薄壁件切削加工過程數值模擬及變形預測

（資陽晨工電器有限公司，四川 資陽 641301）

切削加工薄壁件的過程是一項較為繁瑣的過程，涉及到大塑性整體的變形。薄壁件的重要作用引發了很多國內外學者的研究探討，目的是為了提升所加工的零件的精度。傳統的辦法一般運用的是試錯法來取得經驗值，但耗費較長的時間，并且花費十分巨大，無法實現對于切削機的定量分析和研究。為了提升切削加工薄壁件的精度以及工作效率，薄壁件加工切削引入有限元技術進行仿真研究。

這種辦法與傳統的辦法相比較，更加貼近于工業生產的實際。但是，就目前對于切削加工薄壁件的成果研究來看，對于薄壁件的切削加工僅僅停留在對于單一的若干因素實現數值的仿真，切削熱以及切削力經常運用弱耦合的形式呈現，所使用的計算方式是隱式計算，耗時較長并且難以收斂。

而本文則是創新了傳統的研究和辦法，提出有限元的模擬方法，使用顯示計算，最終建立起高效準確的切削加工薄壁件的切削溫度以及切削力、殘余應力等等。

1 切削加工薄壁件過程對于數值模擬的原理

通過切削加工，可以獲取形狀復雜的工件，提升對于工件的加工精度。這種加工方法十分重要，無法取代。通過切削進行金屬加工往往被認為是工業加工制造業中最為常用的加工方式。各個國家在這一方面都投入了大量的人力物力進行研究，但是所得到的研究成果與實際的需求還存在著很大的差異性。仍然沒有一個好的工藝能夠應對不斷推出的新材料的變化，對于尺寸以及薄壁件表面的粗糙程度進行精準的控制[1]。

1.1 金屬切削加工機理分析

切削的變形全過程都是經過彈性變形、塑性變形、材料擠裂以及材料分離這四個階段。切削刀具在進行移動的過程必須應對切削層的材料在彈性變形過程中所產生的抵抗力以及塑性變形過程中所產生的抵抗力，同時，還要克服切削刀具前刀面和切削層金屬之間產生的摩擦以及切削刀具后刀面和過渡面、加工完成面的摩擦。在整個切削加工的過程中，切削層金屬在刀具的被迫擠壓下完成塑性變形和彈性變形，切削刀具的前刀面和切削層、后刀面和加工表面之間產生的摩擦，會帶來大量切削熱[2]。這種熱量通過刀具、切屑、以及工件集體和其他的周圍介質向外傳遞，這個過程中的各個導熱因素直接影響到各層工件的溫度，使得溫度的分布十分不均勻，產生熱應力。在加工的工況較為惡劣的時候，金屬由于高溫可能發生相變，而金屬冷卻之后則會出現殘余應力。

對于切削加工機理進行分析可以讓研究者對薄壁件的切削加工以及變形產生更為深刻的認識，通過有限元方法對切削加工薄壁件的變形過程進行較為精準的預測并提供理論基礎[3]。

1.2 切削加工薄壁件中的非線性數值解法

在切削加工薄壁件過程中，一些非線性問題出現時，通常都會運用中心差的芬酸法進行求解，運用有限元方程進行控制。利用ABAKQUS平臺中的Abaqus/Eixplicit模塊在速度以及加速度產生，采用中心差分方法，通過時間積分形式進行統計，因此，每一個產生的增量步在開始的時候所產生的速度以及加速度決定了在結束時產生的步值。這樣的方法對于切削加工薄壁件十分有效，適合于解決非線性問題[4]。

時間的增量可以這樣進行表示：

速度中心差分格式表示為：

加速度則可以表示為：

根據牛頓第二定律，可得更新材料結點的速度和位移的公式：

2 對于切削加工薄壁件的變形預測

這一部分研究者通過對于有限元軟件ABAQUS的運用，使用顯示的計算辦法對于切削加工薄壁件過程中的變形情況進行預測分析，引入三維有限元的分析模擬過程，利用數值模擬的實際結果得出切削加工薄壁件的變形規律，并通過有限元方法的運用論證這種變形情況是否可以實現對于變形預測的精準度和可行性進行分析。相關的工作人員可以運用所得的變形規律以及樹脂的模擬結果對于加工變形量進行較為準確的預測和分析，從而對工藝流程進行規劃，提升切削加工薄壁件的質量和準確性[5]。

2.1 加工變形中的預測模擬

在不對殘余應力進行了解的前提下，仿真模擬的數值所采用的切削參數一般為深度為1.3 mm/s，速度是200 m/min，進給量為 0.216 mm/rev，以及干切削的切削環境。在這一過程中不存在潤滑液的有關情形，所處的環境溫度要求為25℃.將刀具模擬為剛體。在VUMAT之中，可以運用具備刪除功能的材料店。當材料店與用戶需求的破壞準則相符合的時候，材料點會在模型中自動刪除。在VUMAT之中進行刪除變量的定義，這個狀態量一般為1或者0。其中，1代表的是材料點激活的，而0則代表ABAQUS/Explicit在盈利為0的時候會將材料點自動刪除。本文則是對于這個過程的數值進行模擬分析，參與數值的模擬計算過程。

以噴管為例，進行切削加工的時候，其中圖1表示的是噴管不同時刻進行切削加工工程的應力分布情況，圖2為切削加工在剛剛開始的時候，刀具接觸工件時候的分布應力情況，圖3則是切削加工在結束的時候應力的分布狀況。由此可以分析出，噴管這一薄壁件在進行切削加工的過程中，在被加工區間具備的應力達到最高值。在靠近被加工的部位切削應力的區域最大，在逐漸遠離的過程中應力一直減小，不斷重新分布排列，最終達到平衡后停止[6]。

圖1 不同時刻的應力分布

圖2開始時的應力分布

圖3結束時的應力分布

圖4、圖5和圖6分別為噴管位于不同時刻進行切削加工不同方向的曲線表現切削力。其中：圖4是開始時的情況，圖5是某一時刻的情況，圖6是結束時的情況。

圖4開始時的切削力分布曲線

圖5某一時刻的切削力分布曲線

圖6結束時的切削力分布曲線

2.2 結論分析

以噴管為例，數值模擬其切削加工的全過程，從仿真的結果可以得出，切削加工噴管會發生變形量，這種變化可以實現提前的預測和分析，在制定相關的工藝流程的時候，可以通過預測對于整個流程進行改進，規避可能出現的問題。相關工作人員可以根據切削加工的刀具以及速度等因素進行分析，最終制定出科學合理的加工流程，最大程度的減小在加工過程中可能出現的變形情況。

圖7代表的是切削的速度對于噴管加工變形產生的具體影響數據。從圖中我們可以清晰的得出結論，切削變形量會隨著切削速度的不斷增加而不斷減小。這與實際切削加工中的情況相符合。

圖7 切削速度與噴管變形程度的數量關系

圖8代表的是進給量對與噴管加工變形影響的變化曲線。圖中所顯示的結論是：單位時間內所去除的材料數量隨著切削速度增加而不斷增大。

圖8進給量與噴管變形程度的數量關系

通過對噴管切削加工過程中的模擬數值進行分析后，我們發現，仿真手段對于加工變形量的提前預測十分有效。通過數值模擬的結果還可以對切削加工過程中的工藝參數進行精準的判斷和評估。薄壁件的變形量影響因素包括切削的速度以及進給量。速度越快，變形量越小，進給量越大，變形量越大。這樣的研究成果證實了，通過科學合理的構建有限元模型，并根據具體情況對模型進行簡化，在薄壁件的切削加工以前可以有效的對加工后的薄壁件變形情況進行合理的預測分析，這樣的方法降低了工作人員制定工藝流程的難度。

3 結束語

隨著工業技術的日益發展，要想提升工業產品的質量就必須重視切削加工薄壁件的質量。隨著科技的進步，切削加工薄壁件的變形量已經可以被預測和模擬，這種辦法的提出，提升了工作的效率，能夠生產出更加符合人們審美和高質量性能的工業產品，有利于我國的工業生產發展。

[1]王占禮，朱 丹，等.薄壁件數控加工物理仿真研究現狀與發展趨勢[J].機床與液壓，2014，(03):162-166.

[2]徐 看，呂彥明，黃艷玲.薄壁件鍛造成形工藝及數值模擬技術研究[J].鍛壓技術，2014，(02):128-132.

[3]葉建友，呂彥明，李 強，等.薄壁件切削加工變形及補償技術研究現狀[J].工具技術，2014，(02):3-6.

[4]趙 迎.薄壁件切削加工過程數值模擬及變形預測研究[D].成都：電子科技大學，2012.

[5]趙文輝，段振云，戴現偉.基于變形預測的薄壁梁架加工工藝優化[J].組合機床與自動化加工技術，2015，(04):126-127，131.

[6]何永強.工字型薄壁件數控銑削加工變形試驗與分析[J].機床與液壓，2013，19:73-76.