利用虛擬制造技術對金屬的切削加工過程進行了模擬仿真研究。按照實際加工條件建立了切削模擬模型，按照國家標準建立的硬質合金可轉位刀片的三維模型既考慮到真實的刀片幾何形狀，也考慮了其安裝角度參數。利用軟件DEFORM3D對金屬切削過程中的切屑流動狀態(tài)及過程中的溫度場和應力場進行了模擬加工并分析了模擬結果。
1、引言
隨著計算機技術和信息技術的發(fā)展，虛擬制造技術在傳統(tǒng)加工制造業(yè)中得到廣泛應用。應用虛擬制造技術可以縮短產品開發(fā)周期、降低成本、提高產品質量，從而提高產品的市場競爭力。對車削過程進行虛擬仿真，可以合理選擇參數工藝中的車削速度，背吃刀量及進給率；對車刀幾何結構(前角，后角和斷屑槽等)進行優(yōu)化設計。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量，優(yōu)化加工工藝等。
當前，國內外針對車削過程模擬已開展了很多研究并取得了實際的意義。例如：日本H Sasahara等應用彈塑性有限元法，在忽略溫度和應變速率影響的前提下模擬了加工表面殘余應力的分布[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力/溫度場分布的二維和三維有限元分析[2~3]，并將結果應用于改善實際加工參數。清華大學方剛等通過正交切削工藝的二維有限元模擬結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)大學董麗華對面銑刀切入瞬間應力場進行了有限元模擬，分析切入瞬間的應力場分布�，F有的研究成果表明[6~11]，應用于切削加工過程的虛擬制造技術已經開始成熟。
筆者嘗試利用虛擬制造技術對金屬的切削加工過程進行模擬仿真研究：通過充分考慮在切削模擬過程中的可轉位車刀幾何參數(可轉位刀片幾何角度及斷屑槽參數)及車削進給率等工藝參數的實際情況，基于DEFORM－3D三維有限元分析軟件，在考慮應變速率強化效應的基礎上，進行了車削過程熱)力耦合模擬；討論了車削工藝參數與加工過程應力)應變及溫度場分布狀態(tài)的關系。
2、模型的建立及模擬參數
研究中模擬的車削過程是用可轉位車刀進行碳鋼的外圓車削。由于刀具的幾何形狀直接影響到模擬結果的真實性，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，并將模型導入模擬仿真軟件DEFORM－3D。可轉位車刀(圖2)材料定義為WC基硬質合金，其三維模型具體參數參照文獻[12]；被切削金屬定義為美國標準牌號為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力應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格數量，減少計算時間，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，剪切摩擦系數為0.6。刀屑摩擦系數對車削模擬過程影響很大，是建立真實邊界條件的重要參數。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(刀片參數見圖2)。工件初始溫度為20，刀具初始溫度設置為200。切削加工參數及刀具安裝參數見表2。
圖2 刀具參數
表1 工件及刀具物理性能
表2 切削加工參數及刀具加工參數
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力梯度、應變梯度和溫度梯度都很大，所以劃分網格時應該在這部分區(qū)域采用較小的有限元網格。而其他部分由于變形很小，因此可以采用較大的網格，以控制整體網格單元數量。
3、模擬結果分析
3.1 物體受力與應力分析
刀具的受力分析是刀具設計和車削參數選擇必不可少的內容，傳統(tǒng)的刀具受力分析方法有簡化的理論公式，還可通過大量試驗確定的經驗公式進行計算[13~15]。
上述方法或者不能精確地分析結構復雜的刀具，或者需依賴于大量的車削試驗，而有限元方法可以彌補以上缺陷。圖3為行程為12mm時的刀具受力分析模擬結果，可以看到，最大的壓應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力，且刀具中最大的應力為拉應力。
圖3 刀具行程12mm時刀尖的最大應力分布
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，同時還可了解切削中刀具的背向力(徑向載荷)和進給力(軸向載荷)，以防止因其過大而引起刀具振動和工件變形。將模擬試驗得到的刀具載荷Fz與Kienzle經驗公式[15]計算的結果進行對比后發(fā)現，公式計算的結果為1386N，模擬的平均值為1500N，可以看到Kienzle公式的計算值比模擬值稍小，這是因為模擬切削工況相對經驗公式的適用工況改變的結果。另一個主要原因是刀尖的幾何尺寸較小，當劃分有限元網格時，必然使連續(xù)的表面尺寸離散化，相當于增加了刀尖的不規(guī)則程度，使模擬結果出現誤差，這可以通過細分網格使誤差減小。
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現象，在實際切削過程中刀具的載荷也存在波動現象，這是切屑和前刀面接觸面積不斷改變和機械震動等綜合效應的結果；然而模擬時平面的接觸被轉化為節(jié)點的接觸，當與刀具前面接觸的節(jié)點數量增多時，切削力會有向上的波動。相反，切削力會減小。這一點通過仔細分析刀屑接觸節(jié)點分別在載荷波峰和波谷時的數量得到了驗證。
通過車削模擬仿真，可以掌握其過程中刀具或工件中的應力分布和切屑流動狀態(tài)。如果把切削的模擬仿真技術與自由切削的相關理論[19]相結合，通過合理設計刀刃上各點的刃傾角以疏導排屑向量，實現排屑干涉最小，即可達到減小切削力、增加刀具壽命和提高加工表面質量的目的。
3.2 溫度分析
切削時產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，由劇烈的擠壓和摩擦作用引起切屑底層金屬的劇烈變形，導致了刀屑界面溫度的升高。圖5的模擬結果與理論研究結果是一致的：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，工件很快達到其最高溫度，這是因為工件的應變很快達到了最大值，機械能迅速轉變?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時間等熱物理參數有關，因此刀具的溫度是逐漸升高的。從模擬曲線看，當刀具行程為12mm時，工件的最大溫度為434℃且已達到了平衡狀態(tài)，變化很�。欢毒叩淖畲鬁囟葹�346℃，基本達到平衡狀態(tài)。當工件和刀具兩者都到達平衡狀態(tài)時，兩者的溫度應該是大致相同的，但是模擬過程中由于切削速度快，模擬中設計的刀具行程時間短(行程僅為12mm)，沒有足夠的熱交換時間讓兩者到達平衡狀態(tài)。
圖6 切削溫度模擬曲線
在不改變其它刀具參數和加工參數的情況下，僅僅調整刀片刃區(qū)的參數，不采用零度倒棱的刀刃區(qū)結構，然后重新進行了模擬。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調整前下降了許多：在刀具行程為12mm時，調整參數后的工件最高溫度為365℃，與參數調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)參數對加工溫度的影響很大。因此在刀刃強度滿足要求的情況下，可以減小零度倒棱的長度或適當增大前角，以降低車削溫度。
圖7 調整刃區(qū)參數后的溫度模擬圖
4、結語
對車削過程的研究，不僅關注過程中的應力應變和溫度狀態(tài)、預測刀具的破損，磨損，而且希望了解加工參數和材料參數的變化對加工表面的影響包括其表面精度、硬度和表面殘余應力等等。以有限元技術為核心的車削仿真模擬顯示出了良好的應用前景。隨著計算機技術和有限元技術的發(fā)展，應用虛擬制造技術仿真切削加工過程，可進行實際車削工藝效果的預測和優(yōu)化，指導刀具的設計和加工參數的選擇，大大降低研究開發(fā)階段的加工試驗次數和規(guī)模，達到節(jié)約成本、縮短產品開發(fā)周期的目的。
目前有關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]，因此進一步的研究應該從模擬切屑折斷入手，將當前的斷屑研究成果與有限元方法結合，以擴展有限元法在切削模擬中的應用。
