橢圓活塞切削力的影響因素研究

趙金泉

摘 要：文章對不同刀具前角、不同切削速度、不同切削深度、不同刀具刃口鈍圓半徑以及不同頻率對工件應力應變及切削力的影響進行了仿真研究，分析了在不同參數影響下主切削力和背吃刀力的變化情況。

關鍵詞：切削力；影響因素；橢圓活塞

橢圓振動切削（Elliptical Vibration Cutting，EVC）作為一種特殊的加工方式，得益于其周期性加工的特點，EVC能夠大大降低切削力、熱，并且能提高刀具的使用壽命，近年來受到廣泛的關注。為了更好地研究EVC切削力，本文將利用有限元分析法對其進行更深一步的研究。

1 EVC有限元模型的建立

1.1 工件建模。考慮到計算的速度與相關的切削參數，本文給定工件模型尺寸：長為0.6mm，高為0.2mm，并在工件高1/2處進行切分，為提高建模效率下文將對其上半部分細化網格。

1.2 刀具建模。給定刀具前角為0°，后角為10°，切削刃鈍圓半徑為2um。由于不考慮刀具的變形及工件刀具之間的熱傳遞等因素，因此將刀具建成為解析剛體。

1.3 材料屬性。工件材料選為6061鋁合金，經查找相關文獻得到6061 Al的材料參數如表1所示。

1.4 網格劃分。由于加工為微細加工，切深較小，所以為了計算效率，在保證精度的前提下，對工件進行了切分，并在有些邊進行了種子的偏移設置，首先對上半部分長度方向進行局部細化，然后對上半部分的高度方向進行局部細化，最后對下半部分高度方向采用均勻方式進行局部細化。

1.5 定義載荷。首先，對工件賦予溫度邊界條件，新建一個預定義場，然后選擇事先建立好的工件全部節點集。然后對工件進行固定，在邊界條件管理器里新建一個邊界條件。最后對刀具進行速度的邊界條件設定。

2 橢圓活塞切削力影響因素分析

2.1 不同前角的影響。首先研究不同刀具前角對切削力和工件表面應力狀態的影響，根據單一變量法，分別對刀具進行不同角度的建模，其他前處理過程及相關參數與前文所述相同。為了說明刀具的運動軌跡，所以在后處理時提取了刀具兩個方向的位移曲線，U1即為x向的位移曲線，U2為Y向的位移曲線，因為工件固定，所以刀具需要有一個隨著時間t而向左運動的恒定速度（切削速度），即刀具相對于工件的位移在X向的分量不再為一個單純的周期型幅值曲線。

同時以10°刀具前角為例，進行EVC一個周期的切削特點闡述。由于EVC為刀具相對工件作周期性振動切削的特點使得一個切削周期中存在如下幾個特殊切削狀態：切除上一周期殘留、開始本周期切削、提屑以及刀具工件分離四個狀態。圖1為在相同切削時間下，不同刀具前角對應的工件表面米塞斯應力分布云圖。

分析結果表明，不同刀具前角對應的最大應力，相同時刻下不同刀具前角對應的最大米塞斯應力是不同的，由此可以得出隨著刀具前角的增大最大米塞斯應力是逐漸增大的，而5°前角對應的最大米塞斯應力發生了突變。由五個不同的應力云圖可以看出，隨著刀具前角的增大，切削的形態也變的瘦而高。

2.2 不同切速的影響。為了研究不同切速對切削力和工件表面應力狀態的影響，根據單一變量法，分別對刀具賦予0.31m/min，3.1m/min以及31m/min的切削速度，其他前處理過程及相關參數與前文所述相同。因為切削速度改變后，會影響刀具的軌跡，相同時間內刀具切過的距離也會不同。不同速度下的最大應力對比分析發現，可見隨著速度的增大最大應力先減小后增大。

2.3 不同切削深度的影響。為了研究不同切深對切削力和工件表面應力狀態的影響，根據單一變量法，分別設定刀具切削深度為10um，20um和30um，其他前處理過程及相關參數與前文所述相同。首先研究不同切深對應的工件表面的應力狀態。分析不同切深對應的最大應力可知，切深從10um到20um，應力增大，從20um增大到30um時，應力減小。

2.4 不同刀具刃口鈍圓半徑的影響。為了研究刀具刃口鈍圓半徑對切削力和工件表面應力狀態的影響，根據單一變量法，分別設定刃口鈍圓半徑為0.2um、1um和5um，首先研究不同刃口鈍圓半徑對應的工件表面的應力狀態。分析不同刀具刃口鈍圓半徑對應的最大應力，可以看出，隨著鈍圓半徑從0.2um到1um過程中最大應力增大，而從1um到5um過程中最大應力減小。

2.5 不同刀具振動頻率的影響。為了研究刀具振動頻率對切削力和工件表面應力狀態的影響，根據單一變量法，分別設定刀具振動頻率為15KHz、25KHz和35KHz，首先研究不同振動頻率對應的工件表面的應力狀態。分析不同頻率對應的最大應力可知，隨著頻率的增大，最大應力先增大后減小。

3 結束語

本文對不同刀具前角、不同切削速度、不同切削深度、不同刀具刃口鈍圓半徑以及不同頻率對工件應力應變及切削力的影響進行了仿真研究，分析了在不同參數影響下主切削力和背吃刀力的變化情況，這些研究結果對實際工況下的切削規律以及切削力的預測具有一定的指導意義。