基于Deform3D的不銹鋼車削加工仿真研究

韋遼

摘 要：不銹鋼是典型的難加工材料。為了更詳細地了解金屬材料的切削加工，采用CAE仿真軟件Deform 3D為平臺，根據(jù)有限元法對304不銹鋼的切削加工過程進行建模和仿真。同時采用正交試驗法對304不銹鋼進行車削加工試驗，并對試驗結(jié)果和有限元仿真模擬結(jié)果進行了對比分析，為實際生產(chǎn)工藝選擇參數(shù)提供合理的參考。

關(guān)鍵詞：切削加工;Deform 3D;正交試驗;有限元仿真

中圖分類號：TB ? ? 文獻標(biāo)識碼：A ? ? ?doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.22.092

0 引言

切削加工是機械制造行業(yè)中應(yīng)用廣泛的零件金屬成形工藝，是國內(nèi)外研究的重點課題。在實際生產(chǎn)應(yīng)用中，304不銹鋼廣泛用于制造需要良好性能的設(shè)備和零件上。硬質(zhì)合金硬度比較高，是加工304不銹鋼常用的刀具材料之一。硬質(zhì)合金因為超高硬度、高紅硬性、高強度和韌性廣泛地應(yīng)用于切削刀具、礦用工具和耐磨零件中。

隨著計算機技術(shù)和有限元方法理論的飛躍發(fā)展，有限元已被廣泛應(yīng)用于分析切削加工領(lǐng)域中。常用的CAE仿真軟件有MARC、DEFORM、AdvantEdge、ABAQUS等。

Deform 3D可以隨著刀具的幾何形狀、切削速度和切削深度來預(yù)測一些參數(shù)的情況，如切削力大小、應(yīng)力應(yīng)變、切削溫度高低、磨損大小、磨損形式等。采用CAE仿真軟件Deform 3D為平臺，根據(jù)有限元法對304不銹鋼的切削加工過程進行建模和仿真。同時采用正交試驗法對304不銹鋼進行車削加工試驗，并對試驗結(jié)果和有限元仿真模擬結(jié)果進行了對比分析，為實際生產(chǎn)工藝選擇參數(shù)提供合理的參考。

1 基于Deform 3D的不銹鋼車削加工仿真

1.1 Deform 3D簡介

Deform 3D是基于有限元分析方法的專業(yè)工藝仿真軟件，可以綜合建模、網(wǎng)格劃分、成形、熱傳導(dǎo)等進行模擬仿真分析，適用于熱、冷、溫成形，可以得到詳細和有益的工藝數(shù)據(jù)。Deform 3D可以優(yōu)化工藝參數(shù)選擇，提高工程設(shè)計效率，縮短開發(fā)周期，減少經(jīng)濟開支從而節(jié)約成本。

1.2 切削仿真模型的建立

Deform 3D軟件的仿真模型可以從外部CAD軟件導(dǎo)入。在實際中可以使用常用三維繪圖軟件來描繪刀具和工件的三維幾何模型，如UG、Solidworks、Pro/E等，隨后導(dǎo)入到Deform 3D軟件中進行模擬仿真。

1.3 材料模型的建立

材料模型的建立，就是要獲得材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線關(guān)系（本構(gòu)關(guān)系），以定義材料在載荷作用下的響應(yīng)行為。在Deform 3D自帶材料庫，可以選擇相應(yīng)的刀具和工件材料。

1.4 模型網(wǎng)格劃分

在金屬成形有限元分析軟件中，常用的單元主要有8節(jié)點六面體單元和四面體常應(yīng)變單元。由于四面體常應(yīng)變單元簡單、實用，文章選取四面體常應(yīng)變單元進行網(wǎng)格劃分。

2 實驗方法

2.1 實驗設(shè)備及材料

實驗所用的設(shè)備包括數(shù)控車床、測力儀。實驗刀具為YW2硬質(zhì)合金刀片，工件材料為304不銹鋼。切削條件：干切削。

2.2 實驗過程

為了深入分析模擬結(jié)果，文章對304不銹鋼進行了單因素車削加工試驗，分析了切削參數(shù)對切削加工過程的影響。

切削力傳感器是由瑞士公司制造的測力儀。

3 實驗結(jié)果與仿真結(jié)果分析

切削力是切削加工過程中關(guān)鍵的物理參數(shù)，影響刀具的磨損情況和工件已加工表面質(zhì)量。

圖1所示為Deform 3D環(huán)境下車削加工模擬分析過程的示意圖。

切削過程中用切削速度、切削深度和進給量來了解切削加工的過程。為了研究不同的切削參數(shù)變化對切削力的影響，采用正交實驗開展實驗。正交實驗表和切削力仿真與實驗結(jié)果數(shù)值比較表如表1所示。

在實際加工過程中，由于環(huán)境溫度變化、刀具磨損狀況、加工參數(shù)對排屑情況等因素的影響，可能會導(dǎo)致實際數(shù)值與模擬數(shù)值產(chǎn)生一定的誤差。同時，因為金屬切削過程是一個非線性問題，具有連續(xù)性和動態(tài)性特征，在Deform 3D中對于刀具和工件的網(wǎng)格劃分不同也將會導(dǎo)致誤差產(chǎn)生，在仿真切削過程中一些單元可能被擠壓或變形，嚴(yán)重影響切削精度，導(dǎo)致計算過程不收斂，也會產(chǎn)生誤差。

從表1可以看出，考慮到實際切割中材料的失效和摩擦條件非常復(fù)雜，誤差在8%以內(nèi)，所以模擬結(jié)果是可以接受的。Deform 3D模擬在理想條件下，實際加工過程中存在各種影響因素，可以看出實驗值和切削力模擬值存在一定的誤差。但總體誤差很小，在可接受的范圍內(nèi)。

從圖2可以看出，當(dāng)?shù)毒唛_始切削工件后，切削力開始比較小，隨著時間的增加不斷增加，到了一定時間后才會達到穩(wěn)定值，數(shù)值在一定范圍內(nèi)也存在不斷波動情況，這與在實際試驗中利用測力儀所獲取的圖表變化趨勢是一致的。

4 結(jié)語

文章以CAE仿真軟件Deform 3D為研究平臺，根據(jù)有限元法對304不銹鋼的切削加工過程進行建模和仿真。同時采用正交試驗法對304不銹鋼進行車削加工試驗，并對試驗結(jié)果和有限元仿真模擬結(jié)果進行了對比分析，為實際生產(chǎn)工藝選擇參數(shù)提供合理的參考和理論指導(dǎo)。

參考文獻

[1]V Bounhourea， S Laya， S Coindeauab，et al. Effect of Cr addition on solid state sintering of WC-Co alloys[J]. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials， 2015， 52： 21-28.

[2]Su Wei， Sun Yexi， Jiao Feng， et al. Influences of the preparation methods of WC-Co powders on the sintering and microstructure of coarse grained WC-8Co hardmetals[J]. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials， 2015，48： 369-375.

[3]Rumman M R， Xie Z， Hong S J， et al. Effect of spark plasma sintering pressure on mechanical properties of WC-7.5 wt% Nano Co[J]. Materials & Design， 2015， 68： 221-227.

[4]溫效朔，王克琦.切削加工有限元仿真與應(yīng)力分析[J].工具技術(shù)，2006， 40（7）：30-32.

[5]方剛.切削加工過程數(shù)值模擬的研究進展[J].力學(xué)進展，2001，31（3）：394-404.

[6]張磊光.三維金屬切削過程的有限元模擬[D].北京：華北電力大學(xué)，2008.

[7]于貽鸝.金屬切削過程有限元法仿真研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2005.

[8]章振翔，張金明，王來錢等. 基于Deform-3D的不銹鋼切削力有限元仿真[J].輕工機械，2011，29（4）：40-42.

[9]聶聞，李成讓，張偉等.基于Deform的304不銹鋼的車削仿真與實驗研究的影響[J].裝備制造技術(shù)，2014，（5）：55-57.