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      0 引言

      切削加工就是通過刀具的剪切擠壓， 使工件產(chǎn)生彈性變形、塑性變形，最終撕裂形成切屑，形成工件上已加工表面的過程。是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程。以往通常用側(cè)面方格變形觀察、光彈、光塑性試驗(yàn)和掃描電鏡、顯微觀察等方法進(jìn)行研究，但這些方法不是由于技術(shù)復(fù)雜就是由于費(fèi)用昂貴，實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)、人力物力消耗大、綜合成本很高。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,幾何建模和計(jì)算的能力越來(lái)越強(qiáng)，使得大型商業(yè)有限元的功能也越來(lái)越強(qiáng)大， 仿真結(jié)果也越來(lái)越接近實(shí)際加工情況，其在切削加工中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。運(yùn)用有限元分析切削加工過程，成本較低，使用方便，操作時(shí)間短，實(shí)驗(yàn)結(jié)果豐富：如切削溫度、切削力、應(yīng)變率、應(yīng)變和應(yīng)力等。

      1 模型的建立

      采用Marc 建立金屬直角車削的仿真模型。

      （1）在Marc 中建立刀具和測(cè)試樣品的實(shí)體模型， 工件材料采用45 鋼， 其在模型中假定為長(zhǎng)方體，采用金剛石車刀進(jìn)行仿真，其硬度遠(yuǎn)超過工件，所以將其定位為剛體，設(shè)定其刃口半徑為0.11 μm。刀具的后角固定，在仿真過程中根據(jù)需要采用不同前角。為保證足夠的切削長(zhǎng)度，工件長(zhǎng)度應(yīng)大于切削深度的10 倍，這樣可以使切削持續(xù)到穩(wěn)定狀態(tài)，如圖1 所示；

      （2）在特性模塊中定義樣品的材料屬性，假定試件為VonMises 屈服各向同性彈塑性材料，材料特性以實(shí)際實(shí)驗(yàn)中所獲取數(shù)據(jù)輸入；

      （3）在網(wǎng)格模塊中采用4 節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分并定義單元類型；

      （4）在相互作用模塊中定義接觸相關(guān)的屬性：切削過程中的摩擦是剪切摩擦，為使在數(shù)值上具有連續(xù)性，Marc 中采用了一個(gè)修正的剪切摩擦模型

      （5）仿真時(shí)對(duì)刀具和工件施加的邊界條件如下：工件固定，刀具沿X 軸方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，其他方向固定；

      （6）其他條件不變，改變不同前角進(jìn)行模擬仿真。

      2 切屑與工件的分離準(zhǔn)則

      在金屬切削加工有限元仿真模擬技術(shù)中，切屑與工件如何分離是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。目前主要有兩大類型：幾何準(zhǔn)則和物理準(zhǔn)則。

      幾何準(zhǔn)則的模型很簡(jiǎn)單，它首先需要對(duì)加工路徑進(jìn)行設(shè)定，然后通過在路徑上刀尖與刀尖前單元節(jié)點(diǎn)的距離變化來(lái)判斷分離與否，它是基于幾何形狀的變化，而非物理性質(zhì)，而在實(shí)際切削加工中，切屑的形成主要是由物理量的變化引起的，這樣就與實(shí)際加工不符合，難以適應(yīng)實(shí)際加工中不同的加工工藝以及不同的材料的變化要求。物理準(zhǔn)則更接近實(shí)際加工情況， 它是基于刀尖前單元節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變等物理量的變化來(lái)判斷分離的, 首先設(shè)定物理量的極限值，在仿真過程中,通過分析其是否超過極限值來(lái)判斷切屑分離與否, 其主要有等效塑性應(yīng)變準(zhǔn)則、基于應(yīng)變能密度準(zhǔn)則和斷裂應(yīng)力準(zhǔn)則。

      本文中采用等效塑性應(yīng)變分離準(zhǔn)則， 即Marc中的重劃分準(zhǔn)則：在仿真過程中，劃分好的網(wǎng)格受到力的作用發(fā)生畸變， 系統(tǒng)對(duì)畸變程度進(jìn)行分析，當(dāng)其達(dá)到設(shè)定值時(shí)， 程序就會(huì)自動(dòng)重劃分網(wǎng)格，也可以稱為單元畸變準(zhǔn)則。這種分離準(zhǔn)則對(duì)切屑分離時(shí)刃口半徑的影響也進(jìn)行考慮，同時(shí)切屑的流向不需要設(shè)定，是由網(wǎng)格的自動(dòng)劃分來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其畸變過程如圖2 所示。如果Xn是開始步的坐標(biāo)系，ΔXn是增量過程的位移，其有以下關(guān)系:

      3 有限元仿真結(jié)果

      切削過程的有限元仿真功能強(qiáng)大， 它能夠反映出很多結(jié)果，例如：應(yīng)力和應(yīng)變?cè)谇邢鬟^程中的變化、切削變形的過程，切削溫度的變化、已加工表面的殘余應(yīng)力。下面列舉幾個(gè)仿真的分析結(jié)果供參考。

      圖2 顯示了切屑的形成過程和等效應(yīng)力分布。從仿真中可以看出切屑的形成過程： 彈性變形-塑性變形-刀尖處的切屑開始堆積-形成切屑-形成穩(wěn)定的連續(xù)切屑。

      圖3 為仿真出來(lái)的應(yīng)力云圖，可以看出：切削變形有3 個(gè)變形區(qū)，分為第1 變形區(qū)、第2 變形區(qū)和第3 變形區(qū)， 其中變形應(yīng)力在第1 變形區(qū)時(shí)最大， 并且可以發(fā)現(xiàn)在刀尖附近的變形應(yīng)力集中，這與切削加工原理一致。

      圖3 與圖4 為不同前角在同樣狀態(tài)下的等效應(yīng)力云圖，由圖可知，切削力與前角有著緊密的關(guān)系：負(fù)前角越大，切削力明顯增大，這是由于負(fù)前角越大，靜壓力面積越大，刀具越不鋒利；同樣可知：切屑的形成也與前角有關(guān)，負(fù)前角變大，這時(shí)剪切角越小，切屑分離越難。

      將溫度的變化規(guī)律加入仿真，可以得到切削溫度的變化規(guī)律如圖5 所示。圖5（a）為用云圖的形式顯示的切削溫度圖，圖5（b）為其局部放大圖，由圖可知：切削時(shí)最高溫度在刀尖附近，但并不在刀尖，同時(shí)切屑上的溫度較高， 而刀具前刀面的溫度較低，這是由于切屑發(fā)生了大部分的切削變形，而且切屑還與前刀面發(fā)生了滑動(dòng)摩擦.

      4 結(jié)語(yǔ)

      討論了切削加工的仿真過程，并對(duì)相關(guān)結(jié)果進(jìn)行了分析。通過分析發(fā)現(xiàn)切削加工的仿真結(jié)果與切削原理具有較高的吻合性，這說(shuō)明有限元仿真具有較高的可靠性，對(duì)其進(jìn)行研究是很有必要的，這也是今后切削加工的研究方向之一。