金屬薄壁零件切削過程的三維仿真

2016-12-16 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

薄壁零件具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕的優(yōu)點,在航空航天、精密儀器等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。這類零件由于壁薄而導(dǎo)致低剛度、易變形,在切削加工過程中,切削力、裝夾的夾緊力等因素作用都會引起工件變形。加工結(jié)束后工件所受外載荷消失,彈性變形恢復(fù),使已加工工件的精度受到嚴(yán)重影響。這種情況制約了薄壁零件的加工質(zhì)量與加工效率的提高。因此研究薄壁零件的切削過程,對控制薄壁零件加工變形、提高加工質(zhì)量具有重要意義。傳統(tǒng)切削研究主要采用試驗研究與理論結(jié)合分析的方法,需要以大量的實驗為基礎(chǔ),且難以取得關(guān)于切削過程參數(shù)的精確解析解。隨著虛擬科學(xué)與工程的發(fā)展,采用計算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)對切削過程進(jìn)行仿真研究成為重要的研究方法。本文采用Deform3D有限元軟件對45鋼材料薄壁零件的切削過程進(jìn)行仿真實驗研究,精確取得了切削力、應(yīng)力場、溫度場及切削變形等切削過程參數(shù)預(yù)測值。

1 切削過程有限元建模

金屬切削過程屬于大變形的幾何非線性問題,工件切削層材料在前刀面推擠作用下發(fā)生塑性流動。切削層材料在切削過程中發(fā)生連續(xù)動態(tài)的大變形,使初始網(wǎng)格畸變,導(dǎo)致求解困難甚至無法繼續(xù)計算。Deform軟件采用經(jīng)過特殊處理的四面體單元,并具有自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù),可在切削過程中即時動態(tài)地自動重新劃分網(wǎng)格。為定義工件材料在切削力作用下的響應(yīng),需要建立其材料模型,Deform提供了豐富材料庫,可直接提取所需材料模型。切削過程中切削層不斷從工件基體材料上分離形成切屑,切屑分離準(zhǔn)則應(yīng)能準(zhǔn)確反映切削層分離的實際過程。Deform默認(rèn)的缺省準(zhǔn)則是當(dāng)接觸節(jié)點的拉應(yīng)力或壓應(yīng)力大于0.1MPa時,節(jié)點分離。切屑形成后沿前刀面流走,因此切屑底面與前刀面間產(chǎn)生摩擦,在靠近刀尖處的粘結(jié)區(qū)(Stick),刀—屑間的摩擦是材料內(nèi)部的滑移剪切,摩擦力等于剪切流動應(yīng)力;而較遠(yuǎn)的滑移區(qū)(Slip)摩擦為外摩擦,摩擦力服從庫倫摩擦定律。刀具切入工件,兩者發(fā)生接觸,可看做是剛體—柔體的接觸,其中,刀具材料硬度較高,定義為剛體;工件硬度低,則定義為柔體。劃分單元時,柔體應(yīng)有較剛體更加細(xì)密的網(wǎng)格。當(dāng)?shù)毒吲c工件上的節(jié)點相互接觸時,接觸節(jié)點保持在剛體表面運(yùn)動,因此兩者不會互相穿透,直到分離。若柔體上節(jié)點受力為壓應(yīng)力狀態(tài),則認(rèn)為與剛體的表面接觸;若該節(jié)點所受拉應(yīng)力大于給定值,則認(rèn)為節(jié)點脫離接觸體表面。Deform-3D采用可靠的主從算法,在接觸搜索過程中不允許柔體上的節(jié)點穿透剛體表面,只需在柔體節(jié)點與剛體表面間進(jìn)行接觸搜索,計算效率得到提高。切削過程中,刀具發(fā)生磨損,為使研究更加接近實際,應(yīng)建立刀具磨損模型。在Deform中,常用Usui粘接磨損特征公式來表示切削過程中刀具的磨損。

2 薄壁零件切削過程仿真

(1)切削模型的建立

刀具模型

從Deform刀具庫中選擇已有的刀具模型DNMA432,刀具材料則由材料庫中提取WC硬質(zhì)合金。因刀具強(qiáng)度、硬度遠(yuǎn)高于工件材料,在切削過程中所產(chǎn)生的應(yīng)變很小,所以假定為剛性材料,而僅考慮其摩擦、傳熱等效應(yīng)。為節(jié)約計算成本和保證計算精度,設(shè)定刀具網(wǎng)格數(shù)25000,采用局部動態(tài)加密技術(shù)對刀尖處局部加密,尺寸比例1:4。刀具模型如圖1所示。

圖1 刀具有限元模型

工件模型

為簡化計算過程,選定薄壁零件中較簡單的薄板形工件為切削研究對象(見圖2),利用Deform平臺的工件形狀設(shè)定功能生成零件。為保證計算結(jié)果更加接近真實狀況,工件材料選擇彈塑性材料,由Deform軟件材料庫中提取AISI1045,即45鋼材料。劃分工件網(wǎng)格數(shù)40000,切削層及附近局部處動態(tài)加密,尺寸比例1:7。工件劃分網(wǎng)格后模型見圖3。

切削參數(shù)設(shè)定

由于高速切削在薄壁零件的加工中有明顯優(yōu)勢,所以模擬選定切削速度200m/min,進(jìn)給量0.15mm/r,切削深度0.2mm。選擇Deform系統(tǒng)默認(rèn)的剪切摩擦模型,摩擦系數(shù)設(shè)為定值0.6。假定環(huán)境溫度為20℃。采用Usui模型計算刀具磨損,系數(shù)a=1e-05,b=1000。切削有限元模型見圖4。

圖2 工件幾何模型

圖3 工件有限元模型

圖4 薄壁件切削有限元模型

(2)仿真結(jié)果分析

切屑的形成

切屑的形成過程如圖5所示。刀具切入工件,切削層材料在刀具的推擠作用下與工件基體材料分離,形成切屑,隨著切削過程的持續(xù)進(jìn)行,切屑發(fā)生了彎曲變形。

圖5 切屑的形成過程

切削力分析

切削力指切削過程中作用在刀具與工件上的力。作用在刀具上的切削力包括兩方面:工件變形所產(chǎn)生的彈性變形抗力、塑性變形抗力;切削底面與刀具前刀面、工件已加工面與刀具副后刀面間的摩擦力。為便于研究,通常將切削力分解為主切削力、進(jìn)給力和切深抗力。圖6、圖7、圖8分別為三個方向切削力隨切削進(jìn)程的變化曲線圖。切削力變化曲線表明,隨著刀具切入工件,三個方向的切削分力變化趨勢大致相同:在接觸開始的短時間內(nèi),切削力從0開始迅速增大,隨后進(jìn)入穩(wěn)定切削狀態(tài),切屑產(chǎn)生過程平穩(wěn),切削力數(shù)值也在某一數(shù)值附近震蕩。三個力中主切削力最大,是計算機(jī)床電機(jī)功率、校核機(jī)床主要部件強(qiáng)度、設(shè)計夾具的重要依據(jù),對切削變形有顯著影響。

圖6 進(jìn)給力變化曲線

圖7 主切削力變化曲線

圖8 切深抗力變化曲線

切削應(yīng)力分析

圖9為工件切削區(qū)域等效應(yīng)力分布圖。由圖可見,切削過程中工件的最大等效應(yīng)力位于第一變形區(qū)和刀尖接觸處。圖10為切削區(qū)最大主應(yīng)力分布圖?？梢?工件及切屑中的最大主應(yīng)力在靠近刀尖處為壓應(yīng)力,在稍遠(yuǎn)處則過渡為拉應(yīng)力,模擬結(jié)果與經(jīng)典切削理論相符。

圖9 切削區(qū)等效應(yīng)力

圖10 切削區(qū)最大主應(yīng)力

應(yīng)變分析

在切削過程中,切削層金屬受刀具擠壓作用,使近切削刃處產(chǎn)生彈性變形和塑性變形并形成切屑。切削刃作用部位的金屬可劃分為三個變形區(qū):近切削刃處切削層內(nèi)產(chǎn)生塑性變形區(qū);與前刀面接觸的切屑底層產(chǎn)生的變形區(qū);近切削刃處已加工面表層產(chǎn)生的變形區(qū)。從圖11及圖12可見,當(dāng)切削層材料剛從工件基體材料上分離時,等效應(yīng)變和最大主應(yīng)變值達(dá)到最大。

圖11 切削區(qū)等效應(yīng)變

切削溫度分析

切削過程中,切削區(qū)域劇烈塑性變形所形成的熱、切屑與前刀面摩擦功形成的熱、已加工表面與副后刀面摩擦形成的熱傳入工件和刀具,使其溫度升高,造成工件變形,加速刀具磨損。由圖13可見,切削熱主要集中在切屑變形處,切削區(qū)域溫度最高可達(dá)553℃,原因在于該點處受到剪切區(qū)變形熱和刀—屑連續(xù)摩擦熱影響,熱量集中而又不易傳散。隨著切削的持續(xù)進(jìn)行,已加工面上的溫度迅速降低,所以已加工表面上的溫度相對較低。

圖12 切削區(qū)最大主應(yīng)變

圖13 切削區(qū)溫度場分布圖

小結(jié)

通過金屬薄壁零件切削過程的三維有限元仿真研究,觀察了切屑的形成過程,并獲得切削力變化曲線、切削應(yīng)力應(yīng)變分布圖和切削溫度場分布圖,仿真結(jié)果與經(jīng)典切削理論相符,說明模擬結(jié)果正確。仿真結(jié)果使實際加工前即可獲取較為精確的切削過程參數(shù)的預(yù)測值,對優(yōu)化切削參數(shù)、提高加工質(zhì)量具有重要意義。

文章來源《工具技術(shù)》作者:李智

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