淬硬鋼材料高速切削過程的有限元仿真

李琳+陳澤鋒

摘要： 基于對切削原理的深入研究，建立了金屬切削過程的熱力耦合有限元模型。基于 DEFORM-3D軟件平臺，模擬了金屬切削加工過程，得到了刀具和工件上的等效應變、溫度場、刀具磨損的分布規律，仿真結果同實驗對比分析誤差在10%以內。

Abstract： In this paper， the finite element models of metal cutting were first discussed systemically， based on metal cutting theroy. Based on the platform of finite element software DEFORM-3D， the processes of metal cutting were simulated and the laws of distribution disclosed for equivalent strain field， temperature field and tool wear were got. The error of the prediction is about 10%. The model has been validated by simulation results to be reliable.

關鍵詞： 有限元法；切屑成形仿真；材料模型；仿真預測

Key words： FEM；chip formation simulation；material model；simulation prediction

中圖分類號：TG506.1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2014）10-0028-02

0 引言

高速加工（High Speed Machining，HSM）技術是一項先進的、具有廣闊應用前景的制造工藝。高速切削作為一種先進切削加工技術，近幾年在航空、汽車、電子、模具等制造業中顯示出明顯的技術優勢，受到國內外越來越廣泛的關注[1]。

淬硬鋼（硬度HRC55～HRC65）是一類耐磨結構材料，廣泛用于制造各種對硬度和耐磨性要求較高的基礎零部件。淬硬鋼經淬火或低溫去應力退火后具有較高硬度，通常采用磨削工藝進行半精加工和精加工，不僅加工效率低，而且粉塵和廢液污染嚴重[2-3]。針對淬硬鋼的高速切削過程仿真相較于實驗的方法具有更好的應用性，本文將詳細探討針對此種難加工材料的高速切削仿真。

1 34CrNiMo6切削實驗

本次實驗采用直角自由切削，工件材料選用外徑為100mm、厚度為2.0mm的34CrNiMo6材料。由于淬硬鋼的加工特點，選擇CBN刀具進行實驗。實驗進行三組，每組實驗的切削參數如表1所示。

通過Kistler測力儀對三次試驗進行測試，得到三向的切削力結果如表2所示。

2 仿真結果同實驗對比分析

2.1 主切削力的對比分析 34CrNiMo6切削過程中的切削力的動態變化如圖所示。由圖1可以看出，在刀具初始切入的瞬間，切削力急劇增大，并在極短的時間內，切削進入了穩定階段。穩定后的平均主切削力約為122N（在同等切削條件下，實驗切削力為127N）。同實驗中獲得的切削力曲線對比發現，仿真分析中獲得的切削力曲線波動較大，在切削力達到穩定的狀態后，仍然存在20N范圍的波動，這種現象產生的原因主要是由于工件材料的網格劃分問題，單元節點連續不斷地分離。因此，切削力總的趨勢是不變的，但因節點的不斷分離而出現波動。這種波動的產生同實際的切削過程有所區別，但是切削力的平均值與實驗測量結果基本吻合，說明此次仿真很好地反映了切削力的動態變化情況，對工裝和夾具的設計很有幫助。

2.2 切削應力分布 圖2所示為工件材料上的應力分布情況，由圖可知，在接觸區內，等效應力的最大值發生在第一變形區內，該處的應力值達到1865MPa，越遠離第一變形區，等效應力σ下降越激烈。從圖可以看出，刀具切削區的最大主應力分布在第二變形區內。

3 結論

車削過程中，主切削力的三個幾何分力逐漸由零到達相對平穩狀態，且相對平穩狀態存在振蕩現象，這是由于軟件在模擬過程中，由于工件是通過網格的節點來傳遞作用力的，而刀具在切削的過程中接觸到刀具的節點是不斷變化的，這就導致了主切削力的振蕩現象。

刀具的最大等效應力分別出現在前刀面主切削刃附近，同時在后刀面靠近主切削刃的地方也出現了較大的等效應力，這與實際切削過程基本相似。

參考文獻：

[1]王亮德，王志孟，張樹濤.高速切削技術的發展及展望[J].濟南大學學報，2000，10（2）.

[2]王西彬，解麗靜，劉志兵.難加工材料的高速切削與加工實例[J].新技術新工藝，2006，1.

[3]Usui E， Shirakashi T. Mechanics of Machining-from Descriptive to redictive Theory， on the Art of Cutting Metals-75 Years Later[J]. ASME-PED， 1982， 7：13～15.

摘要： 基于對切削原理的深入研究，建立了金屬切削過程的熱力耦合有限元模型。基于 DEFORM-3D軟件平臺，模擬了金屬切削加工過程，得到了刀具和工件上的等效應變、溫度場、刀具磨損的分布規律，仿真結果同實驗對比分析誤差在10%以內。

Abstract： In this paper， the finite element models of metal cutting were first discussed systemically， based on metal cutting theroy. Based on the platform of finite element software DEFORM-3D， the processes of metal cutting were simulated and the laws of distribution disclosed for equivalent strain field， temperature field and tool wear were got. The error of the prediction is about 10%. The model has been validated by simulation results to be reliable.

關鍵詞： 有限元法；切屑成形仿真；材料模型；仿真預測

Key words： FEM；chip formation simulation；material model；simulation prediction

中圖分類號：TG506.1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2014）10-0028-02

0 引言

高速加工（High Speed Machining，HSM）技術是一項先進的、具有廣闊應用前景的制造工藝。高速切削作為一種先進切削加工技術，近幾年在航空、汽車、電子、模具等制造業中顯示出明顯的技術優勢，受到國內外越來越廣泛的關注[1]。

淬硬鋼（硬度HRC55～HRC65）是一類耐磨結構材料，廣泛用于制造各種對硬度和耐磨性要求較高的基礎零部件。淬硬鋼經淬火或低溫去應力退火后具有較高硬度，通常采用磨削工藝進行半精加工和精加工，不僅加工效率低，而且粉塵和廢液污染嚴重[2-3]。針對淬硬鋼的高速切削過程仿真相較于實驗的方法具有更好的應用性，本文將詳細探討針對此種難加工材料的高速切削仿真。

1 34CrNiMo6切削實驗

本次實驗采用直角自由切削，工件材料選用外徑為100mm、厚度為2.0mm的34CrNiMo6材料。由于淬硬鋼的加工特點，選擇CBN刀具進行實驗。實驗進行三組，每組實驗的切削參數如表1所示。

通過Kistler測力儀對三次試驗進行測試，得到三向的切削力結果如表2所示。

2 仿真結果同實驗對比分析

2.1 主切削力的對比分析 34CrNiMo6切削過程中的切削力的動態變化如圖所示。由圖1可以看出，在刀具初始切入的瞬間，切削力急劇增大，并在極短的時間內，切削進入了穩定階段。穩定后的平均主切削力約為122N（在同等切削條件下，實驗切削力為127N）。同實驗中獲得的切削力曲線對比發現，仿真分析中獲得的切削力曲線波動較大，在切削力達到穩定的狀態后，仍然存在20N范圍的波動，這種現象產生的原因主要是由于工件材料的網格劃分問題，單元節點連續不斷地分離。因此，切削力總的趨勢是不變的，但因節點的不斷分離而出現波動。這種波動的產生同實際的切削過程有所區別，但是切削力的平均值與實驗測量結果基本吻合，說明此次仿真很好地反映了切削力的動態變化情況，對工裝和夾具的設計很有幫助。

2.2 切削應力分布 圖2所示為工件材料上的應力分布情況，由圖可知，在接觸區內，等效應力的最大值發生在第一變形區內，該處的應力值達到1865MPa，越遠離第一變形區，等效應力σ下降越激烈。從圖可以看出，刀具切削區的最大主應力分布在第二變形區內。

3 結論

車削過程中，主切削力的三個幾何分力逐漸由零到達相對平穩狀態，且相對平穩狀態存在振蕩現象，這是由于軟件在模擬過程中，由于工件是通過網格的節點來傳遞作用力的，而刀具在切削的過程中接觸到刀具的節點是不斷變化的，這就導致了主切削力的振蕩現象。

刀具的最大等效應力分別出現在前刀面主切削刃附近，同時在后刀面靠近主切削刃的地方也出現了較大的等效應力，這與實際切削過程基本相似。

參考文獻：

[1]王亮德，王志孟，張樹濤.高速切削技術的發展及展望[J].濟南大學學報，2000，10（2）.

[2]王西彬，解麗靜，劉志兵.難加工材料的高速切削與加工實例[J].新技術新工藝，2006，1.

[3]Usui E， Shirakashi T. Mechanics of Machining-from Descriptive to redictive Theory， on the Art of Cutting Metals-75 Years Later[J]. ASME-PED， 1982， 7：13～15.

摘要： 基于對切削原理的深入研究，建立了金屬切削過程的熱力耦合有限元模型。基于 DEFORM-3D軟件平臺，模擬了金屬切削加工過程，得到了刀具和工件上的等效應變、溫度場、刀具磨損的分布規律，仿真結果同實驗對比分析誤差在10%以內。

Abstract： In this paper， the finite element models of metal cutting were first discussed systemically， based on metal cutting theroy. Based on the platform of finite element software DEFORM-3D， the processes of metal cutting were simulated and the laws of distribution disclosed for equivalent strain field， temperature field and tool wear were got. The error of the prediction is about 10%. The model has been validated by simulation results to be reliable.

關鍵詞： 有限元法；切屑成形仿真；材料模型；仿真預測

Key words： FEM；chip formation simulation；material model；simulation prediction

中圖分類號：TG506.1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2014）10-0028-02

0 引言

高速加工（High Speed Machining，HSM）技術是一項先進的、具有廣闊應用前景的制造工藝。高速切削作為一種先進切削加工技術，近幾年在航空、汽車、電子、模具等制造業中顯示出明顯的技術優勢，受到國內外越來越廣泛的關注[1]。

淬硬鋼（硬度HRC55～HRC65）是一類耐磨結構材料，廣泛用于制造各種對硬度和耐磨性要求較高的基礎零部件。淬硬鋼經淬火或低溫去應力退火后具有較高硬度，通常采用磨削工藝進行半精加工和精加工，不僅加工效率低，而且粉塵和廢液污染嚴重[2-3]。針對淬硬鋼的高速切削過程仿真相較于實驗的方法具有更好的應用性，本文將詳細探討針對此種難加工材料的高速切削仿真。

1 34CrNiMo6切削實驗

本次實驗采用直角自由切削，工件材料選用外徑為100mm、厚度為2.0mm的34CrNiMo6材料。由于淬硬鋼的加工特點，選擇CBN刀具進行實驗。實驗進行三組，每組實驗的切削參數如表1所示。

通過Kistler測力儀對三次試驗進行測試，得到三向的切削力結果如表2所示。

2 仿真結果同實驗對比分析

2.1 主切削力的對比分析 34CrNiMo6切削過程中的切削力的動態變化如圖所示。由圖1可以看出，在刀具初始切入的瞬間，切削力急劇增大，并在極短的時間內，切削進入了穩定階段。穩定后的平均主切削力約為122N（在同等切削條件下，實驗切削力為127N）。同實驗中獲得的切削力曲線對比發現，仿真分析中獲得的切削力曲線波動較大，在切削力達到穩定的狀態后，仍然存在20N范圍的波動，這種現象產生的原因主要是由于工件材料的網格劃分問題，單元節點連續不斷地分離。因此，切削力總的趨勢是不變的，但因節點的不斷分離而出現波動。這種波動的產生同實際的切削過程有所區別，但是切削力的平均值與實驗測量結果基本吻合，說明此次仿真很好地反映了切削力的動態變化情況，對工裝和夾具的設計很有幫助。

2.2 切削應力分布 圖2所示為工件材料上的應力分布情況，由圖可知，在接觸區內，等效應力的最大值發生在第一變形區內，該處的應力值達到1865MPa，越遠離第一變形區，等效應力σ下降越激烈。從圖可以看出，刀具切削區的最大主應力分布在第二變形區內。

3 結論

車削過程中，主切削力的三個幾何分力逐漸由零到達相對平穩狀態，且相對平穩狀態存在振蕩現象，這是由于軟件在模擬過程中，由于工件是通過網格的節點來傳遞作用力的，而刀具在切削的過程中接觸到刀具的節點是不斷變化的，這就導致了主切削力的振蕩現象。

刀具的最大等效應力分別出現在前刀面主切削刃附近，同時在后刀面靠近主切削刃的地方也出現了較大的等效應力，這與實際切削過程基本相似。

參考文獻：

[1]王亮德，王志孟，張樹濤.高速切削技術的發展及展望[J].濟南大學學報，2000，10（2）.

[2]王西彬，解麗靜，劉志兵.難加工材料的高速切削與加工實例[J].新技術新工藝，2006，1.

[3]Usui E， Shirakashi T. Mechanics of Machining-from Descriptive to redictive Theory， on the Art of Cutting Metals-75 Years Later[J]. ASME-PED， 1982， 7：13～15.