利用虛擬制造技術(shù)對金屬的切削加工過程進(jìn)行了模擬仿真研究。按照實(shí)際加工條件建立了切削模擬模型，按照國家標(biāo)準(zhǔn)建立的硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片的三維模型既考慮到真實(shí)的刀片幾何形狀，也考慮了其安裝角度參數(shù)。利用軟件DEFORM3D對金屬切削過程中的切屑流動(dòng)狀態(tài)及過程中的溫度場和應(yīng)力場進(jìn)行了模擬加工并分析了模擬結(jié)果。
1、引言
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，虛擬制造技術(shù)在傳統(tǒng)加工制造業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。應(yīng)用虛擬制造技術(shù)可以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量，從而提高產(chǎn)品的市場競爭力。對車削過程進(jìn)行虛擬仿真，可以合理選擇參數(shù)工藝中的車削速度，背吃刀量及進(jìn)給率；對車刀幾何結(jié)構(gòu)(前角，后角和斷屑槽等)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。目的在于減小切削力，提高金屬切除效率并改善加工表面質(zhì)量，優(yōu)化加工工藝等。
當(dāng)前，國內(nèi)外針對車削過程模擬已開展了很多研究并取得了實(shí)際的意義。例如：日本H Sasahara等應(yīng)用彈塑性有限元法，在忽略溫度和應(yīng)變速率影響的前提下模擬了加工表面殘余應(yīng)力的分布[1]。美國T Altan與意大利E Ceretti合作開展了直角與斜角切削過程應(yīng)力/溫度場分布的二維和三維有限元分析[2~3]，并將結(jié)果應(yīng)用于改善實(shí)際加工參數(shù)。清華大學(xué)方剛等通過正交切削工藝的二維有限元模擬結(jié)果分析了刀具載荷和切削溫度場的分布狀態(tài)[4]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)董麗華對面銑刀切入瞬間應(yīng)力場進(jìn)行了有限元模擬，分析切入瞬間的應(yīng)力場分布�，F(xiàn)有的研究成果表明[6~11]，應(yīng)用于切削加工過程的虛擬制造技術(shù)已經(jīng)開始成熟。
筆者嘗試?yán)锰摂M制造技術(shù)對金屬的切削加工過程進(jìn)行模擬仿真研究：通過充分考慮在切削模擬過程中的可轉(zhuǎn)位車刀幾何參數(shù)(可轉(zhuǎn)位刀片幾何角度及斷屑槽參數(shù))及車削進(jìn)給率等工藝參數(shù)的實(shí)際情況，基于DEFORM－3D三維有限元分析軟件，在考慮應(yīng)變速率強(qiáng)化效應(yīng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了車削過程熱)力耦合模擬；討論了車削工藝參數(shù)與加工過程應(yīng)力)應(yīng)變及溫度場分布狀態(tài)的關(guān)系。
2、模型的建立及模擬參數(shù)
研究中模擬的車削過程是用可轉(zhuǎn)位車刀進(jìn)行碳鋼的外圓車削。由于刀具的幾何形狀直接影響到模擬結(jié)果的真實(shí)性，因此采用Pro/e軟件完成了刀片、工件和簡化刀具的幾何建模，并將模型導(dǎo)入模擬仿真軟件DEFORM－3D�？赊D(zhuǎn)位車刀(圖2)材料定義為WC基硬質(zhì)合金，其三維模型具體參數(shù)參照文獻(xiàn)[12]；被切削金屬定義為美國標(biāo)準(zhǔn)牌號為AISI1045的碳鋼，其材料成分及物理性能與GB45鋼近似。由于在車削過程中的應(yīng)力應(yīng)變和溫度變化主要集中在刀尖部位，而其它部位的變化不大，因此為了減少有限元網(wǎng)格數(shù)量，減少計(jì)算時(shí)間，可以只分析靠近刀尖部位的一小部分工件，而忽略其他的工件部位(見圖1)。
圖1 模擬行程為12mm時(shí)的刀屑狀態(tài)
兩種金屬材料的物理性能見表1。兩種材料間的熱交換率為50N/Sec/mm/C，剪切摩擦系數(shù)為0.6。刀屑摩擦系數(shù)對車削模擬過程影響很大，是建立真實(shí)邊界條件的重要參數(shù)。由于金屬車削過程中，金屬的變形主要為大塑性變形，所以在模擬中碳鋼可被視為剛塑性體，而忽略它的彈性變形；可轉(zhuǎn)位刀片在切削過程中變形很小，視為彈性體。模擬中工件塊長度為20mm，模擬切削總長度為15mm。刀具斷屑槽采用V型斷屑槽，其寬度為3mm(刀片參數(shù)見圖2)。工件初始溫度為20，刀具初始溫度設(shè)置為200。切削加工參數(shù)及刀具安裝參數(shù)見表2。
圖2 刀具參數(shù)
表1 工件及刀具物理性能
表2 切削加工參數(shù)及刀具加工參數(shù)
在車削過程中，由于塑性變形都發(fā)生在刀尖附近，使得刀尖附近的工件中應(yīng)力梯度、應(yīng)變梯度和溫度梯度都很大，所以劃分網(wǎng)格時(shí)應(yīng)該在這部分區(qū)域采用較小的有限元網(wǎng)格。而其他部分由于變形很小，因此可以采用較大的網(wǎng)格，以控制整體網(wǎng)格單元數(shù)量。
3、模擬結(jié)果分析
3.1 物體受力與應(yīng)力分析
刀具的受力分析是刀具設(shè)計(jì)和車削參數(shù)選擇必不可少的內(nèi)容，傳統(tǒng)的刀具受力分析方法有簡化的理論公式，還可通過大量試驗(yàn)確定的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算[13~15]。
上述方法或者不能精確地分析結(jié)構(gòu)復(fù)雜的刀具，或者需依賴于大量的車削試驗(yàn)，而有限元方法可以彌補(bǔ)以上缺陷。圖3為行程為12mm時(shí)的刀具受力分析模擬結(jié)果，可以看到，最大的壓應(yīng)力集中在刀尖和切屑接觸的切削刃附近，刀片所承受的大部分為拉應(yīng)力，且刀具中最大的應(yīng)力為拉應(yīng)力。
圖3 刀具行程12mm時(shí)刀尖的最大應(yīng)力分布
圖4為模擬過程中刀具的載荷，通過三維有限元模擬不僅可以掌握與切削速度方向一致的切削力Fz，同時(shí)還可了解切削中刀具的背向力(徑向載荷)和進(jìn)給力(軸向載荷)，以防止因其過大而引起刀具振動(dòng)和工件變形。將模擬試驗(yàn)得到的刀具載荷Fz與Kienzle經(jīng)驗(yàn)公式[15]計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對比后發(fā)現(xiàn)，公式計(jì)算的結(jié)果為1386N，模擬的平均值為1500N，可以看到Kienzle公式的計(jì)算值比模擬值稍小，這是因?yàn)槟M切削工況相對經(jīng)驗(yàn)公式的適用工況改變的結(jié)果。另一個(gè)主要原因是刀尖的幾何尺寸較小，當(dāng)劃分有限元網(wǎng)格時(shí)，必然使連續(xù)的表面尺寸離散化，相當(dāng)于增加了刀尖的不規(guī)則程度，使模擬結(jié)果出現(xiàn)誤差，這可以通過細(xì)分網(wǎng)格使誤差減小。
圖4 模擬切削過程中的刀具載荷
圖4中刀具載荷存在明顯的波動(dòng)現(xiàn)象，在實(shí)際切削過程中刀具的載荷也存在波動(dòng)現(xiàn)象，這是切屑和前刀面接觸面積不斷改變和機(jī)械震動(dòng)等綜合效應(yīng)的結(jié)果；然而模擬時(shí)平面的接觸被轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)的接觸，當(dāng)與刀具前面接觸的節(jié)點(diǎn)數(shù)量增多時(shí)，切削力會(huì)有向上的波動(dòng)。相反，切削力會(huì)減小。這一點(diǎn)通過仔細(xì)分析刀屑接觸節(jié)點(diǎn)分別在載荷波峰和波谷時(shí)的數(shù)量得到了驗(yàn)證。
通過車削模擬仿真，可以掌握其過程中刀具或工件中的應(yīng)力分布和切屑流動(dòng)狀態(tài)。如果把切削的模擬仿真技術(shù)與自由切削的相關(guān)理論[19]相結(jié)合，通過合理設(shè)計(jì)刀刃上各點(diǎn)的刃傾角以疏導(dǎo)排屑向量，實(shí)現(xiàn)排屑干涉最小，即可達(dá)到減小切削力、增加刀具壽命和提高加工表面質(zhì)量的目的。
3.2 溫度分析
切削時(shí)產(chǎn)生的熱量主要來自金屬的塑性變形和切屑與前刀面的摩擦作用。其中很大一部分熱量由切屑帶走，一部分傳給了刀具和工件。金屬被剪切后由前刀面流出時(shí)，由劇烈的擠壓和摩擦作用引起切屑底層金屬的劇烈變形，導(dǎo)致了刀屑界面溫度的升高。圖5的模擬結(jié)果與理論研究結(jié)果是一致的：刀屑接觸的前刀面小塊區(qū)域是切削過程中刀具溫度最高的區(qū)域。
圖5 刀具行程為12mm時(shí)刀具和工件的溫度示意
從切削溫度模擬曲線(見圖6)中可以看到，刀具切入工件后，工件很快達(dá)到其最高溫度，這是因?yàn)楣ぜ膽?yīng)變很快達(dá)到了最大值，機(jī)械能迅速轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮�；而刀具的溫度升高要依賴刀屑之間的熱量傳遞，這和兩者之間的熱交換率和熱傳導(dǎo)時(shí)間等熱物理參數(shù)有關(guān)，因此刀具的溫度是逐漸升高的。從模擬曲線看，當(dāng)?shù)毒咝谐虨?2mm時(shí)，工件的最大溫度為434℃且已達(dá)到了平衡狀態(tài)，變化很��；而刀具的最大溫度為346℃，基本達(dá)到平衡狀態(tài)。當(dāng)工件和刀具兩者都到達(dá)平衡狀態(tài)時(shí)，兩者的溫度應(yīng)該是大致相同的，但是模擬過程中由于切削速度快，模擬中設(shè)計(jì)的刀具行程時(shí)間短(行程僅為12mm)，沒有足夠的熱交換時(shí)間讓兩者到達(dá)平衡狀態(tài)。
圖6 切削溫度模擬曲線
在不改變其它刀具參數(shù)和加工參數(shù)的情況下，僅僅調(diào)整刀片刃區(qū)的參數(shù)，不采用零度倒棱的刀刃區(qū)結(jié)構(gòu)，然后重新進(jìn)行了模擬。圖7為該模擬過程中刀具和工件最高溫度曲線圖，可以看到在車削過程中，無論是刀具溫度還是工件溫度都比參數(shù)調(diào)整前下降了許多：在刀具行程為12mm時(shí)，調(diào)整參數(shù)后的工件最高溫度為365℃，與參數(shù)調(diào)整前的同期相比下降了15.9%；刀具的最高溫度為317℃，比原來下降了8.4%�？梢姷毒呷袇^(qū)參數(shù)對加工溫度的影響很大。因此在刀刃強(qiáng)度滿足要求的情況下，可以減小零度倒棱的長度或適當(dāng)增大前角，以降低車削溫度。
圖7 調(diào)整刃區(qū)參數(shù)后的溫度模擬圖
4、結(jié)語
對車削過程的研究，不僅關(guān)注過程中的應(yīng)力應(yīng)變和溫度狀態(tài)、預(yù)測刀具的破損，磨損，而且希望了解加工參數(shù)和材料參數(shù)的變化對加工表面的影響包括其表面精度、硬度和表面殘余應(yīng)力等等。以有限元技術(shù)為核心的車削仿真模擬顯示出了良好的應(yīng)用前景。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用虛擬制造技術(shù)仿真切削加工過程，可進(jìn)行實(shí)際車削工藝效果的預(yù)測和優(yōu)化，指導(dǎo)刀具的設(shè)計(jì)和加工參數(shù)的選擇，大大降低研究開發(fā)階段的加工試驗(yàn)次數(shù)和規(guī)模，達(dá)到節(jié)約成本、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期的目的。
目前有關(guān)斷屑理論的研究已比較深入，而斷屑長度又對切削過程有著重要影響[18]，因此進(jìn)一步的研究應(yīng)該從模擬切屑折斷入手，將當(dāng)前的斷屑研究成果與有限元方法結(jié)合，以擴(kuò)展有限元法在切削模擬中的應(yīng)用。
