擠壓切削加工過程的有限元仿真研究

劉宇，尹劍，沙智華，馬付建，張生芳

(大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028)*

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擠壓切削加工過程的有限元仿真研究

劉宇，尹劍，沙智華，馬付建，張生芳

(大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028)*

利用Deform 3D軟件建立了擠壓切削加工中刀具與工件相互作用的有限元仿真模型，以不同切削速度和背吃刀量對擠壓切削加工過程進行仿真分析.通過對工件加工表面變形量及殘余應力等仿真結果的對比分析，總結了切削速度和背吃刀量對擠壓切削加工工件表面質量的影響規律.最后，對仿真結果進行了試驗驗證，結果表明仿真模型能夠較為真實地反映擠壓切削加工的實際過程，證明了模型的有效性.

擠壓切削；切削速度；背吃刀量；表面質量

0 引言

在工程領域應用中，零件間的配合表面，如盤式制動器盤片間接觸界面、推桿套筒與螺母間接觸斜面等[1]，要求工件表面具有較高的接觸剛度.零件表面的接觸剛度一般與其材質、表面微觀形貌及潤滑條件密切相關[2-3].應用傳統切削加工工藝加工時，表面粗糙度和表面剛度一般呈相反趨勢，即加工后表面質量越好，表面粗糙度越大，表面接觸剛度越高[4-5].而應用擠壓切削加工工藝時，提高表面粗糙度的同時，表面接觸剛度也得到提高.擠壓切削加工中切削用量參數的選擇對工件表面質量等有很大影響，特別是切削速度和背吃刀量對于加工后工件表面粗糙度和表面剛度的影響.

本文借助有限元仿真技術，建立擠壓切削動態仿真模型，以切削速度和背吃刀量為變量，得到工件表面變形量云圖，揭示切削速度和背吃刀量對工件表面質量的影響規律.最終通過擠壓切削試驗，驗證所得規律.

1 擠壓切削原理

擠壓切削加工工藝將滾壓加工和切削加工有效結合.以傳統切削加工工藝加工碳鋼等塑性材料時，由于切削刀具存在圓弧，使實際的切除量和背吃刀量有一定差別.在背吃刀量遠遠大于刀具切削刃圓弧半徑時，兩者差別不大；但當背吃刀量非常小時，加工過程中切削刃會存在打滑現象，“咬”不住金屬，僅切除掉部分工件材料，而大部分材料被刀具后刀面擠入工件的已加工表面，從而形成加工硬化層，同時，受擠壓作用的影響，已加工表面材料纖維化，并產生塑性變形，導致加工后的工件表面產生殘余壓應力，圖1所示為擠壓切削加工后工件表面殘余應力示意圖.殘余壓應力能夠部分抵消加工中切削力施加的拉應力，從而延緩疲勞裂紋的擴展，能夠有效提高零件的疲勞強度.故擠壓切削加工與傳統切削加工相比，不僅可以強化工件表面，得到高的表面接觸剛度，同時還能獲得高的疲勞強度，延長工件的使用壽命[6].

以車削加工軸類零件外圓為例，在采用大的進給量和很小的背吃刀量時，可在工件表面加工出具有螺紋狀的表面紋理，大大提高零件的表面粗糙度，同時，很小的背吃刀量將大部分材料擠壓進入工件表面，從而可以得到較高的表面接觸剛度.

圖1 擠壓切削的表層殘余應力

2 擠壓切削仿真分析

2.1 擠壓切削仿真模型的建立

在切削加工中，當背吃刀量較小時，加工過程中有少量切屑或無切屑產生，切削層大部分材料被擠壓入工件材料中.擠壓切削加工更多體現了刀具圓弧半徑對加工過程中切削層金屬的作用.本文采用直角切削方式，以直徑5 mm鋼球為刀具，模擬實際切削加工中刀具刀尖圓弧，在100 mm×20 mm的45號鋼工件表面進行擠壓切削加工.設定刀具與工件間的摩擦系數為0.35，且摩擦系數不隨切削溫度變化而變化.對刀具和工件進行裝配，為方便建立刀具與工件間的接觸關系，建立工件模型時，預先在工件上創建一個與鋼球刀具尺寸配合的凹槽.模型導入后如圖2所示.仿真過程控制其仿真步數為1 000，選取國際單位制，設置擠壓切削環境溫度為20 ℃.

圖2 擠壓切削仿真模型

由于刀具尺寸相對于工件尺寸十分小，因此為確保計算精度，在對工件進行網格劃分時，需要增加網格密度.此外，在有限元仿真計算過程中，必須及時重新劃分網格，故采用Deform 3D軟件中的自適應網格劃分技術，對工件的網格進行重新劃分.在邊界條件的設置中，設置工件底面的速度在x、y、z方向上為0，約束工件在加工過程中具有正確位置.刀具賦予沿X軸負向的切削速度，激活工件體積補償項，在重劃網格時，用體積補償彌補變形體體積的損失，使工件實體與網格化實體保持一致.

2.2 擠壓切削仿真結果與分析

基于上述模型建立方法，分別以切削速度為1 047、2 094 、4 188 mm/s，背吃刀量為0.1、0.05、0.01 mm的切削用量參數相互組合，設置了9組仿真，利用Deform 3D軟件進行仿真計算.

2.2.1 工件表面變形量的影響分析

經過仿真，得到如圖3所示的加工后工件表面變形量云圖.從圖3所示的在不用切削速度和背吃刀量條件下得到的工件表面變形量云圖可以看出，在背吃刀量為0.1 mm時，如圖3(a)所示，工件加工后表面產生的變形是基本連續的；而當背吃刀量減小為0.05 mm時，圖3(b)所示，工件加工后表面的變形在初始階段顯示出連續性，隨著擠壓切削加工的進行，工件表面的變形出現間斷；隨著背吃刀量繼續減小至0.01 mm后，圖3(c)所示，工件加工后表面產生的變形均不再連續.在相同背吃刀量條件下，無論選擇何種切削速度，其對工件加工后表面產生的變形情況均無較大影響.

(a) ap=0.1 mm

(a) ap=0.05 mm

(c) ap=0.01 mm

提取圖3所示云圖中各加工后工件表面變形量的最大值，得到表1中所列出的數值，繪制如圖4所示的切削速度和背吃刀量對加工后工件表面最大變形量影響規律曲線.

表1 加工后工件表面最大變形量與最大殘余應力

圖4 切削速度和背吃刀量對加工后工件表面最大變形量影響規律曲線

曲線中，加工后工件表面最大變形量隨著背吃刀量的增大而逐漸增大，而在相同背吃刀量條件下，隨著切削速度的增加基本沒有變化，曲線呈現水平.這與圖3中云圖的結果一致.

由于背吃刀量較大時，參加擠壓切削加工的金屬體積大，產生較大的工件變形，且后續過程中，部分金屬材料被擠壓入工件材料，增大了工件表面的變形程度；而在背吃刀量較小時，刀具與工件表面接觸時未產生切屑，工件發生的變形多為彈性變形，當工件表面材料堆積達到一定程度時，才產生塑性變形，因此最終工件加工后表面的變形云圖是不連續的.背吃刀量相同時，切削速度的變化沒有改變工件與刀具間發生塑性變形的程度，因此工件表面變形量基本相同.

2.2.2 工件表面殘余應力的影響分析

根據表1中加工后工件表面殘余應力的最大值，繪制如圖5所示的切削速度和背吃刀量對加工后工件表面最大殘余應力影響規律曲線.曲線中，加工后工件表面最大殘余應力隨背吃刀量的增大而增大，且增大的程度隨切削速度的增大而增大；在相同背吃刀量條件下，背吃刀量較大時，加工后工件表面殘余應力最大值隨切削速度增大而明顯增大，但當背吃刀量很小時，這種影響規律不再明顯，殘余應力最大值幾乎無變化.

圖5 切削速度和背吃刀量對加工后工件表面最大殘余應力影響規律曲線

3 擠壓切削試驗

分別以背吃刀量為0.1、0.05、0.01 mm，主軸轉速為200、400、800 r/min的條件(樣件直徑40mm，分別對應切削速度為1 047、2 094、4188mm/s)，在數控車床上進行擠壓切削加工，以三角外螺紋車刀加工樣件.對試驗切削的樣件進行表面粗糙度測量和表面形貌顯微觀測.

以表面輪廓儀對加工后工件表面粗糙度進行測量，取樣長度L=2.5 mm，測量長度L′=5 mm，水平放大倍率H=10，垂直放大倍率V=500，分別在不同位置對試驗樣件測量3次，得出表面粗糙度Ra值,如表2所示，并繪制如圖6所示的切削速度和背吃刀量對加工后工件表面粗糙度影響規律曲線.

表2 擠壓切削加工后工件表面粗糙度

圖6反映了在切削速度為400 r/min時，背吃刀量分別為0.01，0.05，0.1 mm條件下擠壓切削加工后工件表面粗糙度，隨著背吃刀量增大，工件表面粗糙度增大.這是由于隨著背吃刀量增大，切削層金屬體積增大，在相同切削速度條件下，刀具與工件間相互作用時發生塑性變形的金屬體積增大，且塑性變形發生的劇烈程度也隨之增大，導致加工后工件表面粗糙度增大.這與文中有限元仿真分析結果、圖3、圖4所示的加工后工件表面變形量結果吻合.

圖6 加工后工件表面粗糙度

通過三維顯微鏡以×200的放大倍數對試驗樣件表面進行觀測， 得到圖7所示在切削速度為400 r/min，背吃刀量分別為0.01、0.05、0.1 mm條件下加工后樣件表面形貌觀測結果.

通過對加工表面形貌的放大，可以看出,結果中分布著沿著切削方向的縱向條紋，同時在一些位置出現橫向裂紋，這是由擠壓切削加工過程中工件材料發生塑性變形達到抗拉強度后隨刀具從工件基體組織撕裂造成的，裂紋在觀測范圍內的存在，表明工件發生劇烈的塑性變形.基于此原則，對比圖7(a)、(b)、(c)，在切削速度相同情況下，隨背吃刀量增大，工件表面出現裂紋的幾率增大，這是由于隨著背吃刀量增大，加工過程中參與切削的金屬體積增大，加工過程中產生拉應力，此時裂紋發生擴展，而加工后，工件表面產生較大的殘余壓應力，使得工件表面裂紋減少.

(a) ap=0.01 mm

(b) ap=0.05 mm

(c) ap=0.1 mm

圖7 擠壓切削精車外圓工件表面形貌觀測結果

4 結論

通過在不同切削速度和背吃刀量下對擠壓切削加工的仿真，并通過與試驗結果的比對，得到如下規律：

(1) 背吃刀量對工件加工后表面變形量影響較大，隨著背吃刀量的增大，工件加工后表面的變形情況由間斷逐漸變為連續，且其最大變形量隨背吃刀量增大而增大，而切削速度對工件加工后表面變形量幾乎沒有影響；

(2) 隨著背吃刀量的增大，工件加工后表面的殘余應力分布情況與變形情況分布一致，由間斷逐漸變為連續，且其最大殘余應力隨背吃刀量增大而增大，隨著背吃刀量的增大，切削速度對這種增大趨勢的影響越劇烈，切削速度越大，最大殘余應力的增大程度越大，但背吃刀量較小時，切削速度對最大殘余應力幾乎沒有影響;

(3) 通過擠壓切削精車外圓試驗，觀測不同切削速度和背吃刀量條件下加工后工件表面的形貌，發現在切削速度增大時，受刀具與工件表面擠壓作用的影響，加工后工件表面殘余應力增大，表面產生裂紋減??；同時，在相同切削速度條件下，背吃刀量增大時，擠壓切削加工時切削力增大，加工后工件表面的變形量增大，與仿真結果吻合.

[1]文武.鐵路車輛盤形制動噪聲的有限元復特征值分析[D].成都：西南交通大學，2007.

[2]MAJUMDAR A, BHUSHAN B， FRACTAL. Model of Elastic-Plastic Contact Between Rough Surfaces[J]. Journal of Tribology, 1991, 113(1)： 1-11.

[3]李小彭，郭浩，劉井年，等.考慮摩擦的結合面法向剛度分形模型及仿真[J].振動、測試與診斷，2013, 33(2): 210-213.

[4]李輝光，劉恒，虞烈.粗糙機械結合面的接觸剛度研究[J].西安交通大學學報， 2011, 45(6): 69-74.

[5]溫淑花，張學良，武美先，等.結合面法向接觸剛度分形模型建立與仿真[J].農業機械學報，2009, 40(11): 198-202.

[6]劉宇，呂鈴，馬付建，等.擠壓切削加工對塑性材料表面性能的影響[J].制造技術與機床，2014(4): 126-129.

Finite Element Simulation Study of Extrusion Cutting Machining Process

LIU Yu，YIN Jian，SHA Zhihua，MA Fujian，ZHANG Shengfang

(School of Mechanical Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China)

Deform 3D software is applied to simulate the interaction between cutting tool and workpiece in extrusion cutting by finite element method with different cutting speed and cutting depth. Surface deformation and residual stress are compared in simulation results, and rules of both speed and cutting depth influence on the surface quality after extrusion cutting are summarized. The test of the simulation results shows that the simulation truly reflect the actual extrusion cutting progress, which proves the effectiveness of the simulation model.

extrusion cutting; cutting speed; cutting depth; surface finish

1673- 9590(2016)06- 0094- 05

2016-06-03

國家自然科學基金資助項目(51675075); 遼寧省自然科學基金資助項目(2014028019); 遼寧省教育廳優秀人才計劃資助項目(LR2015012)

劉宇(1982-)，男，副教授，博士，主要從事CAD/CAM/CAE,微細、特種加工的研究

A

E- mail:liuyu_ly12@126.com.