基于有限元法的刀具切削過程的應(yīng)力應(yīng)變分析

王娟娟 續(xù)富琴

摘? 要：刀具切削金屬是機(jī)械加工中不可或缺的一種加工方式。該技術(shù)是每個(gè)國家機(jī)械加工實(shí)力的重要標(biāo)志，是加工制造業(yè)的關(guān)鍵步驟，并且對制造業(yè)發(fā)展有著至關(guān)重要的作用。該文在有限元仿真軟件ANSYS的幫助下，建立一套以YT類硬質(zhì)合金鋼切削鋁合金的工件為基礎(chǔ)的二維直角切削模型，進(jìn)行數(shù)值模擬分析，獲得了工件在不同分析步時(shí)間長度的應(yīng)力應(yīng)變的分布，揭示了整個(gè)加工過程中工件應(yīng)力場、應(yīng)變等變化規(guī)律。

關(guān)鍵詞：切削加工? 計(jì)算機(jī)仿真? 有限元? 應(yīng)力應(yīng)變

中圖分類號：TG506.5 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）08（b）-0056-02

刀具切削金屬是機(jī)械加工中不可或缺的一種加工方式。該技術(shù)是每個(gè)國家機(jī)械加工實(shí)力的重要標(biāo)志，是加工制造業(yè)的關(guān)鍵步驟，并且對制造業(yè)發(fā)展有著至關(guān)重要的作用[1]。

該課題基于刀具切削機(jī)理，利用有限元分析軟件ANSYS，對金屬切削過程中不同分析步時(shí)間階段中工件和刀具的應(yīng)力應(yīng)變變化進(jìn)行分析。通過確定材料性能參數(shù)，建立工件和刀具的二維直角金屬切削材料模型，進(jìn)而對材料模型施加約束、載荷，通過ANSYS軟件進(jìn)行計(jì)算求解，之后選擇應(yīng)力應(yīng)變云圖，通過分析云圖得出刀具切削過程中的工件的應(yīng)力應(yīng)變變化情況。該方法不僅所需的成本低、效率高，而且可以得到由實(shí)驗(yàn)測不出的一些數(shù)據(jù)結(jié)果，比如工件的應(yīng)力、應(yīng)變場在每個(gè)時(shí)間段的變化。

1? 建立有限元模型

1.1 建立材料模型

以前角25°、后角8°的位置放YT類硬質(zhì)合金刀具切削鋁合金，從長為4cm，寬為1cm的工件上切削厚度為2mm的切屑為基礎(chǔ)，來建立二維正交切削模型。工件采用塑性應(yīng)變大的VISCO106單元類型模擬鋁合金材料，設(shè)置彈性模量E=72GPa、泊松比?=0.32;刀具選用PLANE182單元類型模擬YT類硬質(zhì)合金，設(shè)置彈性模量E=600GPa、泊松比?=0.3[2]。

1.2 網(wǎng)格劃分

如圖1所示的是通過網(wǎng)格劃分后的模型，將模型中的工件沿著切削線分成上下兩部分，上部劃分成100個(gè)單元，下部劃分成500個(gè)單元網(wǎng)格，將刀具分成50個(gè)單元[3]。

1.3 定義接觸對

定義合理的接觸類型、參數(shù)是有限元計(jì)算準(zhǔn)確性的主要因素之一，該課題對通過單面接觸的方式對接觸條件定義，一般設(shè)置兩對接觸：（1）刀具的前刀面與切屑的底層;（2）工件的已加工表面和刀具的后刀面之間[4]。但工件在前刀面的強(qiáng)烈擠壓作用下，切屑底層會(huì)被拉長，為了確保仿真模擬更加符合實(shí)際情況，因此加入了第三個(gè)接觸對，即切削線處得切屑底層與已加工表面間的接觸。

1.4 施加約束和載荷

為了更好地模擬刀具切削過程，于是要約束工件左端和底部的X和Y方向，約束位移為0，來阻止工件受到刀具運(yùn)動(dòng)的影響而移動(dòng);另外，由于要模擬刀具水平向左運(yùn)動(dòng)，因此只要約束刀具Y方向，使刀具不能沿著Y方向移動(dòng)，隨后在刀具上施加一個(gè)向負(fù)X方向移動(dòng)的位移，要想將多余材料切除，所以要使刀具水平移動(dòng)0.025m，即施加約束為-0.025m，以此來模仿刀具切削工件的動(dòng)作。

2? 結(jié)果分析

如圖2所示，工件在Time=0.1、Time=1的分析步時(shí)間長度的應(yīng)力應(yīng)變情況。

圖2的（a）（b）分別表示的是在切削過程中的Time=0.1、Time=1分析步時(shí)間長度的應(yīng)力應(yīng)變分布，顏色的深淺變化程度代表應(yīng)力應(yīng)變的變化，圖（a）中，工件的最大等效應(yīng)力為460MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.006594;圖（b）中，工件的最大等效應(yīng)力為455MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.006532。通過對比分析（a）（b）兩幅圖的顏色的變化，可以看到較高的應(yīng)力分布在刀尖附近位置和第一變形區(qū)域。這種現(xiàn)象是因?yàn)楣ぜ诘毒叩臄D壓、摩擦的作用下，第一變形區(qū)有較大變形程度造成的。應(yīng)力從刀尖和工件發(fā)生碰撞的地方開始，之后沿著切削線快速擴(kuò)展，且在第一變形區(qū)域形成應(yīng)力帶，該應(yīng)力帶也會(huì)隨著刀具的運(yùn)動(dòng)沿切削線移動(dòng)，并一直處于切屑上;等效應(yīng)力也以第一變形區(qū)為主，之后向外圍逐漸減小。且工件上的最大等效應(yīng)力主要集中在450～460MPa。

應(yīng)變同應(yīng)力云圖一樣，較大應(yīng)變也主要在刀尖附近區(qū)域和工件的第一變形區(qū)，在切屑底部也會(huì)形成很大的應(yīng)變。這是由于刀具和切屑碰撞時(shí)，刀具與切屑之間發(fā)生劇烈的摩擦，再加上工件受到刀具強(qiáng)烈的擠壓作用引起的。另外，工件在接觸刀具時(shí)，應(yīng)變從碰刀點(diǎn)處開始產(chǎn)生，隨著刀具的切入，切削角向切屑層擴(kuò)展，形成等效塑性應(yīng)變層;除此之外，可以發(fā)現(xiàn)工件材料的應(yīng)變變化相對較小。

3? 結(jié)語

該課題研究了工件的應(yīng)力、應(yīng)變場的變化規(guī)律。在帶狀切屑形成的過程中，在刀尖附近區(qū)域或第一變形區(qū)出現(xiàn)最大等效應(yīng)力和應(yīng)變，且等效應(yīng)力以第一變形區(qū)為中點(diǎn)逐漸向四周遞減;其在擴(kuò)展的同時(shí)會(huì)在第一變形區(qū)形成最大的等效應(yīng)力帶;另外，在切屑底部也會(huì)形成很大的應(yīng)變。

鋁合金材料在日常有廣泛的應(yīng)用，具有廣闊的應(yīng)用前景，所以對于該材料的加工方法和加工質(zhì)量的研究將成為今后研究的重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳勃.金屬切削加工過程的有限元建模與仿真[D].江蘇大學(xué)，2016.

[2] 朱江新，夏天，陽平，等.基于ANSYS的金屬切削過程模擬[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32（11）：106-109.

[3] 舒平生.基于ABAQUS的A357鋁合金正交切削加工有限元仿真及其實(shí)驗(yàn)研究[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2015，23（3）：168-172.

[4] 董丙闖.淬硬鋼高速切削有限元分析及刀具參數(shù)研究[D].昆明理工大學(xué)，2012.