切割過程建模及刀具磨損仿真

李 紅， 王大鎮, 葉銜真

(1.集美大學誠毅學院 機械工程系， 福建 廈門 361021; 2.集美大學 機械工程學院， 福建 廈門 361021)

切割過程建模及刀具磨損仿真

李 紅1， 王大鎮2, 葉銜真1

(1.集美大學誠毅學院 機械工程系， 福建 廈門 361021; 2.集美大學 機械工程學院， 福建 廈門 361021)

在切割過程中的刀具加工系統坐標系建立了工件幾何模型和接觸模型，進行了切割過程以及刀具磨損的仿真研究。

刀具磨損； 數值模擬； 切割； 切屑形成

0 引 言

機械加工過程離不開切削加工，即在刀具的切割作用下實驗零件的加工成型[1-3]。 對于這些刀具的磨損已經開展了很多調查，這有助于研究人員更好地理解刀具磨損的殘余應力對最終產物的影響[4-5]。

加工過程時，刀具和工件接觸的過程以及磨損接觸的現象說明了通過形成之間的關系微動系統碎片和摩擦中消耗的能量[6-7]。這個耗能可控制在接觸區中使用量方面[8]。因此，文中通過對切割過程中刀具和工件的摩擦作用問題進行建模仿真研究，分析了刀具在切割時的磨損變化情況。

1 刀具加工系統

在傳統孔加工技術的基礎上，讓刀具和工件相對位置之間存在固定方向上的規律性高頻振動，目的是使孔加工過程中速度和深度以及進給量都能夠有規律地控制，能夠在很大程度上減少切削力和加工中產生的溫度，更為有效地控制加工工件的質量，同時提高了加工效率。

加工系統刀具進給軌跡決定了刀具和工件之間的相對接觸位置，保證了他們之間的相對運動。可以說刀具進給軌跡的確定對保證加工制動至關重要。加工系統刀具進給軌跡坐標示意如圖1所示。

圖1 刀具工作坐標系示意圖

xoy為與振動臺平行的平面，z軸為刀具進給方向。

設p點為鉆頭主切削刃上最外端一點，鉆頭轉過角度θ，p點坐標計算如下：

(1)

式中:vj----刀具進給速度，μm/s；

f----振動頻率，Hz；

A----工件振幅，μm；

n----鉆頭轉速，r/s；

r----鉆頭半徑,μm。

2 幾何建模

幾何形狀和刀具網格劃分如圖2所示。

圖2 幾何形狀和刀具網格劃分

為了保持計算的精度，對刀具和元件接觸區域(趨于D)進行網格加密特殊處理。

2.1 幾何清理

幾何清理的第一步就是曲面修復。幾何清理的過程就是要將不合適的自由邊去掉，以方便網格的劃分。

CAE的分析過程中，70%～80%的時間用于劃分網格，而劃分網格的過程中，70%～80%的時間做幾何處理，如果沒做好模型空間的幾何處理而直接進行網格劃分，那么后續將會出現不理想的網格，進而會對這些不理想的網格進行二次劃分，那樣進行網格修復更麻煩，最終也很難劃分出理想的網格。為了盡量減少計算規模，也為了更好地劃分網格,提高數值模擬計算的效率，有必要對空間幾何模型進行相應的簡化。

2.2 網格劃分

理論上，網格劃分越細越好,但是，過于追求高質量網格就會增加計算時間。因此,要綜合多方面的因素來確定合適的液壓管路網格劃分方式。文中在網格劃分時主要考慮以下幾方面的問題：

1)網格類型。對充液管路結構進行網格劃分采用的是二維單元，盡可能多地使用四邊形單元，盡可能少地使用三角形網格，使網格數量控制在一定的范圍。

2)網格尺寸。網格尺寸決定了網格的數量，網格數量過多不僅使數值計算規模成倍地增加，同時對計算機的性能也會有更高的要求，為了兼顧計算的精度和效率，設定網格尺寸為10mm。

3)網格疏密調整。對于不同的結構進行網格疏密的調整對保障計算的速度是很有必要的，在結構比較規整、表面比較平坦的部分，將網格調整得稀疏些，這樣可以保證在對結果影響不大的情況下提高計算的效率。

4)網格質量的檢查。當網格形狀比較理想的時候，計算結果也會很理想，但在實際操作過程中，網格變形是很難避免的，而變形了的網格過多，會對數值計算的精度產生明顯影響。如果網格質量不滿足要求，將會導致分析計算的結果錯誤,甚至不能計算出結果，因此有必要對網格質量進行檢查，對于質量太差的網格進行手動控制，保證整體的網格質量滿足計算的標準。

在ABAQUS中斷裂能實施的目的是為了在相當低的正交切削中找到一個快速的刀具磨損，并持續幾毫秒數值計算，直至得到收斂的結果。在較高的應變、應變率和溫度的金屬切割過程中對材料的流動有很大影響。為了得到更好的切屑結果，考慮計算時間對保證模型的計算精度具有重要的意義。

3 接觸問題

刀具在切削工件的過程中，接觸問題的建立是研究刀具磨損的關鍵，對保證切削模型計算精度非常重要。目前，經典的切削模擬和剛性元件的接觸是動態變化的，這無形中增加了計算的難度。為了保證刀具節點和元件工作表面節點在相互作用時不干涉，因此對他們進行分別設定,設定刀具與元件之間的摩擦系數為0.2,切削模型的接觸問題的建立如圖3所示。

圖3 接觸問題

4 數值模擬

4.1 切削過程模擬

切削過程在模擬的時候需要控制計算時間變量，它是已知的計算時間甚至不太重要的在下面的順序配方、拉格朗日、歐拉和ALE。切削過程模擬結果如圖4所示。

圖4 切削過程模擬結果

可以看到，在切削過程中隨著刀具的進給運動，切屑隨之脫落，加工變形主要發生在接觸區。

4.2 磨損數值模擬

刀具磨損仿真結果如圖5所示。

圖5 刀具磨損仿真

結果表明，月牙洼磨損逐漸發展為模擬研究進展。據觀察，這種刀具磨損計算方法顯示出對刀具磨損比的計算精度不佳，這是因為在計算的過程中忽略了刀具接觸面在力的作用下會出現的回彈現象。刀具的磨損主要發生在接觸區域，也正是接觸區域的摩擦作用導致了刀具的磨損消耗。

5 結 語

在分析切割過程中,在刀具加工系統工作坐標系的基礎上建立了工件切割過程中的幾何模型和接觸模型。一方面是致力于發展一種新的方法，使我們能夠顯著降低計算所需的時間完成模擬；另一方面提高了仿真計算的精度，并分析了切割過程以及刀具磨損的仿真結果，為切削研究提供一定的理論基礎。

[1] 陳燕,楊樹寶,傅玉燦,等.鈦合金TC4高速切削刀具磨損的有限元仿真[J].航空學報,2013(9):2230-2240.

[2] 任景剛.數控加工仿真技術發展現狀與趨勢[J].航空制造技術,2016(5):62-66.

[3] 于化東,張留新,許金凱,等.微小車床刀具磨損檢測方法[J].長春工業大學學報:自然科學版,2014,35(1):1-5.

[4] 岳彩旭,蔡春彬,黃翠,等.切削加工過程有限元仿真研究的最新進展[J].系統仿真學報,2016(4):815-825,832.

[5] 邱炎兒.淺談數控機床刀具磨損的監測方法[J].長春工業大學學報：高教研究版,2010(4):180-181.

[6] 張春松.刀具磨損對表面粗糙度的影響與對策[J].科技資訊,2012,15:108-109.

[7] 楊樹財,王志偉,張玉華,等.微織構球頭銑刀加工鈦合金的有限元仿真[J].沈陽工業大學學報,2015,5:530-535.

[8] 王明海,王京剛,鄭耀輝,等.鈦合金Ti6Al4V銑削有限元仿真分析[J].制造業自動化,2013,22:42-45.

Cutting process modeling and tool wear simulation

LI Hong1， WANG Dazhen2, YE Xianzhen1

(1.Department of Mechanical Engineering, Chengyi University College, Jimei University, Xiamen 361021, China；2.School of Mechanical Engineering， Jimei University， Xiamen 361021, China)

In cutting tool system coordination during the cutting process, both the tool geometry model and contact model are built. Numerical simulation for the cutting process and tool wear is given here.

tool wear; numerical simulation; cutting; chip formation.

2016-05-25

福建省自然科學基金項目資助(2015J01215); 福建省中青年教師教育科研項目(JAT160692); 集美大學誠毅學院青年科研基金科技類項目(C16001)

李 紅(1981-)，女，漢族，遼寧沈陽人，集美大學誠毅學院講師,碩士，主要從事先進制造技術(精密和特種加工理論與技術)方向研究,E-mail:wswhqk@163.com.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2016.6.05

TH 164

A

1674-1374(2016)06-0540-04