數控機床切削速度對切削力影響的仿真分析

溫得英

（青海大學機械工程學院，青海西寧 810016）

0 引言

高速切削是先進制造業的主要技術之一，它不僅可獲得更高的生產率，而且還可獲得很高的加工質量，并可降低生產成本。高速切削技術可以解決傳統切削加工過程低效、低質量、高耗能等問題。與傳統的切削加工相比，高速切削不僅提高切削速度，而且降低切削力，延長刀具壽命，降低低階切削振動和工件表面的切削熱。它是以提高切削速度、單位時間內材料去除率和改善加工質量為目的的先進制造技術[1]。高速切削逐漸成為當前切削技術的重要發展方向，也必將成為切削加工領域的主流切削技術[2-6]。

高速切削加工時，切削力是重要參數之一，它不僅影響工件表面的加工質量，而且還影響刀具的使用壽命。通過有限元仿真，分析高速切削過程中如何最大程度減小切削力，獲得更高的加工質量。近年來，用有限元仿真分析高速切削機理的研究雖然較多，但有一些局限性，復雜的高速切削過程不能完全反映出來，需要進一步完善[7]。利用有限元軟件對45#鋼進行高速切削模擬仿真分析，為中碳鋼在高速切削技術中的應用奠定一定的技術基礎。

1 切削過程中的切削力

切削力，是指在切削過程中產生的作用在工件和刀具上的大小相等、方向相反的作用力。影響切削力的主要因素包括：設備自身功率、工件材料、刀具種類和參數以及切削時的潤滑條件等。在仿真實驗中，為了方便地測量切削力，合力F可以分解為如圖1所示的3個垂直的分力（以車削外圓為例）。①切削力（主切削力）Fx：在主運動方向上的分力。它是校驗和設計機床主要機構的重要依據，通常用來確定機床功率、檢驗刀具的強度和剛性等。②背向力（切深抗力）Fy：是影響工件表面加工質量的重要因素。③進給力（進給抗力）Fz：是平行于進給運動方向上的分力，主要用于機床進給機構的強度校核。由圖1可得在通常的切削加工中，主切削力相對較大，背向力和進給力相對較小。但有時也因刀具和工件材料、切削用量以及刀具幾何參數等的變化，這3個分力的比例變化范圍較大。

圖1 切削合力和分力

2 DEFORM 3D建立切削三維模型

通過DEFORM 3D模塊，建立45#鋼高速切削時切削刀具和被加工工件的三維模型。被加工工件直徑50 mm，為減少計算量，選取其中部分30弧度作為切削對象，高速切削刀具選取DEFORRM 3D自帶刀具庫中一刀具，工件材料為45#鋼，刀具為硬質合金WC刀具。仿真開始時，環境溫度、刀具溫度和工件溫度都設為20℃。其中部分參數設置過程見圖2。完成所有條件設置后生產完整的高速切削三維模型，如圖3a所示。建立有限元仿真模型時，首先要進行合理的網格劃分。網格劃分的合理性直接影響仿真計算精度，理論經驗表明，網格劃分太大，計算結果誤差太大或求解無效，網格劃分太小會增加求解時間及占用大量磁盤空間。圖3b所示為劃分網格后的高速切削三維模型。

圖2 建模過程主要步驟

圖3 高速切削三維模型

3 切削速度對切削力的影響仿真

對建立的45#鋼高速切削三維進行仿真模擬，并借助高速切削理論對仿真結果進行分析研究。

（1）查閱文獻得知鋼材高速切削“薩洛蒙曲線”死谷區大概在（300～600）m/min范圍內，因此初步取切削速度240 m/min，300 m/min，360 m/min，420 m/min，480 m/min，540 m/min，600 m/min及660 m/min作為研究對象，對其進行仿真分析計算。切削力F隨時間的動態變化曲線如圖4所示。

圖4 切削力F隨時間的動態變化曲線

（2）分別將切削速度（240～660）m/min時的切削力取平均值（表1），再通過Matlab作出折線圖（圖5）。

表1 不同切削速度下平均切削力的值

圖5 不同切削速度下切削力的變化規律

由圖表可知，在切削速度（240～660）m/min不斷增加的情況下，切削力平均值呈先逐漸上升到最高值，然后又從最高值逐漸下降的趨勢。

4 結語

分析研究得出結果，高速切削45#鋼時，切削速度較低時，隨著切削速度的提高切削力增大，當切削速度增大到一定值時，切削力會隨著切削速度的升高而減小，符合薩洛蒙死谷理論，當切削速度越過死谷后切削力反而降低，是因為切削速度提高時，剪切角增大，切削變形減小，切削力降低；另一方面是切削過程產生的切削熱被切屑快速帶走，切削熱的軟化作用降低，所以切削力降低且降低幅度越來越小，最后趨于不變。由此可以判定試驗取值范圍正確，可以繼續進行下一步仿真分析。