趙世澤

摘要： 基于ABAQUS建立了AISI1045鋼的二維切削仿真模型，分析了應(yīng)力的分布規(guī)律，并通過(guò)改變刀具前角，研究了刀具前角對(duì)切削力和前刀面溫度的影響。結(jié)果表明，刀具前角增大，切削力會(huì)隨之減小，而刀具前刀面溫度會(huì)隨之增大。分析結(jié)果有利于刀具的選擇。

Abstract： A two-dimensional cutting simulation model of AISI1045 steel was established based on ABAQUS， and the distribution of stress was analyzed. By changing the rake angle of the tool， the influence of the rake angle of the tool on the cutting force and the temperature of the rake surface was studied. The results show that as the tool rake angle increases， the cutting force will decrease， and the tool rake face temperature will increase accordingly. The analysis results are conducive to the selection of tools.

關(guān)鍵詞： 切削仿真;刀具前角;切削力;前刀面溫度

Key words： cutting simulation;tool rake angle;cutting force;rake face temperature

中圖分類(lèi)號(hào)：TG501.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）03-0085-03

0 ?引言

AISI1045鋼的端面銑削對(duì)于現(xiàn)代制造應(yīng)用非常重要，由此鋼制成的產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、造船和許多其他行業(yè)的關(guān)鍵應(yīng)用中，因此研究AISI1045鋼的切削加工性能具有重要意義。

由于刀具對(duì)AISI1045鋼進(jìn)行切削加工時(shí)，刀具前刀面與切屑接觸區(qū)因高溫高壓的原因，引起了刀具與切屑元素發(fā)生相互擴(kuò)散，致使刀具前刀面產(chǎn)生變質(zhì)層，刀具和切屑因變質(zhì)形成牢固的連接，因此這層材料稱(chēng)為粘焊層[1]。隨著粘焊層與刀具基體間的缺陷（裂紋、孔隙等），慢慢隨著粘焊層和刀具基體間的缺陷陸續(xù)經(jīng)過(guò)成坯、孕育、擴(kuò)展和匯合的一系列過(guò)程，使粘焊層與刀具基體間的結(jié)合力減弱，會(huì)導(dǎo)致刀具失效等問(wèn)題。

針對(duì)刀具失效問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。Qi和Mills[2]對(duì)硬質(zhì)合金切削奧氏體不銹鋼進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)切削過(guò)程中刀具前刀面和后刀面出現(xiàn)粘結(jié)層，探討了粘結(jié)層的形成機(jī)制以及粘結(jié)層對(duì)刀具壽命的影響。哈爾濱理工大學(xué)孫鳳蓮、李振加等人[3]切削2.25Cr-1Mo鋼時(shí)，研究了多種硬質(zhì)合金刀具的粘結(jié)破損行為，從中發(fā)現(xiàn)引起刀屑粘焊的原因主要是刀具和工件元素親和力較大，在高溫高壓下刀屑之間的元素相互擴(kuò)散，從而形成牢固的接頭。萬(wàn)熠等人[4]分析了涂層刀具高速銑削航空鋁合金時(shí)的磨損、破損情況，得出在加工過(guò)程中熱應(yīng)力使刀具萌生裂紋，裂紋在機(jī)械應(yīng)力的作用下擴(kuò)展，并提出通過(guò)提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和優(yōu)化切削參數(shù)可以有效降低機(jī)械應(yīng)力對(duì)刀具的沖擊作用。貴州大學(xué)吳錦行[5]對(duì)切削AISI 201抗磨損微槽車(chē)刀的設(shè)計(jì)及其切削性能進(jìn)行了研究，分析不同切削參數(shù)下AISI 201材料剪切區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變，研究微槽對(duì)刀具前刀面與切屑的接觸和摩擦行為，分析微槽刀具受力變化的機(jī)理，發(fā)現(xiàn)微槽改變了刀-屑接觸區(qū)域，大幅度減小了刀-屑接觸長(zhǎng)度和內(nèi)、外摩擦區(qū)接觸長(zhǎng)度，減小了刀-屑間的摩擦。湖南科技大學(xué)劉梟鵬[6]研究了CFRP切削的宏微觀機(jī)理三維有限元分析，對(duì)不同角度切削仿真結(jié)果著重探究了微觀尺度下CFRP纖維的斷裂過(guò)程、纖維與基體的脫粘、界面相的失效等方面，建立基于等效均質(zhì)方法的三維宏觀CFRP仿真模型，使用零厚度內(nèi)聚力單元來(lái)模擬界面層，同時(shí)基于VUMAT子程序使用三維Hashin失效及損傷演化準(zhǔn)則來(lái)定義材料本構(gòu)，對(duì)宏觀CFRP模型進(jìn)行不同纖維角度直角切削仿真，同時(shí)，通過(guò)宏觀CFRP模型，利用單因素法探索了刀具前角對(duì)切屑、切削力的影響。針對(duì)切削過(guò)程中產(chǎn)生的切削溫度，山東大學(xué)郝廣超[7]研究了TiAlN涂層刀具刀-屑接觸熱阻及其對(duì)切削溫度的影響規(guī)律，根據(jù)所建立的模型得到的刀-屑接觸熱阻與根據(jù)Umbrello模型得到的接觸熱阻進(jìn)行對(duì)比，利用兩個(gè)模型得到的刀-屑接觸熱阻進(jìn)行有限元仿真，對(duì)比有限元仿真實(shí)驗(yàn)得到的切削溫度、剪切角、刀-屑接觸長(zhǎng)度等參數(shù)與切削實(shí)驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果，闡明利用所建立非完全接觸-氧化層模型可更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)切削溫度。大連理工大學(xué)王陽(yáng)[8]對(duì)切削過(guò)程中絕熱剪切帶的滑移線場(chǎng)進(jìn)行了研究，基于絕熱剪切帶四邊界五區(qū)域的滑移線場(chǎng)，給出了計(jì)算第一變形區(qū)內(nèi)剪切力和法向力、作用在第二變形區(qū)的摩擦力和法向力以及主切削力和進(jìn)給力的方法，分析了不同切削條件下FV520（B）不銹鋼材料絕熱剪切帶內(nèi)平均剪應(yīng)變、平均剪應(yīng)變率和平均溫度，并計(jì)算分析了由絕熱剪切帶引起的導(dǎo)裂角隨刀具前角、切削速度和切削厚度的變化規(guī)律。

本文通過(guò)ABAQUS有限元分析軟件建立了AISI1045鋼的二維切削仿真模型，分析了其切削過(guò)程中Mises應(yīng)力的分布規(guī)律，并通過(guò)改變刀具前角，研究其切削性能。

1 ?數(shù)學(xué)模型參數(shù)

1.1 材料本構(gòu)模型

切削過(guò)程中材料歷經(jīng)大應(yīng)變、高應(yīng)變率和高溫等劇烈塑性變形，綜合考慮各因素對(duì)材料流動(dòng)應(yīng)力的影響，建立材料本構(gòu)模型是切削仿真分析的關(guān)鍵[9]。采用Johnson-Cook本構(gòu)方程定義AISI1045鋼材料屬性，該模型同時(shí)考慮了應(yīng)變、應(yīng)變率和溫度變化描述材料塑性變形行為，其表達(dá)式為：

對(duì)于AISI1045鋼J-C本構(gòu)參數(shù)如表1所示。

1.2 工件-切屑分離準(zhǔn)則

現(xiàn)有的有限元模擬中采用的分離準(zhǔn)則大致可分為兩種類(lèi)型：即物理準(zhǔn)則和幾何準(zhǔn)則[10]。判斷某些設(shè)定的物理量值是否達(dá)到了臨界值即為物理分離準(zhǔn)則，確定材料是否分離是根據(jù)加工變形物體的尺寸的變化量進(jìn)行的為幾何準(zhǔn)則。物理準(zhǔn)則是基于加工材料的應(yīng)力及應(yīng)變等物理量的變化形成的切屑分離準(zhǔn)則。本文基于物理準(zhǔn)則采用J-C剪切失效模型來(lái)實(shí)現(xiàn)工件—切屑的分離，其表達(dá)式為：

1.3 刀-屑接觸屬性與摩擦類(lèi)型

在切削過(guò)程中，刀具前刀面與切屑之間的摩擦對(duì)切屑變形、切削力、刀-屑接觸長(zhǎng)度、切屑卷曲形態(tài)、切削溫度、切屑流動(dòng)方向及刀具磨損等參數(shù)產(chǎn)生重要影響，刀具后刀面與工件間的摩擦對(duì)已加工表面的粗糙度及工件中殘余應(yīng)力的大小產(chǎn)生重要影響[11]。由于刀-屑之間的摩擦特性受到很多因素影響，比如切削速度，接觸壓力，溫度和材料性能等等，而且試驗(yàn)檢測(cè)很困難，因此目前都是靠間接試驗(yàn)來(lái)獲得[12]。本文采用的是修正的庫(kù)倫摩擦定律：前刀面與切屑接觸分為兩個(gè)部分，從刀尖到某一點(diǎn)為黏附區(qū)，其摩擦力可認(rèn)定為常數(shù)，從迭點(diǎn)到切屑分離刀面為滑動(dòng)區(qū)，摩擦力與正應(yīng)力成線性關(guān)系。其具體數(shù)學(xué)表達(dá)如下所示：

式中：τ為摩擦應(yīng)力，σn為正應(yīng)力，τmax為剪切應(yīng)力，μ為摩擦系數(shù)，取值為0.2。刀具與工件的接觸屬性為面-面接觸。

1.4 網(wǎng)格模型和計(jì)算參數(shù)

為了模擬AISI1045鋼的切削仿真，利用ABAQUS/Explicit建立了二維平面應(yīng)變有限元模型。本文選用仿真模型尺寸為1×0.5mm，考慮到計(jì)算效率，工件和刀具都采用溫度—位移耦合單元CPE4RT。假設(shè)刀具為剛體，刀具的參數(shù)如表3所示，切削速度為2000mm/s。

2 ?仿真結(jié)果分析

2.1 Mises應(yīng)力的分布規(guī)律

圖2是刀具切削AISI1045鋼時(shí)，Mises應(yīng)力的分布情況。在t=0.0225ms時(shí)，刀具剛進(jìn)入工件中，Mises應(yīng)力主要集中在刀具的前刀面和刀刃口附近處，且刀刃口附近處最大。在t=0.1ms時(shí)，刀具全部進(jìn)入工件，Mises應(yīng)力主要集中在剪切滑移帶處，既第一變形區(qū)中，且最大值出現(xiàn)在第一變形區(qū)中的最上方處。在t=0.18ms時(shí)，隨著刀具的前進(jìn)而形成切屑，Mises應(yīng)力主要集中在第一變形區(qū)、第二變形區(qū)和第三變形區(qū)中，且最大值出現(xiàn)在第三變形區(qū)中。在t=0.45ms時(shí)，切屑形成帶狀，且切屑被擠出基體，切削過(guò)程完成。

2.2 刀具前角對(duì)切削力和前刀面溫度的影響

圖3是將刀具在0.2ms后的過(guò)程中看成刀具趨于平穩(wěn)狀態(tài)，既取0.2ms后的切削力和前刀面溫度的平均值作為切削力和切削熱的參考值。從圖3可看出，在切削過(guò)程趨于平穩(wěn)后，當(dāng)?shù)毒咔敖菑?°增大到10°，切削力會(huì)減小8%。這是因?yàn)榈毒咔敖窃龃螅毒叩募羟薪菚?huì)減小，使得刀具與切屑的接觸面積減小，從而使切削力減小。但當(dāng)?shù)毒咔敖菑?°增大到10°，刀具前刀面溫度會(huì)增大11%。當(dāng)?shù)毒咔敖铅?0°，切削力和前刀面溫度分別為253.85N和341.59℃;當(dāng)?shù)毒咔敖铅?5°，切削力和前刀面溫度分別為248.49N和351.80℃;當(dāng)?shù)毒咔敖铅?10°，切削力和前刀面溫度分別為232.35N和379.42℃。當(dāng)?shù)毒咔暗睹鏈囟壬叩狡淙埸c(diǎn)時(shí)，刀具與工件之間就會(huì)發(fā)生粘接，使得刀具和切屑牢固的連接起來(lái)，從而使刀具失效。因此選取適當(dāng)?shù)牡毒咔敖怯欣谟绊懙毒叩氖褂脡勖?/p>

3 ?結(jié)論

本文通過(guò)ABAQUS建立了AISI1045鋼的二維切削仿真模型，通過(guò)觀察和分析，得到如下結(jié)論：①分析在切削過(guò)程中，Mises應(yīng)力的分布情況時(shí)，Mises應(yīng)力最初主要集中在刀具前刀面和刀刃口處，隨著刀具的前進(jìn)，Mises應(yīng)力主要集中在第一變形區(qū)、第二變形區(qū)和第三變形區(qū)。②研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)毒咔敖菑?°增大到10°，切削力會(huì)減小8%，而刀具前刀面溫度會(huì)增大11%。選取適當(dāng)?shù)牡毒咔敖怯欣谟绊懙毒叩氖褂脡勖?，分析結(jié)果對(duì)刀具的選擇有著參考作用。

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