基于D E F O RM刀具磨損有限元仿真分析

張南洋

（江蘇安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程系，江蘇 徐州221001）

ZK514型卷筒制動(dòng)盤主要用于橋式起重機(jī)陽(yáng)江核電廠裝卸燃料設(shè)備上，做安全制動(dòng)器使用，如圖1所示。屬于中批量生產(chǎn)對(duì)象，制動(dòng)盤直徑為910mm，材料為Q235-B，彈性模量為201 GMP，密度為7.8 g/cm3，泊松比為0.273.通常一個(gè)制動(dòng)盤切削用時(shí)約為6 h，其中車削大約占70%.

圖1 制動(dòng)盤及有限元模型

YT5車刀抗沖擊及抗震性好，適合碳素鋼與合金鋼加工以及工況相對(duì)較差、加工余量較大時(shí)的粗加工，該刀具在制動(dòng)盤生產(chǎn)加工中被廣泛使用，如圖2所示，刀具詳細(xì)的參數(shù)見表1.

圖2 刀具及有限元模型

表1 Y T5車刀主要參數(shù)

在追求較高產(chǎn)量的目標(biāo)下，切削參數(shù)設(shè)置不合理導(dǎo)致刀具過早磨損。本文采用DEFORM-3D軟件，以YT5刀具切削ZK514型制動(dòng)盤作為研究對(duì)象，進(jìn)行仿真加工，得出刀具在兩組切削參數(shù)下刀具磨損情況。

1 前處理設(shè)置

在DEFORM-3D中，設(shè)置加工類型為車削，系統(tǒng)單位選擇國(guó)際單位制，仿真模式為熱傳遞和變形，迭代方法選擇直接迭代法[1]。刀具為WC硬質(zhì)合金，型號(hào)為DNMA432，材料類型設(shè)置為剛性，刀具劃分30 000個(gè)網(wǎng)格。制動(dòng)盤材料為Q235-B，彈性模量E=2.1× 1011 N/m2，泊松比 μ =0.274，質(zhì)量密度=7 830 kg/m3，工件選擇塑性體，采用絕對(duì)網(wǎng)格尺寸，最小網(wǎng)格尺寸為進(jìn)給量的25%.定剪摩擦因子0.6，熱傳導(dǎo)系數(shù)為43 N/sec/mm/℃，刀具起初溫度為20℃.步數(shù)存儲(chǔ)增量25，總共模擬步數(shù)為1 500步，切削弧長(zhǎng)6.5 mm.

為便于在后處理中查看刀具磨損情況，使用Usui模型來(lái)計(jì)算刀具磨損，如公式1所示。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，實(shí)驗(yàn)校正因子a、b分別取0.000 000 1和855[2]。將優(yōu)化參數(shù)組合（νc=150m/min、f=0.33mm/r、ap=1.5mm）和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)（νc=125m/min、f=0.2mm/r、ap=1mm）兩組數(shù)據(jù)，分別輸入到切削參數(shù)對(duì)話框中，完成前處理設(shè)置。

式中，W為磨損深度；P為界面壓力；ve為滑動(dòng)速度；T為絕對(duì)界面溫度。

2 后處理分析

從圖3可知，刀具磨損首先發(fā)生在刀尖切削工件位置，等量磨損值連成的曲線呈現(xiàn)不規(guī)則閉合線，閉合線形狀由工件形狀、刀具劃分網(wǎng)格數(shù)、硬度以及選取的步數(shù)值等多種因素共同決定，磨損量由內(nèi)到外依次不規(guī)則遞減，隨著切削時(shí)間延長(zhǎng)磨損值不斷增大，刀具后刀面開始出現(xiàn)磨損，磨損量與切削時(shí)間近似地成正比列增加[3]。

圖3 不同時(shí)間步下刀具磨損深度

圖4是兩組不同參數(shù)下刀具界面溫度，從圖中可以看出，切削過程中產(chǎn)生的熱量主要集中在刀尖位置。a圖是采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)下模擬刀具界面溫度試驗(yàn)，從整個(gè)模擬過程來(lái)看，溫度隨著時(shí)間步數(shù)不斷在升高，到達(dá)391℃后，趨于平穩(wěn)。在b圖中由于切削參數(shù)比a圖的切削參數(shù)要大，從而b圖中刀具界面溫度比a圖的高55℃.

圖4 兩組切削參數(shù)下刀具界面溫度試驗(yàn)

圖5是兩組不同切削參數(shù)下刀具磨損深度仿真試驗(yàn)，在同等條件下，經(jīng)驗(yàn)參數(shù)下刀具磨損最大深度為0.000 002 96 mm，優(yōu)化參數(shù)下刀具磨損最大深度為0.000 003 32mm，數(shù)值幾乎相當(dāng)。

圖5 兩組切削參數(shù)下刀具磨耗率試驗(yàn)

3 結(jié)論

本文研究中采用YT5硬質(zhì)合金刀具車削ZK514型卷筒制動(dòng)盤，通過刀具磨損試驗(yàn)，在給定優(yōu)化后切削參數(shù)范圍內(nèi)，刀具耐用度在制動(dòng)盤加工中均滿足加工要求。綜上所述，對(duì)于給定的切削深度和進(jìn)給量組合，在特定的切削速度范圍內(nèi)，刀具的損耗是安全、可預(yù)測(cè)且可控制的，加快的刀具磨損并不會(huì)過度增加切削成本。以上試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，研究獲取的優(yōu)化參數(shù)是可行、合理的，具有較好的實(shí)用性。

[1]魏效玲，王劍鋒.基于DEFORM的刀具幾何參數(shù)與切削力關(guān)系的研究[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2014，11（11）：11-13.

[2]韋 聯(lián)，周利平.基于Deform 3D的金屬車削過程仿真[J].工具技術(shù)，2010，44（8）：29-33.

[3]陸劍中.金屬切削原理與刀具[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.