基于deform—3d車削TC4加工過程仿真

陳卓

[摘要]Deform-3D是一套基于工藝模擬系統的有限元仿真（FEM）軟件，是模擬3D材料流動的理想工具。它不僅魯棒性好，而且易于使用。借助于該模擬分析環境，能夠對切削過程中切削條件以及加工過程中的其他因素產生的影響進行研究。應用DEFORM-3D自帶的切削仿真模型，分析加工過程中工件對不同刀具的影響，以及對切削力、切削溫度、切削應力結果進行分析。模擬結果對減少產品試驗、降低開發成本、縮短開發新產品及新工藝的時間等方面都具有重大意義。

[關鍵詞]車削；Deform-3D；切削力；切削溫度；切削參數

0引言

金屬切削過程是一個非常復雜的工藝過程，它涉及到彈性力學、塑性力學、斷裂力學、熱力學、摩擦學等多個學科，刀具形狀，溫度分布、刀具磨損等因素都會對切削過程產生重要影響。因此利用傳統的解析方法，很難對切削過程進行分析和研究，但隨著現代制造技術和計算機軟件技術的不斷進步，出現了很多針對金屬切削過程進行數值模擬和仿真的軟件，如DEFORM、ANSYS、ABAQUS等等，為金屬切削過程仿真提供了非常有效的方法和技術手段。本文選擇三維有限元軟件DEFORM，以硬質合金刀具切削鈦合金TC4作為研究對象，對切削過程進行仿真，利用控制變量的方法得出了刀片在不同切削參數下的切削力、切削溫度、以及切削應力的影響。

1有限元模型的建立

1.1幾何模型及仿真參數設置

使用有限元分析軟件DEFORM-3D模擬分析車削鈦合金的加工過程，應用DEFORM-3D中的Machining（Cutting）模塊進行建模。建立的切削模型如圖1所示。本分析中是直接從Deform封裝的刀片庫中選取刀片，所選取的刀片代號是CNMA432。模擬過程中關于網格劃分方面，DEFORM-3D提供了兩種網格劃分方式，分別為相對網格劃分方式和絕對網格劃分方式。本文中工件采用的是絕對網格類型，最大網格單元尺寸和最小網格單元尺寸之比為7。刀具采用的是相對網格類型，其單元數為35000。在模擬仿真中，參數的設置分別為：切削速度為別為80、100、120m/min。進給量分別為0.05、0.1、0.15mm/r，背吃刀量分別為0，3、0，6、1mm。

1.2材料模型的建立

DEFORM-3D自帶豐富的材料庫，并且還可以根據需要添加自定義材料。仿真中使用的材料流動應力數據必須真實地反映高應變率、高溫和大應變下的材料本構行為，目前對于材料在切削狀況下本構關系的研究并不多，并且很多研究都基于已有的材料本構模型來展開，因此只能在一定程度上反映切削模型的真實性。美國Ohio州立大學已經開始著手建立切削模型材料數據庫，其部分材料本構模型已經封裝到Deform材料庫中，本文中使用的工件材料就是封裝到Deform材料庫中的Ti-6AI-4V，選取的材料基本達到了現實切削過程的材料性能條件。

2仿真結果與分析

切削力是車削加工中重要現象之一，切削力直接決定著切削熱的產生，并影響刀具磨損、破損、使用壽命、加工精度等。在實際車削過程中，被切削層金屬、切削和已加工表面層金屬產生彈性變形和塑性變形，切削力增大，隨著車削過程的進行將會在刀刃產生應力集中，這樣就是在刀刃附近的金屬剪應力超過材料的強度極限，材料就會被剝離，隨后切削力會減小。此過程周而復始，因此車削過程中切削力會在平衡值附近振蕩，如圖2所示。圖2為切削速度100m/min，切削深度為0.3mm，進給量為0.1m/r時的切削力變化曲線圖。

切削溫度是影響金屬切削過程的又一重要物理現象，切削過程中克服切削力所消耗的能量90%以上轉換為熱量，這樣就使切削區溫度升高，影響刀具磨損和試用壽命。所有研究切削過程中切削溫度的產生和變化規律對實際生產有重要的意義。圖3所示為切削速度100m/min，切削深度為0.3mm，進給量為0.1m/r時工件的切削溫度條形圖。

2.1切削速度對切削力和切削溫度的影響

保持切削深度0.3mm，進給量為0.1mm/r不變，采用deform對切削速度分別為80m/min、100m/min、120m/min時的切削過程進行仿真研究。根據仿真結果得出的各切削力值和切削溫度值，繪制的不同切削速度下切削力和切削溫度的變化曲線圖如圖4所示。

2.2切削深度對切削力和切削溫度的影響

保持切削速度100m/min，進給量為0.1 m/r不變，采用deform對切削深度分別為0.3mm、0.6mm、1mm時的切削過程進行仿真研究。根據仿真結果得出的各切削力值和切削溫度值，繪制的不同切削深度下切削力和切削溫度的變化曲線圖如圖5所示。

2.3進給量對切削力的影響

保持切削速度100m/min，切削深度0.6mm不變，采用deform對進給量分別為0.05m/r、0.1m/r，0.15m/r時的切削過程進行仿真研究。根據仿真結果得出的各切削力值和切削溫度值，繪制的不同進給量下切削力和切削溫度的變化曲線圖如圖6所示。

根據以上分析，刀具車削鈦合金時，切削深度對切削力的影響是最大的，其次是進給量，最后才是切削速度。因此在選擇切削參數時，要得到較高的切削效率，并且保證系統的剛性，可以選擇較高的切削速度，再選擇進給量，最后根據加工要求選擇背吃刀量。可以看出切削速度、進給量和背吃刀量對切削溫度都有影響。不同的是背吃刀量對切削溫度的影響是最小的，其次是進給量，影響最大的是切削速度。從切削溫度的來源方面看影響切削溫度主要是因為：刀具切削材料時切削層金屬發生的彈性變形和塑性變形，切屑與前刀面、工件和后刀面間的消耗摩擦功也將轉化為熱能。切削速度的增加加劇了切削層與刀具之間的摩擦，并且隨著切削速度的增大，單位時間內金屬的切除量增多所消耗的功增加，這些都能使切削溫度上升。當增加背吃刀量時，雖然切削材料的量和切削力增大了但相應的切削刃工作長度也增加了，切削刃的工作長度的增加有利于散熱。隨著進給量的增加，單位時間內金屬的切除量增加，切削溫度也隨著上升：但進給量的增加也使得切削厚度增大，切削厚度的增大改善了散熱條件，所以進給量對切削溫度的影響沒有切削速度大。

3結語

本文通過使用DEFORM有限元分析軟件對車削鈦合金過程進行了模擬分析。采用控制變量法，通過改變切削速度、切削深度和進給量，研究三者對切削力及切削溫度的影響，得到的結論有：對切削力影響最大的是切削深度，其次是進給量。影響最小的是切削速度；并且切削力的大小隨著背吃刀量的增加而線性遞增：對切削溫度的影響最大的是切削速度，進給量次之，背吃刀量影響最小。

[責任編輯：張濤]