減小的趨勢，這是由于當切削速度的增加時，積屑瘤高度增大，使車刀的實際前角增大，從而切削力減小；

（2）切削力隨背吃刀量和進給量的增加而增加，這是因為無論增加背吃刀量還是進給量都會增加切削面積，從而增大阻力，切削力也隨著增加。由數據表格可以看出，顯然切削力受切削深度影響最大，平均增長率為131%，這是因為ap對切屑的變形系數沒有影響，所以ap增大時切削力按正比增大；而f增大時，切屑的變形系數略有下降，切削力的增大與f不成正比關系。因此為提高金屬切削率，增大f比增大ap更有利。

（3）由以上幾個表格可以看出，對切削溫度影響最大的是切削速度，平均增長率為12.4%，這是因為切削速度越高，單位時間做功越多，產生的熱量越多，且切屑的剝離速度也越快，從而熱量不能及時的傳遞到工件與刀具上，導致了切削的溫度越高。

（4）隨著進給量的增加，切削溫度也提高，使得變形系數減小，反而降低了單位切除量的功率，另外一方面刀具與切屑之間的接觸長度也增加，進一步增大了熱量的傳遞面積，因此進給量的影響對切削溫度的影響較小。

（5）隨著背吃刀量增加，切削溫度也隨之提高，但其增加的幅度較小。這是由于背吃刀量的增加加長了切削刃的接觸長度，從而更有助于散熱，因此背吃刀量對切削溫度的影響也較小。

3　結束語

有限元分析技術的應用有助于分析復雜的切削過程，從而幫助研究人員了解不同切削參數對切削性能的影響異同。由以上的分析可知，在陶瓷刀具切削Ti合金的過程中，對切削力的大小的影響最大的是切削深度，其次是進給量，且當切削速度增加時，切削力減小；對切削溫度的大小影響最大的是切削速度，影響最小的是進給量。

［1］王寶友，崔麗華，黃傳真，等．兩類陶瓷刀具的現狀、性能與應用［J］.陶瓷學報，2001，22（1）：48-52.

［2］林新波.DEFORM-2D和DEFORM-3D CAE軟件在模擬金屬塑性變形過程中的應用［J］.模具技術，2000，（3）:75-80.

［3］李富長，宋祖銘，楊典軍.鈦合金加工工藝技術研究［J］.新技術新工藝，2010，（5）:66-69.

［4］劉東，陳五一.鈦合金TC4切削過程流動應力模型研究［J］.塑性工程學報，2008，15（1）:167-171.

［5］Johnson G R，Holmquist T J.Evaluation of cylinder-impact test data for constitutive model constants［J］.Journal of Applied Physics，1988，64（8）:3901-3910.

［6］Sangwan K S，Kant G，Deshpande A，et al.Modeling of Stresses and Temperature in Turning Using Finite Element Method［J］.Applied Mechanics&Materials，2013，307:174-177.

［7］鄧文君，夏偉，周照耀，等.有限元法在切削加工過程分析中的應用［J］.工具技術，2004，38（11）:20-27.

Use of Finite Element Simulation to Study the Difficult Machining Metals via Ceram ic Cutting Tool

GAO Leng，LIN Hua-tai
（Guangdong University of Technology，Guangzhou Guangdong 510006，China）

This paper provides the simulation analysis of cutting metal with difficult machining nature through Deform Finite Element Analysis（DFEA）software that describes the influences of different parameters as feed rate，cutting depth，and cutting speed on the cutting force and cutting temperature.The results of simulation show that the cutting formation process and strongly suggest that cutting rate to be the key factor influence cutting temperature，while the cutting force is affected by cutting depth.

finite element simulation；ceramic tool；hard machiningmetal；cutting parameters

TG711

A

1672-545X（2016）05-0137-03

2016-02-02

高棱（1990-），男，廣東揭陽人，在讀碩士，研究方向：機械加工技術與仿真技術。