基于Deform3D的不銹鋼車削加工仿真研究

韋遼

摘 要：不銹鋼是典型的難加工材料。為了更詳細地了解金屬材料的切削加工，采用CAE仿真軟件Deform 3D為平臺，根據有限元法對304不銹鋼的切削加工過程進行建模和仿真。同時采用正交試驗法對304不銹鋼進行車削加工試驗，并對試驗結果和有限元仿真模擬結果進行了對比分析，為實際生產工藝選擇參數提供合理的參考。

關鍵詞：切削加工;Deform 3D;正交試驗;有限元仿真

中圖分類號：TB ? ? 文獻標識碼：A ? ? ?doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.22.092

0 引言

切削加工是機械制造行業中應用廣泛的零件金屬成形工藝，是國內外研究的重點課題。在實際生產應用中，304不銹鋼廣泛用于制造需要良好性能的設備和零件上。硬質合金硬度比較高，是加工304不銹鋼常用的刀具材料之一。硬質合金因為超高硬度、高紅硬性、高強度和韌性廣泛地應用于切削刀具、礦用工具和耐磨零件中。

隨著計算機技術和有限元方法理論的飛躍發展，有限元已被廣泛應用于分析切削加工領域中。常用的CAE仿真軟件有MARC、DEFORM、AdvantEdge、ABAQUS等。

Deform 3D可以隨著刀具的幾何形狀、切削速度和切削深度來預測一些參數的情況，如切削力大小、應力應變、切削溫度高低、磨損大小、磨損形式等。采用CAE仿真軟件Deform 3D為平臺，根據有限元法對304不銹鋼的切削加工過程進行建模和仿真。同時采用正交試驗法對304不銹鋼進行車削加工試驗，并對試驗結果和有限元仿真模擬結果進行了對比分析，為實際生產工藝選擇參數提供合理的參考。

1 基于Deform 3D的不銹鋼車削加工仿真

1.1 Deform 3D簡介

Deform 3D是基于有限元分析方法的專業工藝仿真軟件，可以綜合建模、網格劃分、成形、熱傳導等進行模擬仿真分析，適用于熱、冷、溫成形，可以得到詳細和有益的工藝數據。Deform 3D可以優化工藝參數選擇，提高工程設計效率，縮短開發周期，減少經濟開支從而節約成本。

1.2 切削仿真模型的建立

Deform 3D軟件的仿真模型可以從外部CAD軟件導入。在實際中可以使用常用三維繪圖軟件來描繪刀具和工件的三維幾何模型，如UG、Solidworks、Pro/E等，隨后導入到Deform 3D軟件中進行模擬仿真。

1.3 材料模型的建立

材料模型的建立，就是要獲得材料的應力-應變曲線關系（本構關系），以定義材料在載荷作用下的響應行為。在Deform 3D自帶材料庫，可以選擇相應的刀具和工件材料。

1.4 模型網格劃分

在金屬成形有限元分析軟件中，常用的單元主要有8節點六面體單元和四面體常應變單元。由于四面體常應變單元簡單、實用，文章選取四面體常應變單元進行網格劃分。

2 實驗方法

2.1 實驗設備及材料

實驗所用的設備包括數控車床、測力儀。實驗刀具為YW2硬質合金刀片，工件材料為304不銹鋼。切削條件：干切削。

2.2 實驗過程

為了深入分析模擬結果，文章對304不銹鋼進行了單因素車削加工試驗，分析了切削參數對切削加工過程的影響。

切削力傳感器是由瑞士公司制造的測力儀。

3 實驗結果與仿真結果分析

切削力是切削加工過程中關鍵的物理參數，影響刀具的磨損情況和工件已加工表面質量。

圖1所示為Deform 3D環境下車削加工模擬分析過程的示意圖。

切削過程中用切削速度、切削深度和進給量來了解切削加工的過程。為了研究不同的切削參數變化對切削力的影響，采用正交實驗開展實驗。正交實驗表和切削力仿真與實驗結果數值比較表如表1所示。

在實際加工過程中，由于環境溫度變化、刀具磨損狀況、加工參數對排屑情況等因素的影響，可能會導致實際數值與模擬數值產生一定的誤差。同時，因為金屬切削過程是一個非線性問題，具有連續性和動態性特征，在Deform 3D中對于刀具和工件的網格劃分不同也將會導致誤差產生，在仿真切削過程中一些單元可能被擠壓或變形，嚴重影響切削精度，導致計算過程不收斂，也會產生誤差。

從表1可以看出，考慮到實際切割中材料的失效和摩擦條件非常復雜，誤差在8%以內，所以模擬結果是可以接受的。Deform 3D模擬在理想條件下，實際加工過程中存在各種影響因素，可以看出實驗值和切削力模擬值存在一定的誤差。但總體誤差很小，在可接受的范圍內。

從圖2可以看出，當刀具開始切削工件后，切削力開始比較小，隨著時間的增加不斷增加，到了一定時間后才會達到穩定值，數值在一定范圍內也存在不斷波動情況，這與在實際試驗中利用測力儀所獲取的圖表變化趨勢是一致的。

4 結語

文章以CAE仿真軟件Deform 3D為研究平臺，根據有限元法對304不銹鋼的切削加工過程進行建模和仿真。同時采用正交試驗法對304不銹鋼進行車削加工試驗，并對試驗結果和有限元仿真模擬結果進行了對比分析，為實際生產工藝選擇參數提供合理的參考和理論指導。

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