基于有限元法的刀具切削過程的應力應變分析

王娟娟 續富琴

摘? 要：刀具切削金屬是機械加工中不可或缺的一種加工方式。該技術是每個國家機械加工實力的重要標志，是加工制造業的關鍵步驟，并且對制造業發展有著至關重要的作用。該文在有限元仿真軟件ANSYS的幫助下，建立一套以YT類硬質合金鋼切削鋁合金的工件為基礎的二維直角切削模型，進行數值模擬分析，獲得了工件在不同分析步時間長度的應力應變的分布，揭示了整個加工過程中工件應力場、應變等變化規律。

關鍵詞：切削加工? 計算機仿真? 有限元? 應力應變

中圖分類號：TG506.5 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）08（b）-0056-02

刀具切削金屬是機械加工中不可或缺的一種加工方式。該技術是每個國家機械加工實力的重要標志，是加工制造業的關鍵步驟，并且對制造業發展有著至關重要的作用[1]。

該課題基于刀具切削機理，利用有限元分析軟件ANSYS，對金屬切削過程中不同分析步時間階段中工件和刀具的應力應變變化進行分析。通過確定材料性能參數，建立工件和刀具的二維直角金屬切削材料模型，進而對材料模型施加約束、載荷，通過ANSYS軟件進行計算求解，之后選擇應力應變云圖，通過分析云圖得出刀具切削過程中的工件的應力應變變化情況。該方法不僅所需的成本低、效率高，而且可以得到由實驗測不出的一些數據結果，比如工件的應力、應變場在每個時間段的變化。

1? 建立有限元模型

1.1 建立材料模型

以前角25°、后角8°的位置放YT類硬質合金刀具切削鋁合金，從長為4cm，寬為1cm的工件上切削厚度為2mm的切屑為基礎，來建立二維正交切削模型。工件采用塑性應變大的VISCO106單元類型模擬鋁合金材料，設置彈性模量E=72GPa、泊松比?=0.32;刀具選用PLANE182單元類型模擬YT類硬質合金，設置彈性模量E=600GPa、泊松比?=0.3[2]。

1.2 網格劃分

如圖1所示的是通過網格劃分后的模型，將模型中的工件沿著切削線分成上下兩部分，上部劃分成100個單元，下部劃分成500個單元網格，將刀具分成50個單元[3]。

1.3 定義接觸對

定義合理的接觸類型、參數是有限元計算準確性的主要因素之一，該課題對通過單面接觸的方式對接觸條件定義，一般設置兩對接觸：（1）刀具的前刀面與切屑的底層;（2）工件的已加工表面和刀具的后刀面之間[4]。但工件在前刀面的強烈擠壓作用下，切屑底層會被拉長，為了確保仿真模擬更加符合實際情況，因此加入了第三個接觸對，即切削線處得切屑底層與已加工表面間的接觸。

1.4 施加約束和載荷

為了更好地模擬刀具切削過程，于是要約束工件左端和底部的X和Y方向，約束位移為0，來阻止工件受到刀具運動的影響而移動;另外，由于要模擬刀具水平向左運動，因此只要約束刀具Y方向，使刀具不能沿著Y方向移動，隨后在刀具上施加一個向負X方向移動的位移，要想將多余材料切除，所以要使刀具水平移動0.025m，即施加約束為-0.025m，以此來模仿刀具切削工件的動作。

2? 結果分析

如圖2所示，工件在Time=0.1、Time=1的分析步時間長度的應力應變情況。

圖2的（a）（b）分別表示的是在切削過程中的Time=0.1、Time=1分析步時間長度的應力應變分布，顏色的深淺變化程度代表應力應變的變化，圖（a）中，工件的最大等效應力為460MPa，最大應變為0.006594;圖（b）中，工件的最大等效應力為455MPa，最大應變為0.006532。通過對比分析（a）（b）兩幅圖的顏色的變化，可以看到較高的應力分布在刀尖附近位置和第一變形區域。這種現象是因為工件在刀具的擠壓、摩擦的作用下，第一變形區有較大變形程度造成的。應力從刀尖和工件發生碰撞的地方開始，之后沿著切削線快速擴展，且在第一變形區域形成應力帶，該應力帶也會隨著刀具的運動沿切削線移動，并一直處于切屑上;等效應力也以第一變形區為主，之后向外圍逐漸減小。且工件上的最大等效應力主要集中在450～460MPa。

應變同應力云圖一樣，較大應變也主要在刀尖附近區域和工件的第一變形區，在切屑底部也會形成很大的應變。這是由于刀具和切屑碰撞時，刀具與切屑之間發生劇烈的摩擦，再加上工件受到刀具強烈的擠壓作用引起的。另外，工件在接觸刀具時，應變從碰刀點處開始產生，隨著刀具的切入，切削角向切屑層擴展，形成等效塑性應變層;除此之外，可以發現工件材料的應變變化相對較小。

3? 結語

該課題研究了工件的應力、應變場的變化規律。在帶狀切屑形成的過程中，在刀尖附近區域或第一變形區出現最大等效應力和應變，且等效應力以第一變形區為中點逐漸向四周遞減;其在擴展的同時會在第一變形區形成最大的等效應力帶;另外，在切屑底部也會形成很大的應變。

鋁合金材料在日常有廣泛的應用，具有廣闊的應用前景，所以對于該材料的加工方法和加工質量的研究將成為今后研究的重點。

參考文獻

[1] 吳勃.金屬切削加工過程的有限元建模與仿真[D].江蘇大學，2016.

[2] 朱江新，夏天，陽平，等.基于ANSYS的金屬切削過程模擬[J].廣西大學學報，2010，32（11）：106-109.

[3] 舒平生.基于ABAQUS的A357鋁合金正交切削加工有限元仿真及其實驗研究[J].組合機床與自動化加工技術，2015，23（3）：168-172.

[4] 董丙闖.淬硬鋼高速切削有限元分析及刀具參數研究[D].昆明理工大學，2012.