數(shù)控機(jī)床切削速度對(duì)切削力影響的仿真分析

溫得英

（青海大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，青海西寧 810016）

0 引言

高速切削是先進(jìn)制造業(yè)的主要技術(shù)之一，它不僅可獲得更高的生產(chǎn)率，而且還可獲得很高的加工質(zhì)量，并可降低生產(chǎn)成本。高速切削技術(shù)可以解決傳統(tǒng)切削加工過程低效、低質(zhì)量、高耗能等問題。與傳統(tǒng)的切削加工相比，高速切削不僅提高切削速度，而且降低切削力，延長刀具壽命，降低低階切削振動(dòng)和工件表面的切削熱。它是以提高切削速度、單位時(shí)間內(nèi)材料去除率和改善加工質(zhì)量為目的的先進(jìn)制造技術(shù)[1]。高速切削逐漸成為當(dāng)前切削技術(shù)的重要發(fā)展方向，也必將成為切削加工領(lǐng)域的主流切削技術(shù)[2-6]。

高速切削加工時(shí)，切削力是重要參數(shù)之一，它不僅影響工件表面的加工質(zhì)量，而且還影響刀具的使用壽命。通過有限元仿真，分析高速切削過程中如何最大程度減小切削力，獲得更高的加工質(zhì)量。近年來，用有限元仿真分析高速切削機(jī)理的研究雖然較多，但有一些局限性，復(fù)雜的高速切削過程不能完全反映出來，需要進(jìn)一步完善[7]。利用有限元軟件對(duì)45#鋼進(jìn)行高速切削模擬仿真分析，為中碳鋼在高速切削技術(shù)中的應(yīng)用奠定一定的技術(shù)基礎(chǔ)。

1 切削過程中的切削力

切削力，是指在切削過程中產(chǎn)生的作用在工件和刀具上的大小相等、方向相反的作用力。影響切削力的主要因素包括：設(shè)備自身功率、工件材料、刀具種類和參數(shù)以及切削時(shí)的潤滑條件等。在仿真實(shí)驗(yàn)中，為了方便地測量切削力，合力F可以分解為如圖1所示的3個(gè)垂直的分力（以車削外圓為例）。①切削力（主切削力）Fx：在主運(yùn)動(dòng)方向上的分力。它是校驗(yàn)和設(shè)計(jì)機(jī)床主要機(jī)構(gòu)的重要依據(jù)，通常用來確定機(jī)床功率、檢驗(yàn)刀具的強(qiáng)度和剛性等。②背向力（切深抗力）Fy：是影響工件表面加工質(zhì)量的重要因素。③進(jìn)給力（進(jìn)給抗力）Fz：是平行于進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向上的分力，主要用于機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度校核。由圖1可得在通常的切削加工中，主切削力相對(duì)較大，背向力和進(jìn)給力相對(duì)較小。但有時(shí)也因刀具和工件材料、切削用量以及刀具幾何參數(shù)等的變化，這3個(gè)分力的比例變化范圍較大。

圖1 切削合力和分力

2 DEFORM 3D建立切削三維模型

通過DEFORM 3D模塊，建立45#鋼高速切削時(shí)切削刀具和被加工工件的三維模型。被加工工件直徑50 mm，為減少計(jì)算量，選取其中部分30弧度作為切削對(duì)象，高速切削刀具選取DEFORRM 3D自帶刀具庫中一刀具，工件材料為45#鋼，刀具為硬質(zhì)合金WC刀具。仿真開始時(shí)，環(huán)境溫度、刀具溫度和工件溫度都設(shè)為20℃。其中部分參數(shù)設(shè)置過程見圖2。完成所有條件設(shè)置后生產(chǎn)完整的高速切削三維模型，如圖3a所示。建立有限元仿真模型時(shí)，首先要進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分的合理性直接影響仿真計(jì)算精度，理論經(jīng)驗(yàn)表明，網(wǎng)格劃分太大，計(jì)算結(jié)果誤差太大或求解無效，網(wǎng)格劃分太小會(huì)增加求解時(shí)間及占用大量磁盤空間。圖3b所示為劃分網(wǎng)格后的高速切削三維模型。

圖2 建模過程主要步驟

圖3 高速切削三維模型

3 切削速度對(duì)切削力的影響仿真

對(duì)建立的45#鋼高速切削三維進(jìn)行仿真模擬，并借助高速切削理論對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析研究。

（1）查閱文獻(xiàn)得知鋼材高速切削“薩洛蒙曲線”死谷區(qū)大概在（300～600）m/min范圍內(nèi)，因此初步取切削速度240 m/min，300 m/min，360 m/min，420 m/min，480 m/min，540 m/min，600 m/min及660 m/min作為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行仿真分析計(jì)算。切削力F隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化曲線如圖4所示。

圖4 切削力F隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化曲線

（2）分別將切削速度（240～660）m/min時(shí)的切削力取平均值（表1），再通過Matlab作出折線圖（圖5）。

表1 不同切削速度下平均切削力的值

圖5 不同切削速度下切削力的變化規(guī)律

由圖表可知，在切削速度（240～660）m/min不斷增加的情況下，切削力平均值呈先逐漸上升到最高值，然后又從最高值逐漸下降的趨勢。

4 結(jié)語

分析研究得出結(jié)果，高速切削45#鋼時(shí)，切削速度較低時(shí)，隨著切削速度的提高切削力增大，當(dāng)切削速度增大到一定值時(shí)，切削力會(huì)隨著切削速度的升高而減小，符合薩洛蒙死谷理論，當(dāng)切削速度越過死谷后切削力反而降低，是因?yàn)榍邢魉俣忍岣邥r(shí)，剪切角增大，切削變形減小，切削力降低；另一方面是切削過程產(chǎn)生的切削熱被切屑快速帶走，切削熱的軟化作用降低，所以切削力降低且降低幅度越來越小，最后趨于不變。由此可以判定試驗(yàn)取值范圍正確，可以繼續(xù)進(jìn)行下一步仿真分析。