虚拟制造技术在切削加工中的应用

1、引言

随着计算机技术和信息技术的发展，虚拟制造技术在传统加工制造业中得到广泛应用。应用虚拟制造技术可以缩短产品开发周期、降低成本、提高产品质量，从而提高产品的市场竞争力。对车削过程进行虚拟仿真，可以合理选择参数工艺中的车削速度，背吃刀量及进给率；对车刀几何结构(前角，后角和断屑槽等)进行优化设计。目的在于减小切削力，提高金属切除效率并改善加工表面质量，优化加工工艺等。

当前，国内外针对车削过程模拟已开展了很多研究并取得了实际的意义。例如：日本H Sasahara等应用弹塑性有限元法，在忽略温度和应变速率影响的前提下模拟了加工表面残余应力的分布[1]。美国T Altan与意大利E Ceretti合作开展了直角与斜角切削过程应力/温度场分布的二维和三维有限元分析[2~3]，并将结果应用于改善实际加工参数。清华大学方刚等通过正交切削工艺的二维有限元模拟结果分析了刀具载荷和切削温度场的分布状态[4]。哈尔滨工业大学董丽华对面铣刀切入瞬间应力场进行了有限元模拟，分析切入瞬间的应力场分布。现有的研究成果表明[6~11]，应用于切削加工过程的虚拟制造技术已经开始成熟。

笔者尝试利用虚拟制造技术对金属的切削加工过程进行模拟仿真研究：通过充分考虑在切削模拟过程中的可转位车刀几何参数(可转位刀片几何角度及断屑槽参数)及车削进给率等工艺参数的实际情况，基于DEFORM－3D三维有限元分析软件，在考虑应变速率强化效应的基础上，进行了车削过程热)力耦合模拟；讨论了车削工艺参数与加工过程应力)应变及温度场分布状态的关系。

2、模型的建立及模拟参数

研究中模拟的车削过程是用可转位车刀进行碳钢的外圆车削。由于刀具的几何形状直接影响到模拟结果的真实性，因此采用Pro/e软件完成了刀片、工件和简化刀具的几何建模，并将模型导入模拟仿真软件DEFORM－3D。可转位车刀(图2)材料定义为WC基硬质合金，其三维模型具体参数参照文献[12]；被切削金属定义为美国标准牌号为AISI1045的碳钢，其材料成分及物理性能与GB45钢近似。由于在车削过程中的应力应变和温度变化主要集中在刀尖部位，而其它部位的变化不大，因此为了减少有限元网格数量，减少计算时间，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(见图1)。



两种金属材料的物理性能见表1。两种材料间的热交换率为50N/Sec/mm/C，剪切摩擦系数为0.6。刀屑摩擦系数对车削模拟过程影响很大，是建立真实边界条件的重要参数。由于金属车削过程中，金属的变形主要为大塑性变形，所以在模拟中碳钢可被视为刚塑性体，而忽略它的弹性变形；可转位刀片在切削过程中变形很小，视为弹性体。模拟中工件块长度为20mm，模拟切削总长度为15mm。刀具断屑槽采用V型断屑槽，其宽度为3mm(刀片参数见图2)。工件初始温度为20，刀具初始温度设置为200。切削加工参数及刀具安装参数见表2。

在车削过程中，由于塑性变形都发生在刀尖附近，使得刀尖附近的工件中应力梯度、应变梯度和温度梯度都很大，所以划分网格时应该在这部分区域采用较小的有限元网格。而其他部分由于变形很小，因此可以采用较大的网格，以控制整体网格单元数量。

3、模拟结果分析

3.1 物体受力与应力分析

刀具的受力分析是刀具设计和车削参数选择必不可少的内容，传统的刀具受力分析方法有简化的理论公式，还可通过大量试验确定的经验公式进行计算[13~15]。

上述方法或者不能精确地分析结构复杂的刀具，或者需依赖于大量的车削试验，而有限元方法可以弥补以上缺陷。图3为行程为12mm时的刀具受力分析模拟结果，可以看到，最大的压应力集中在刀尖和切屑接触的切削刃附近，刀片所承受的大部分为拉应力，且刀具中最大的应力为拉应力。

图4为模拟过程中刀具的载荷，通过三维有限元模拟不仅可以掌握与切削速度方向一致的切削力Fz，同时还可了解切削中刀具的背向力(径向载荷)和进给力(轴向载荷)，以防止因其过大而引起刀具振动和工件变形。将模拟试验得到的刀具载荷Fz与Kienzle经验公式[15]计算的结果进行对比后发现，公式计算的结果为1386N，模拟的平均值为1500N，可以看到Kienzle公式的计算值比模拟值稍小，这是因为模拟切削工况相对经验公式的适用工况改变的结果。另一个主要原因是刀尖的几何尺寸较小，当划分有限元网格时，必然使连续的表面尺寸离散化，相当于增加了刀尖的不规则程度，使模拟结果出现误差，这可以通过细分网格使误差减小。

图4中刀具载荷存在明显的波动现象，在实际切削过程中刀具的载荷也存在波动现象，这是切屑和前刀面接触面积不断改变和机械震动等综合效应的结果；然而模拟时平面的接触被转化为节点的接触，当与刀具前面接触的节点数量增多时，切削力会有向上的波动。相反，切削力会减小。这一点通过仔细分析刀屑接触节点分别在载荷波峰和波谷时的数量得到了验证。

通过车削模拟仿真，可以掌握其过程中刀具或工件中的应力分布和切屑流动状态。如果把切削的模拟仿真技术与自由切削的相关理论[19]相结合，通过合理设计刀刃上各点的刃倾角以疏导排屑向量，实现排屑干涉最小，即可达到减小切削力、增加刀具寿命和提高加工表面质量的目的。

3.2 温度分析

切削时产生的热量主要来自金属的塑性变形和切屑与前刀面的摩擦作用。其中很大一部分热量由切屑带走，一部分传给了刀具和工件。金属被剪切后由前刀面流出时，由剧烈的挤压和摩擦作用引起切屑底层金属的剧烈变形，导致了刀屑界面温度的升高。图5的模拟结果与理论研究结果是一致的：刀屑接触的前刀面小块区域是切削过程中刀具温度最高的区域。

从切削温度模拟曲线(见图6)中可以看到，刀具切入工件后，工件很快达到其最高温度，这是因为工件的应变很快达到了最大值，机械能迅速转变为热能；而刀具的温度升高要依赖刀屑之间的热量传递，这和两者之间的热交换率和热传导时间等热物理参数有关，因此刀具的温度是逐渐升高的。从模拟曲线看，当刀具行程为12mm时，工件的最大温度为434℃且已达到了平衡状态，变化很小；而刀具的最大温度为346℃，基本达到平衡状态。当工件和刀具两者都到达平衡状态时，两者的温度应该是大致相同的，但是模拟过程中由于切削速度快，模拟中设计的刀具行程时间短(行程仅为12mm)，没有足够的热交换时间让两者到达平衡状态。

在不改变其它刀具参数和加工参数的情况下，仅仅调整刀片刃区的参数，不采用零度倒棱的刀刃区结构，然后重新进行了模拟。图7为该模拟过程中刀具和工件最高温度曲线图，可以看到在车削过程中，无论是刀具温度还是工件温度都比参数调整前下降了许多：在刀具行程为12mm时，调整参数后的工件最高温度为365℃，与参数调整前的同期相比下降了15.9%；刀具的最高温度为317℃，比原来下降了8.4%。可见刀具刃区参数对加工温度的影响很大。因此在刀刃强度满足要求的情况下，可以减小零度倒棱的长度或适当增大前角，以降低车削温度。

4、结语

对车削过程的研究，不仅关注过程中的应力应变和温度状态、预测刀具的破损，磨损，而且希望了解加工参数和材料参数的变化对加工表面的影响包括其表面精度、硬度和表面残余应力等等。以有限元技术为核心的车削仿真模拟显示出了良好的应用前景。随着计算机技术和有限元技术的发展，应用虚拟制造技术仿真切削加工过程，可进行实际车削工艺效果的预测和优化，指导刀具的设计和加工参数的选择，大大降低研究开发阶段的加工试验次数和规模，达到节约成本、缩短产品开发周期的目的。

目前有关断屑理论的研究已比较深入，而断屑长度又对切削过程有着重要影响[18]，因此进一步的研究应该从模拟切屑折断入手，将当前的断屑研究成果与有限元方法结合，以扩展有限元法在切削模拟中的应用。

参考文献

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