熱源參數對切削性能影響的有限元分析

王元生，楊書根

（鹽城工業職業技術學院汽車與交通學院，江蘇 鹽城 224005）

1 引言

采用切削仿真技術具有減少試切次數、降低試驗成本等優勢，在機加工藝優化和新產品研發過程中得以應用。然而，仿真模型包括接觸、失效和大變形等高非線性特征，使得求解過程異常復雜，同時，熱力耦合過程對仿真的效率影響較大，制約了該項技術在航空航天、刀具制造領域的深入應用。因此，開展熱源參數對切削仿真過程影響的研究，對于深入了解切削熱和切削力的來源與影響規律，并科學預估切削仿真效率具有一定的指導意義。

國內外部分學者對切削過程中的熱影響和熱分配問題進行了廣泛的研究。文獻[1-3]研究了刀具結構和工藝參數對切削熱分配和溫度場的影響，闡述了高速切削過程中切削熱在切屑、工件和刀具部分的分配規律。文獻[4]系統綜述了CFRP鉆削加工過程中，切削熱和切削溫度的形成機理、產生影響、影響切削熱的因素和控制切削熱的方法。文獻[5]基于傳熱學理論，采用解析法和有限元法相結合的方式對TC4鈦合金銑削中過程傳入刀具的熱分配比例進行了研究。文獻[6]研究了Inconel 718材料干切削過程中涂層性能對刀具和切屑之間熱分配系數的影響規律，得出PVD A1TiN涂層刀具可以降低刀具和切屑的接觸面溫升，同時抑制刀具的凹坑磨損的結論。文獻[7]對高速金屬切削過程中的刀具、工件以及切屑之間的熱分配系統進行準靜態建模分析，認為工件表面的熱損失主要是由對流導致，而輻射的影響幾乎為零。文獻[8]采用泛函分析方法確定了金屬切削過程中，切屑和刀具之間的摩擦熱源引起的熱分配和溫升分布情況。文獻[9]結合熱源法理論建立SiCp∕Al復合材料超聲振動切削車削溫度場熱源模型，分析了顆粒增強復合材料振動車削過程中振幅、頻率和顆粒的體積分數對切削溫度的影響規律。文獻[10]在分析螺旋銑孔的基礎上，研究鈦合金∕CFRP疊層構件界面熱傳遞機理，建立了鈦合金∕CFRP疊層構件界面熱傳遞模型，結合螺旋銑孔實驗，修正了刀具與工件的熱傳遞系數以及工件界面溫度傳導率。文獻[11]采用單一變量法對切削區域溫度場的變化進行分析，認為增加切削速度，導致了車刀和切削層的擠壓越強烈，產生的切削熱越多；增加進給量，切削溫度不斷上升；切削速度對切削溫度影響的權重相對較大。上述關于切削熱研究成果主要集中于工藝參數對切削過程的影響，以及刀工系統或復材界面間的熱量分配。

本研究采用有限元法從切削熱的來源角度出發，分析塑性熱和摩擦熱對切削過程的影響，以熱源參數為影響因素，設計在不考慮切削熱、只考慮塑性熱、只考慮摩擦熱以及同時考慮塑性熱及摩擦熱的四種理想工況下進行仿真切削試驗，并結合仿真結果研究了兩類熱源參數對切削過程中的切削力、切削溫度、應力應變以及切削能量的影響規律，對比分析了仿真效率，為進一步研究切削過程中的熱量分配機理以及優化仿真效率提供理論支持。

2 有限元模型

2.1 刀具和工件模型

仿真試驗以金剛石刀具切削鈦合金Ti6Al4V為研究對象，應用有限元法研究不同熱源參數對切削仿真過程的影響。利用ABAQUS軟件建立的金剛石刀具和鈦合金工件的有限元模型，如圖1所示。工件采用結構劃分網格，網格單元類型為C3D8RT；刀具采用自由劃分網格，網格單元類型為C3D4T。刀工模型總網格規模為49068。

圖1 切削仿真有限元模型Fig.1 Finite Element Model of Cutting Simulation

設置邊界條件為工件下端固定，在刀具參考點施加速度載荷1000mm∕s，切削時，背吃刀量0.1mm，進給量0.1mm∕r。

在實際切削過程中會受到多方面因素的影響，主要包括加工參數、加工環境、冷卻條件以及機床精度等。為了便于研究，故對仿真模型進行如下假設：（1）切削過程中不會發生刀具崩刃以及工件振動等情況；（2）工件材料材質均勻且不會發生晶相組織的改變；（3）整體保證穩態切削過程且刀具表面不會出現積屑瘤；（4）不考慮冷卻液對切削過程的影響。

2.2 本構方程及刀工參數

由于切削加工過程中材料去除的過程屬于高應變率行為，且伴隨著切削溫度的上升會發生材料失效，因此，工件參數除了包含基礎參數以外，還應該賦予塑性和損傷參數，本研究采用在材料熱軟化、應變以及應變率方面具有強關聯性的Johnson-Cook模型作為塑性本構方程，如式（1）所示：

式中：σ—材料在加工中受到的流動應力；A—材料的屈服強度；B—材料的極限強度；C—應變敏感率；n—應變硬化指數；m—溫度敏感系數；ε?0—參考應變速率（取1）；Tγ—參考溫度；T m—材料的熔點，模型的具體參數取值[12]，如表1所示。

表1 Ti6Al4V鈦合金材料Johnson-Cook塑性參數Tab.1 Johnson-Cook Constitutive Equation Parameter of Ti6Al4V

研究試驗采用單元失效后自動刪除的方法實現切屑分離，失效模型采用J-C材料斷裂準則，該準則綜合考慮了材料應力三軸度，應變、應變率和溫度對材料失效影響，如式（2），積分過程中等效應變增量?εf等于失效應變，即D=1時，材料斷裂，?εf可由式（3）計算。

式中：D1、D2、D3、D4、D5—方程擬合系數；η—應力三軸度，模型的具體參數取值，如表2所示。

表2 Ti6Al4V鈦合金材料Johnson-Cook失效參數Tab.2 Johnson-Cook Failure Parameter of Ti6Al4V

刀具和工件材料的基本物理參數，如表3所示。

表3 刀具和工件材料物理性能參數（20℃）Tab.3 Material Physical Properties of Cutting Tools and Workpiece（20℃）

2.3 刀工接觸屬性設置

為了對切削加工中摩擦熱受影響的情況進行研究，需要定義金剛石刀具和鈦合金工件的接觸屬性。對于刀具和工件之間的接觸方式，在法向的接觸屬性設置為“硬”接觸，在切向方向上，由于加工中刀工二者之間的相互摩擦，對切削力和切削溫度的變化具有重要影響，根據庫倫摩擦定律對摩擦系數進行設置，表達式如式（4）所示：

式中：τf—接觸面位置的摩擦剪切壓力；σn—工件和刀具之間的正壓力；τmax—接觸面位置的最大摩擦剪切壓力；μ—摩擦系數。

采用通用接觸算法模擬刀具與工件間相互作用，同時由于不考慮在切削過程中的刀具變形和損傷，因此，對其施加剛體約束。

2.4 切削熱源模型方案設計

金屬切削過程中，熱源參數包括塑性熱源參數和摩擦熱源參數。塑性熱源參數即塑性熱系數，直接在仿真軟件界面輸入；摩擦熱源參數包括熱生熱系數和刀工熱傳導參數，在接觸屬性里設置。為了區分塑性熱源和摩擦熱源對切削過程的影響，本研究設計四種理想工況，分別為：不考慮切削熱、只考慮塑性熱、只考慮摩擦熱、同時考慮塑性熱及摩擦熱。由于在軟件中刪除熱源和保留熱源但數值為零兩種情況下的仿真效率會有一定差異，因此，試驗時，對只考慮塑性熱和只考慮摩擦熱兩種工況作了具體的細分，分為刪除熱源和保留熱源但數值為零兩種情況，合計6個模型，模型編號、熱源情況和求解時間，如表4所示。

表4 模型編號和熱源情況Tab.4 Model Number and Heat Source

3 仿真結果與討論

3.1 熱源參數對切削力的影響

熱源參數對切削力的影響結果，如圖2所示。從圖2（a）可以看出，考慮切削熱時的切削力要小于不考慮切削熱的情況，其主要原因是切削熱對工件材料具有一定的軟化作用；同時，從圖2（b）可以看出，摩擦熱對切削力的貢獻相對較大。

圖2 熱源參數對切削力的影響Fig.2 Influence of Heat Source Parameters on Cutting Force

3.2 熱源參數對工件應力的影響

熱源參數對工件應力的影響結果，如圖3所示。從圖3（a）、圖3（b）可見，考慮切削熱時的工件應力要小于不考慮切削熱的情況；同時，比較圖3（c）、圖3（d）可知，摩擦熱參數對工件應力的貢獻相對大。

圖3 熱源參數對工件應力的影響Fig.3 Influence of Heat Source Parameters on Stress of Workpiece

3.3 熱源參數對切削溫度的影響

熱源參數對切削溫度的影響結果，如圖4所示。

圖4 熱源參數對切削溫度的影響Fig.4 Influence of Heat Source Parameters on Cutting Temperature

從圖4（a）、圖4（b）可以看出，只考慮塑性熱時切削溫度最大可達351℃，而只考慮摩擦熱時切削溫度最大只有55.89℃，由此，可以得出結論：切削熱主要是由于工件的塑性變形而引起的，摩擦過程對切削溫度的貢獻度相對較低。

3.4 熱源參數對工件應變的影響

熱源參數對切削溫度的影響結果，如圖5所示。

由圖5（a）、圖5（b）可以看出，考慮切削熱時，等效塑性應變（Equivalent Plastic Strain）值為0.955；而不考慮切削熱時，該值為0.9377，可見，切削熱對工件最大應變的影響并不顯著。考慮切削熱時工件最大應變略有增大，是由于切削熱對工件的軟化作用導致。

圖5 熱源參數對工件應變的影響Fig.5 Influence of Heat Source Parameters on Workpiece Strain

3.5 熱源參數對切削能量的影響

熱源參數對切削能量的影響結果，如圖6所示。圖6（a）表明摩擦熱源參數對工件應變能的貢獻度相對較大；圖6（b）表明塑性熱源參數是導致內熱能增加的主要因素，其在切削過程中產生的內熱能遠遠超過摩擦熱源參數的貢獻度，因此，切削內能主要是在刀工系統相互作用過程中發生塑性變形時所產生的。

圖6 熱源參數對能量的影響Fig.6 Influence of Heat Source Parameters on Energy

3.6 熱源參數對切削效率的影響

如前文中表4所示，列出了6個模型的求解時間。各個模型的求解時間以直方圖的形式表示，如圖7所示。顯而易見，不考慮切削熱時的切削仿真效率最高，是考慮全部熱源參數時求解效率的14倍；同時，考慮摩擦熱時的效率要低于塑性熱的工況，因此，摩擦熱源參數對于切削效率的影響要大于塑性熱源參數。

圖7 不同模型求解時間的對比Fig.7 Comparison of Solution Time of Different Models

4 結論

本研究對熱源參數進行分工況建模，同時以切削力、切削溫度、工件應力和應變、切削能量以及仿真效率為評價指標，對金剛石刀具切削鈦合金工件過程進行有限元分析。試驗對確定熱源參數在切削過程中的溫度、能量和效率等物理量的貢獻分配具有一定的指導意義。（1）塑性熱源參數是切削熱和內熱能的主要來源，且由于溫度的軟化作用使得工件應力、應變能和切削力都相對小。（2）摩擦熱源參數對切削力、工件應力以及應變能的貢獻度相對大，但是對工件切削內能和切削溫度的影響相對較小。（3）切削熱對工件最大應變增加的影響不顯著。切削熱源參數對仿真效率的影響很大，其中摩擦熱源參數的影響要大于塑性熱源參數。