切削過程切削表層應(yīng)力與溫度的仿真分析

宋軼

摘 要：在切削過程中，工件被高強(qiáng)度擠壓，產(chǎn)生塑性變形，會(huì)導(dǎo)致切屑與切削表層分離，產(chǎn)生極強(qiáng)的溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)。由于切削的不均勻性，以及會(huì)產(chǎn)生大量的切削熱，使加工表面產(chǎn)生了殘余應(yīng)力。通過ABAQUS有限元軟件模擬Ti-6Al-4V的切削過程，得到工件切削表層的應(yīng)力與溫度變化情況，得出切削速度與進(jìn)給量對(duì)工件切削表層的應(yīng)力與溫度的影響規(guī)律。

關(guān)鍵詞：切削速度；進(jìn)給量；應(yīng)力；溫度

中圖分類號(hào)：TG506 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）20-0104-02

Abstract： During the cutting process， the workpiece is extruded with high strength， resulting in plastic deformation， which will lead to the separation of chip from the cutting surface， resulting in extremely strong temperature field and stress field. Due to the inhomogeneity of cutting and the large amount of cutting heat， the residual stress is produced on the machined surface. By simulating the cutting process of Ti-6Al-4V by ABAQUS finite element software， the change of stress and temperature of workpiece cutting surface is obtained， and the influence of cutting speed and feed rate on the stress and temperature of workpiece cutting surface is obtained.

Keywords： cutting speed； feed rate； stress； temperature

1 概述

在高速切削過程中，加工材料受到擠壓，使得切屑與工件基體脫離，會(huì)產(chǎn)生大量切削熱和應(yīng)力積聚在切屑與工件表層[1，2]，這是由于切削過程中材料受到高應(yīng)力、應(yīng)變的影響，發(fā)生的塑性變形以及刀具與工件的摩擦[3]，工件切削表層也會(huì)產(chǎn)生切削熱以及應(yīng)力，這會(huì)極大地影響到加工精度以及表面完整性[4，5]。

2 有限元模型的建立

2.1 建立幾何模型

對(duì)于切削層，和工件整體相比，厚度、長(zhǎng)度比值依次是1：5、1：15。模型切削層厚度是0.15mm，工件、刀具規(guī)格分別是1mm×2mm、0.4mm×0.7mm，前、后角分別是5°、7°。工件以四邊形網(wǎng)格進(jìn)行劃分，總數(shù)有7750個(gè)。切削、基體層應(yīng)當(dāng)分別采用密集、分散兩種方式來布種，刀具以三角形網(wǎng)格進(jìn)行劃分，總數(shù)有606個(gè)，為簡(jiǎn)化流程，降低分析難度，刀尖處未使用圓弧，而且需要進(jìn)行局部加密處理，其余各處稀疏處理，使計(jì)算更加簡(jiǎn)單，從而節(jié)省分析時(shí)間[6]。

2.2 材料本構(gòu)模型的建立

本次仿真利用霍普金森壓桿試驗(yàn)進(jìn)行分析，能夠確定材料物理學(xué)性能數(shù)據(jù)，如下表。

表1 TC4的J-C模型參數(shù)

3 模擬結(jié)果分析

3.1 切削速度對(duì)切削表面應(yīng)力和溫度的影響

圖2反映了在進(jìn)給量一定的情況下，不同的切削速度對(duì)應(yīng)的工件表層最大應(yīng)力與平均應(yīng)力。結(jié)合圖例可以看出，隨著切削速度的不斷增大，使材料的塑性變形更加明顯，切削處的產(chǎn)生的熱量增加，造成了切削表層殘余應(yīng)力的增大[7]。

圖3反映了在進(jìn)給量一定的情況下，不同的切削速度對(duì)應(yīng)的工件表層最大溫度與平均溫度。結(jié)合圖例可以看出，隨著切削速度的不斷增大，切削產(chǎn)生的熱量增加以及切削時(shí)間的縮短，熱量積聚在切削表層難以耗散，因此切削表層的溫度增大。

3.2 進(jìn)給量對(duì)切削表面的應(yīng)力和溫度的影響

圖4反映了在切削速度一定的情況下，不同的進(jìn)給量對(duì)應(yīng)的工件表層最大應(yīng)力與平均應(yīng)力。結(jié)合圖例可以看出，隨著進(jìn)給量的不斷增大，切削的厚度增加，被切削層受到的擠壓變形增大，在切削處的應(yīng)力增大，造成切削表層面的殘余應(yīng)力增大。

圖5反映了在切削速度一定的情況下，不同的進(jìn)給量對(duì)應(yīng)的工件表層最大溫度與平均溫度。結(jié)合圖例可以看出，隨著進(jìn)給量的不斷增大，切削去除量增大造成切削分離處的產(chǎn)熱增大。而進(jìn)給量對(duì)切削表層的散熱效果沒有影響，因此殘留在切削表面的熱量增大，溫度增大。

4 結(jié)束語

本文通過切削過程的仿真模擬，所得結(jié)論如下：

（1）當(dāng)切削速度增大時(shí)，切削鋸齒的變形量增大，塑性變形更加明顯，導(dǎo)致切削處的產(chǎn)生的熱量增加，積聚在切削表層，造成了切削表層應(yīng)力與溫度的增大。

（2）當(dāng)進(jìn)給量增大時(shí)，切削的厚度增加，被切削層受到的擠壓變形增大，切削去除量增大造成切削分離處的產(chǎn)熱增大，隨之造成切削表層應(yīng)力與溫度的增大。

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