車削過程溫度與應力分布的有限元模擬

侯健 鄧恒鳳

中國工程物理研究院材料研究所 四川 江油 621907

引言

應力與熱是機器加工過程比較關注的問題，尤其在薄壁工件或是活性金屬材料的加工過程[1-2]，應力與熱導致的工件變形和切削著火都會引起不可接受的后果。本文采用有限元方法模擬了切削過程的應力與熱分布，以期對其過程有更多認識。

1 模擬參數設置

在有限元車削模擬軟件AdvantEdge 6.2上開展相關模擬。刀具的選擇是一個重要環節，刀具為普通碳鋼。通常采用的是平面車刀片，加工之前應先確定刀具車削刃 的鈍圓半徑、前角、后角、刀具涂層數及涂層厚度等。在此基礎上，給定模擬中和刀具有關的輸入參數，如前刀面長度、后刀面長度、最大刀具單元尺寸、最小單元尺寸和網格梯度等，其切削刃的相關參數如表1所示。最大單元尺寸為0.1mm，最小單元尺寸為0.02mm，鈍圓半徑為0.02mm，網絡梯度為0.5。模擬材料性能設置為25至400℃范圍熱導率從3.12至16.2 W/(m·K)，比熱為0.114至0.14kJ/(kg·K)。

續表

對于車削加工而言，在二維模擬中，保持刀具固定，部件相對刀具進行運動，從而產生車削效果。在二維的車削加工中，刀具相對工件表面運動從而產生車削效果，需要輸入的參數是刀具的背吃刀量及相對運動速度。工件相對刀具的運動速度為0.3m/min，刀具的背吃刀量為0.15mm。二維模擬中刀具與工件的匹配關系及網格劃分如圖1所示，可見刀具外圍的網格比內部的細密，特別在與工件接觸的部分刀具網格最細密，這是為了保證切削過程中應力與溫度的計算精度。基于相同的原理，對工件而言，越接近刀具的部分網格越細密，越遠離刀具的部分網格越粗糙。

圖1 二維刀具與工件的匹配關系及網格劃分示意圖

車削加工的對象可以是一個平面，也可以是一個旋轉體（如形狀規則的柱體或殼體等），選取模擬棒狀樣品為對象開展車削加工模擬。

在刀具及工件導入過程中，輸入STEP文件后應檢查文件中可能存在的錯誤及問題，確保文件正確后再設置仿真車削條件及網格參數。刀具及工件的導入與仿真計算中其余步驟之間的執行順序如圖2所示。

圖2 刀具及工件的導入與仿真計算中其余步驟之間的執行順序

2 模擬結果

二維車削過程中，刀具與工件表面有相對運動，因車削而產生刀具與工件的局部應力與溫度的升高。圖3是車削加工過程中刀具與工件的溫度分布云圖，可見工件與刀具鈍圓接觸部分的溫度最高，接近400℃。初始階段刀具內部溫度尚未明顯上升，隨著車削的進行，刀具內部溫度逐漸升高，最終大部分刀具均升至100℃以上。工件的溫度變化過程與刀具有明顯差異，由圖3可見，工件可分為切削與基體兩部分，從一開始切削部分就接近300℃且幾乎在整個切削體中呈均勻分布，在整個車削過程中切削溫度基本保持不變，只有與刀具接觸部分溫度略高；對工件基體部分而言，刀具劃過的區域溫度會有明顯升高，但與切削的高溫相比仍然有較大差距，這是因為工件基體部分的傳熱方式單一，幾乎只有導熱。圖3表明，工件基體的溫度不會劇烈升高，即使在車削最后階段，工件基體的大部分區域溫度仍不超過100℃，反而自始至終產生的切削溫度都很高，這為防范生產過程中高溫切削可能造成的傷害提供了參考。

圖3 二維車削加工過程中刀具與工件的溫度分布

圖4是車削加工過程中刀具與工件的應力分布云圖，與溫度場相似的是，工件與刀具鈍圓接觸部分的應力最高，約300MPa。整個車削過程中，刀具與工件中均未產生劇烈的應力升高，當刀具走過工件表面后，工件的應力迅速恢復，即降為接近于零的水平[3]。圖4表明，車削加工造成的工件內部的應力差異并不明顯，反而刀具內部的應力分布更易受車削加工的影響，隨著車削的進行，刀具中的應力分布不均勻性越來越顯著。

圖4 二維車削加工過程中刀具與工件的應力分布

刀具與工件接觸部分的作用力隨時間的變化規律如圖5所示，可見只有在初始加工階段作用力變化顯著，其后的加工過程中，橫向與縱向作用力均保持相對穩定的狀態。橫向作用力明顯大于縱向作用力，穩定階段前者約為后者的三倍，這是因為橫向與刀具工件的相對運動方向一致。

圖5 二維車削加工過程中刀具與工件接觸點的作用力分布

3 結束語

模擬結果表明，刀具溫度隨加工的進行逐漸升高，工件基體的溫度僅有輕微的升高，加工產生的切削溫度很高，甚至不低于刀具的最高溫度；只有刀具與工件接觸的局部應力較高，工件基體及切削中的應力較低且分布大致均勻。