基于ABAQUS 的磨粒磨削過程切屑形成仿真*

巨孔亮

（西安工程大學機電工程學院 西安 710048）

1 引言

磨削過程的復雜性與磨削技術的更新是磨削過程建模與仿真研究不斷發展與改革的原動力，研究單顆磨粒磨削過程是認識復雜磨削機理的重要手段［1～2］。磨具表面的磨粒，在微觀上類似于負前角的切削刃刀具，其切削過程與傳統刀具的切削過程類似，工件表面材料受到磨粒摩擦、擠壓作用逐漸發生變形并形成切屑。眾所周知，與傳統刀具切削過程不同的是，磨削過程單顆磨粒切削刃尺寸小，且為負前角切削，磨粒與工件相互作用時切削深度較小。

仿真是研究單顆磨粒磨削特性的重要方法。有限元仿真技術常用于傳統車削、銑削中切屑形成的仿真［3～6］，其尺度通常在微米級10μm 以上，且仿真環境中刀具切削刃幾何形狀規則。相比之下，磨削加工在微觀尺度的有限元模擬一般主要研究單磨粒的工作過程，并且磨粒切削工件過程更為復雜。華僑大學言蘭等［7～8］利用AgvantEdge 軟件對磨粒與AISI D2 鋼工件的切削過程進行仿真，仿真結果表明磨粒塔尖越鈍，則臨界切削深度越大。上海交通大學張雪萍等［9］利用Deform-2D 有限元軟件建立了負前角磨粒磨削過程的熱力耦合模型，仿真結果表明，工件的殘余應力隨負前角絕對值的增加而增大，磨粒幾何形狀對磨削殘余應力的影響較大。為了深入研究磨粒的切削過程，本文基于ABAQUS有限元仿真軟件，利用正交切削原理實現切屑形成仿真。

2 建立有限元模型

傳統金屬材料加工時的刀具前角指的是正交平面測量中前刀面和基面之間的夾角，一般為正值，代表了刀具的鋒利程度。而與工件發生切削作用的磨粒切削刃為負前角，使得磨粒切削工件的加工機理與傳統金屬材料切削加工機理不同。

為了能夠更加直觀展示切屑形成的變化，文中仿真采用的是二維仿真模型。其中，工件模型長度為0.12mm，寬度為0.04mm。根據切削進給量加密切削區域的網格，其尺寸設置為0.5μm，非加工區域網格尺寸逐步稀疏化。模型如圖1 所示，所有網格單元類型設置為四節點熱-力耦合平面應變四邊形減縮積分單元（CPE4RT），以便節省仿真運行時間。以上二維有限元模型的邊界條件設置如下：約束工件模型垂直和水平方向的自由度，使其固定；刀具設置為剛體。在實際切削過程中，由于刀具前刀面與切屑之間接觸密切，其摩擦對切屑形成具有重要的影響，因此其接觸摩擦模型采用庫倫模型，通過改變摩擦系數可分析切屑形成。

圖1 正交切削有限元模型示意圖

圖2 不同前角的刀具形狀

單顆磨粒形狀不規則，尺寸大小不一，文中將磨粒形狀模擬成刀具，并進行傳統刀具切削過程和磨粒切削過程的切屑形成機理對比研究。刀具前角設置如圖2所示。

3 材料失效模型

工件材料為TC4鈦合金，其物理性能參數如表1 所示。根據材料的特性選擇本構模型，將Johnson-Cook 失效模型與Johnson-Cook 本構模型一起使用，主要用于材料的應變、應變率、溫度變形等分析［10～11］。Johnson-Cook 失效模型應變函數如式（1）所示。

表1 TC4鈦合金的物理性能參數

表2 TC4鈦合金J-C失效模型參數

4 切削仿真結果與分析

為了更好地理解不同切削參數下的切屑形成機理，進行正交切削仿真，即通過較大前角的刀具切削代替拋光過程中的單顆磨粒切削過程。通過正交切削法，研究刀具前角、切削深度、切削速度和摩擦系數對切屑形狀、切屑形成斷裂機理的影響。

4.1 刀具前角對切屑形成的影響

磨粒切削過程與傳統刀具切削過程不同的是，磨粒切削刃尺寸小，且為負前角切削。本文在切削深度為10μm、切削速度為5m∕s、摩擦系數為0.25的條件下，進行不同刀具前角γ（20°、0°、-20°）切削作用的有限元仿真，仿真結果如圖3 所示，不同的刀具前角得到的切屑形態差別較大。

從圖3 的仿真切削結果中可以看出，刀具前角對形成的切屑類型發揮重要作用。刀具前角γ為正角度（20°）時能形成連續的帶狀切屑，刀具前角γ為0°時產生鋸齒狀切屑，而前角γ為負角度（-20°）時，產生不連續的切屑。隨著刀具前角由正值變為負值，切屑類型從連續切屑轉變為非連續鋸齒形切屑。在刀具前角變化的過程中，由于前刀面傾斜度越來越小，切屑上的壓力逐漸增加，從而導致主剪切區域中斷裂應力的增加。當剪切應力超過材料的初始損傷準則時，材料形成斷裂。

圖3 不同刀具前角γ的正交切削仿真結果（Mises單位：MPa）

4.2 切削深度對切屑形成的影響

在切削速度為5m∕s、摩擦系數為0.25 的條件下，進行前角為-20°刀具在不同切削深度hc（2.5μm、5.0μm、7.5μm、10μm）的正交切削作用有限元仿真，結果如圖4 所示，不同切削深度可得到的切屑形態差別較大。

從圖4 的正交切削結果中可以看出，切削深度較小時，易形成連續的帶狀切屑（圖4（a））。隨著切削深度的增加，接觸區域的剪切應力也因該區域的應變增加而逐漸增加，剪切應力逐漸超過材料的初始損傷準則，材料斷裂逐漸形成。隨著材料的塑性流動形成鋸齒狀切屑（圖4（b）），最大應力區域面積增加。隨著切削深度增大，材料斷裂增加，從而產生不連續的切屑（圖4（c）、4（d））。

圖4 不同切削深度hc的正交切削仿真結果（Mises單位：MPa）

4.3 切削速度對切屑形成的影響

在切削深度為5μm、摩擦系數為0.25 的條件下，進行前γ為-20°的刀具在切削速度v（4m∕s、5m∕s、6m∕s、12m∕s）時的正交切削作用有限元仿真，結果如圖5 所示，不同的切削速度得到的切屑形態仍有差別。

從圖5 的正交切削結果中可以看出，切削速度4m∕s、5m∕s 時均產生連續的鋸齒狀切屑（圖5（a）、5（b））。但當切削速度為6m∕s 時，切削速度的增加加劇了接觸區域的材料應變，從而增加了材料斷裂，形成非連續的鋸齒狀切屑（圖5（c））。當切削速度增加到12m∕s 時，材料斷裂增速也加快，形成更加不連續的切屑（圖5（d））。

圖5 不同切削速度v的正交切削仿真結果（Mises單位：MPa）

4.4 摩擦系數對切屑形成的影響

在切削深度5μm、切削速度5m∕s 的條件下，進行前角γ為-20°的刀具在摩擦系數μ為0.1、0.2、0.3、0.4 時的正交切削作用有限元仿真，結果如圖6 所示，隨著摩擦系數的增加切屑形態變化比較顯著。

當摩擦系數μ較小（0.1、0.2）時，正交切削所得到的切屑是不連續的，且摩擦系數越小，切屑越容易斷節（圖6（a））；隨著摩擦系數μ增大（0.3、0.4），切屑之間連接程度增大，形成非連續鋸齒狀切屑，而摩擦系數μ越大，切屑越靠近前刀面（圖6（d））。

圖6 不同摩擦系數μ的正交切削仿真結果（Mises單位：MPa）

5 結語

本文基于ABAQUS有限元仿真軟件，利用正交切削原理實現切削加工過程，仿真結果表明：1）刀具前角對形成的切屑類型發揮重要作用，正前角易形成連續的帶狀切屑，負前角易產生不連續的切屑；2）隨著切削深度的增加，帶狀切屑逐步轉變為不連續切屑；3）切削速度越大，越容易形成非連續的切屑；4）摩擦系數越小，越容易形成非連續的切屑。以上結果為后續研究磨削表面形成機理建立基礎。