王 笑，朱紅波

(1.新疆工程學(xué)院機械工程系，新疆烏魯木齊 830091;2.克拉瑪依職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆獨山子 833699)

0 引言

金屬切削加工是指通過切削運動，由刀具從工件上切下多余金屬材料而形成切屑和已加工表面的過程。在切削加工過程中將產(chǎn)生切削變形、切削力、切削熱與切削溫度、刀具磨損等諸多現(xiàn)象，這些現(xiàn)象都會對加工過程及工件加工質(zhì)量造成影響。切削力和切削熱是金屬切削過程中的兩個重要的物理現(xiàn)象，切削力直接影響著工件質(zhì)量、刀具壽命、機床動力消耗，是設(shè)計機床、刀具、夾具不可缺少的要素之一;切削熱引起切削溫度升高，會加速刀具的磨損，使工件及刀具產(chǎn)生熱變形，影響加工精度及表面質(zhì)量［1］。因此，研究金屬切削加工過程中影響切削力和切削熱的有關(guān)因素，對控制切削力和切削熱的產(chǎn)生、保證加工質(zhì)量具有重要意義。

由于42CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼的綜合機械性能較好，在1 200～2 000 m石油深井鉆機接頭和打撈工具制造中被廣泛應(yīng)用［2］。隨著近年來對油田井下作業(yè)安全要求不斷提高，生產(chǎn)中對井下作業(yè)工具的加工質(zhì)量也提出了新的要求。為了進一步分析42CrMo鋼在車削過程中切削力與切削熱的變化情況，基于Deform 3D有限元軟件建立車削加工簡化模型并進行車削加工仿真，通過對仿真結(jié)果進行分析，研究車削過程中切削力和切削溫度的變化規(guī)律。

1 Deform 3D車削仿真模型建立

1.1 幾何模型的建立

Deform 3D是一套基于工藝模擬系統(tǒng)的有限元分析系統(tǒng)(FEM)，用于分析金屬成型及相關(guān)各種成型工藝和熱處理工藝。它是在一個集成環(huán)境內(nèi)綜合建模、成型、熱傳導(dǎo)和成型設(shè)備特性進行模擬仿真分析，適用于熱、冷、溫成型加工，并提供有價值的工藝分析數(shù)據(jù)［3］。Deform 3D主要包括前處理程序、模擬程序和后處理程序。軟件的切削加工仿真模塊為使用者提供車削、銑削、鉆削等多種加工方式，同時軟件自帶的刀具庫和材料庫提供了豐富的刀具模型及材料供用戶選擇。本例選擇車削(Turning)加工分析，直接選用軟件刀具庫DNM234車刀，默認為剛體。為了快速模擬加工，工件的幾何模型由 Deform 3D Ver10.2軟件自帶的簡單幾何模型設(shè)置模塊創(chuàng)建工件局部模型，選用曲線模型(Curved model)，設(shè)置工件直徑為60mm，以相對軸線25°的切削區(qū)域表示。同時設(shè)定工件為彈塑性體，服從Vonmises屈服準(zhǔn)則。生成車削幾何模型如圖1所示。

圖1 車削幾何模型

1.2 網(wǎng)格劃分

刀具和工件的網(wǎng)格劃分對車削加工仿真至關(guān)重要，一般來說，網(wǎng)格劃分的越精密得到的結(jié)果就越精確，但是模擬的時間會隨單元網(wǎng)格數(shù)的增加成指數(shù)關(guān)系提高［4］。Deform 3D軟件具有強大的網(wǎng)格自動劃分功能，特別是復(fù)雜幾何模型生成和網(wǎng)格重新劃分，這種自適應(yīng)性使其成為切削仿真分析的理想工具。筆者采用Deform 3D軟件自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)對刀具和工件進行網(wǎng)格劃分，將刀具劃分為20 000個相對網(wǎng)格、工件劃分為30 000個相對網(wǎng)格。

1.3 定義材料屬性、邊界和接觸條件

金屬切削過程是一個大塑性、高應(yīng)變率變形過程，因此建立能真實反映各因素對加工材料的應(yīng)力、應(yīng)變特性影響情況的本構(gòu)模型是保證切削過程有限元仿真結(jié)果準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)。目前很多研究都基于已有材料的本構(gòu)模型來開展，因此只能在一定程度上反映切削模型的真實性。美國Ohio州立大學(xué)已經(jīng)建立切削模型材料數(shù)據(jù)庫，部分材料本構(gòu)模型已經(jīng)封裝到Deform 3D軟件材料庫中［5］。本文車削仿真直接從軟件材料庫中選擇與國內(nèi)42CrMo鋼相對應(yīng)的AISI4140鋼作為工件材料，選擇刀片材料為WC硬質(zhì)合金。

Deform 3D軟件車削仿真與實際加工中運動方式不同，刀具為主動件，工件為從動件。切削時工件不動，刀具繞工件轉(zhuǎn)動實現(xiàn)切削，因此在定義邊界條件時需將工件所有棱邊固定，在刀具上設(shè)置表面切削速度、進給量和背吃刀量。接觸條件用于控制刀具和工件之間的摩擦、熱傳導(dǎo)以及它們的主－從關(guān)系。設(shè)置環(huán)境溫度為20℃、傳熱系數(shù)為0.02 m2·s·K、摩擦因數(shù)和熱傳導(dǎo)系數(shù)分別為0.6和45 m2·s·K。

2 設(shè)置模擬參數(shù)

2.1 切削用量確定

切削用量包括切削速度、進給量和背吃刀量。切削加工過程中，切削用量對切削力和切削熱都有較大影響，如進給量和背吃刀量增大會使切削力增大、切削速度提高會使切削溫度迅速升高等。針對仿真加工中工件材料，結(jié)合金屬切削手冊及生產(chǎn)實際確定仿真加工車削速度 Vc為95 m/min、進給量 f為0.2 mm/r、背吃刀量 ap為1.5 mm。

2.2 仿真步數(shù)設(shè)置

車削模擬方式選擇拉格朗日增量方式、模擬類型選擇變形和熱傳遞方式。根據(jù)網(wǎng)格設(shè)置情況，設(shè)置模擬總步數(shù)為800步，存儲增量為每25步存儲一次，切削終止角度為20°。刀具磨損分析選用Usui模型，其中系數(shù)a設(shè)為0.0000001、b為855，所有設(shè)置完成后檢查參數(shù)設(shè)置，生成數(shù)據(jù)(.DB文件)后退出前處理程序。在Deform 3D主窗口下選擇生成的.DB文件，選擇運行(Run)對車削過程進行仿真計算。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 切削力仿真結(jié)果與分析

切削加工過程中切削力的來源主要有兩個方面:一是切屑形成過程中彈性變形及塑性變形產(chǎn)生的變形抗力;二是刀具與切屑及工件表面間的摩擦力，這兩方面的力構(gòu)成切削合力［6］。在外圓車削加工中，切削力可分為主切削力Fc、進給力Ff和背向力Fp。圖2為車削力仿真曲線，其中圖2(a)為進給力Ff、圖2(b)為主切削力Fc、圖2(c)為背向力Fp。可以看出，三個方向的切削力變化趨勢基本相同，在切削加工開始的一段時間內(nèi)，三個方向的切削力都迅速增大，而后又趨于平穩(wěn)，在一個相對穩(wěn)定的范圍內(nèi)上下浮動。這是因為刀具切入工件后，與工件表面間產(chǎn)生劇烈的擠壓、摩擦，導(dǎo)致切削力增大;隨著切削過程的不斷深入，工件表層金屬受到刀具剪切作用形成切屑，切屑不斷產(chǎn)生和流動，切削力逐漸趨于穩(wěn)定。由于仿真過程受到單元格數(shù)量的限制，當(dāng)切屑被剝離工件表面時，會使相互關(guān)聯(lián)的單元格發(fā)生破壞，導(dǎo)致切削力發(fā)生一定程度的波動。切削力仿真曲線中部分極大點是由于網(wǎng)格劃分質(zhì)量較差或者網(wǎng)格不均勻造成的，對仿真分析影響不大，但在車削力計算中應(yīng)將這些極大點剔除后在取平均值。

圖2 車削力仿真曲線

為了進一步分析仿真過程中產(chǎn)生的車削力與車削力經(jīng)驗值的相互關(guān)系，將車削仿真過程中的車削力與應(yīng)用經(jīng)驗公式計算得到的車削力進行對比。由于主切削力Fc是計算車刀強度、設(shè)計機床零件和確定機床功率的主要參數(shù)，因此選擇主切削力作為研究對象。將圖2(b)中主車削力數(shù)據(jù)倒入Excel表格，剔除極大點后計算其平均數(shù)，獲得仿真車削主切削力平均值1279.3 N。利用單位車削力來計算車削力的理論值，計算公式為:

式中:kc為單位車削力，查閱文獻可知kc=4171，結(jié)合切削用量，計算出理論主車削力為1 251 N。通過對比可以看出，仿真結(jié)果與計算結(jié)果誤差為2.2%，說明車削仿真結(jié)果具有較高的理論可信度。

3.2 切削熱仿真結(jié)果與分析

由圖3、圖4切削刀具和工件的溫度變化曲線可以看出，刀具和工件溫度在切削開始短時間內(nèi)迅速升高，當(dāng)溫度達到一定數(shù)值后又逐漸趨于平穩(wěn)。這是因為在開始切削時，刀具與工件表面產(chǎn)生劇烈的擠壓和摩擦，在產(chǎn)生切削力的同時。大量的切削功轉(zhuǎn)化為切削熱，隨著前后刀面摩擦的不斷增加，產(chǎn)生的大量切削熱來不及散失，主要作用在刀具和工件表面，導(dǎo)致刀具與工件溫度迅速升高;隨著切削過程的不斷進行，工件表層金屬受到刀具的剪切作用形成切屑，由于切屑不斷的脫離刀具和工件，在帶走大量切削熱的同時，也限制了刀具表面與工件材料摩擦面積的增加，同時刀具與工件不斷向周圍介質(zhì)散失熱量，導(dǎo)致切削溫度升高速率降低，并逐漸趨于平穩(wěn)。

圖3 刀具溫度變化曲線

圖4 工件溫度變化曲線

圖5 為刀具溫度分布云圖。由圖可看出，刀具上的最高溫度并不在切削刃上，而是在前刀面上離切削刃有一定距離的地方，這是因為摩擦熱沿著前刀面不斷增加的緣故。為了直觀的分析刀具切削部分溫度分布及變化情況，應(yīng)用Deform 3D軟件提供的點追蹤功能，首先在刀具的切削部位選取5個點，然后繪制各點的溫度變化曲線如圖6所示。圖6顯示了各點切削溫度的變化情況，隨著切削過程的不斷進行，各點的溫度均不斷升高，其中p3點溫度最高。由于切削溫度對刀具磨損有直接影響，所以圖5中最高溫度區(qū)域也是刀具前刀面形成月牙洼磨損的主要位置。

圖6 追蹤點溫度變化曲線

圖5 刀具溫度分布云圖

4 結(jié)語

金屬切削加工是一個復(fù)雜的強熱力耦合的動態(tài)物理過程。應(yīng)用Deform 3D軟件對42CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼進行車削仿真，結(jié)合仿真結(jié)果分析了車削過程中切削力和切削溫度的變化規(guī)律，通過將仿真結(jié)果與切削力經(jīng)驗理論計算值進行比較，驗證了仿真數(shù)據(jù)的理論可信度，為42CrMo鋼實際車削加工過程中切削力和切削熱研究提供理論參考，同時也為研究其它金屬材料的切削過程提供了一種有效途徑。

［1］ 陳錫渠，彭曉南.金屬切削原理與刀具［M］.北京:中國林業(yè)出版社，2006.

［2］ 廖樹幟，張邦維.實用金屬材料手冊［M］.長沙:湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2010.

［3］ 章振翔，張金明，王來錢.基于Deform－3D的不銹鋼切削力有限元仿真［J］.輕工機械，2011(8):40－42.

［4］ 武文革，黃美霞.基于Deform－3D的高速車削加工仿真［J］.現(xiàn)代制造工程，2009(11):91－94.

［5］ 胡艷娟，王占禮，朱 丹.基于Deform－3D的金屬銑削過程仿真研究［J］.制造技術(shù)與機床，2014(1):94－98.

［6］ 肖智清.機械制造基礎(chǔ)［M］.第二版.北京:機械工業(yè)出版社，2011.

［7］ 陸劍中，孫家寧.金屬切削原理與刀具［M］.第四版.北京:機械工業(yè)出版社，2005.