基于有限元法的金属切削机理研究

2013-10-14薛建勋

机械制造与自动化 2013年2期

薛建勋

（1.淮阴工学院数字化制造技术实验室，江苏淮安223003;2.南京航空航天大学机电学院，江苏南京 210016）

0 前言

金属切削是一个从工件毛坯表面以切屑形式去除多余材料的过程［1］。对金属切削过程的机理进行研究，进而用于指导实际生产过程具有重要的理论意义和实用价值。研究金属切削机理的方法主要有高频摄影法、扫描电镜法等试验研究方法和离散元法、有限差分法、有限元法等数值模拟方法这两大类［2］。

有限元法是20世纪50年代首先在飞机结构分析中应用的一种有效的数值分析方法。随着计算机技术的迅速发展，有限元法已广泛应用于机械制造、航空航天、土木工程、石油化工等诸多领域，是研究金属切削机理的有效工具之一。大型通用有限元计算分析软件ABAQUS具有强大的功能，适用于复杂问题的求解和非线性分析［3］。

1 切削模型

正交切削是指刀具主切削刃的刃倾角为0°时的切削，此时主切削刃与切削速度方向成直角，故又称为直角切削。虽然实际切削加工中的大多数情况是属于斜角切削方式，但在理论和实验研究工作中，则比较常用正交切削方式。金属切削机理研究中，通常采用正交切削模型观察和研究变形区中的诸多现象，实际切削形式都是作为二元正交切削的应用来考虑［4］。

2 金属切削有限元建模

2.1 本构模型

本构方程是指材料产生弹性变形或塑性变形时，应力与应变以及应力率与应变率之间关系的物性方程，也称为本构模型。在金属切削加工过程中，本构模型会对切削加工仿真结果的准确性产生根本的影响，因此必需根据实际的工况合理的选择材料本构模型。

迄今为止已经有多种金属材料的本构模型被提出，主要分为以Johnson-Cook模型、修正的Johnson-Cook模型等为代表的经验本构模型和以Zerilli-Amstrong模型、MTS模型等为代表的基于物理学的本构模型。其中Johnson-Cook模型利用变量乘积关系分别描述应变、应变率和温度的影响，常用于模拟金属材料从低应变率到高应变率下的动态行为［5］。Johnson-Cook模型如式1所示，表示为三项的乘积，分别反映了应变硬化、应变率硬化和温度软化。

2.2 摩擦模型

在切削加工过程中，刀具和切屑之间的摩擦力的大小对加工状况有着重要的影响，因此在分析中应考虑摩擦。有限元模型中，刀具－切屑表面分为滑动摩擦区和粘性摩擦区两个不同的摩擦区。在分析过程中，在粘结和滑动两种状态间的不连续性，可能导致收敛问题。模拟真实的摩擦行为是非常困难的，采用罚函数法可以较好的模拟刀－屑之间的摩擦。罚摩擦公式适用于对大多数问题，其中包括大部分金属成型问题。

2.3 切屑分离

目前金属切屑过程中切屑分离的准则主要有几何准则和物理准则两大类，也可以通过网格自适应的方法实现分离［5］。几何准则主要依据刀尖与单元节点间的距离变化来进行判断，难以反映切削过程中的力学和物理现象。加工难加工材料时，金属切屑成型的机理与常规加工区别很大，往往会形成锯齿状的切屑。对于这种情况，可以采用剪切失效之类的物理准则。自适应网格方法是指计算某些变化较为剧烈的区域时，有限元网格在迭代过程中不断调节和细化，从而达到网格分布与物理解的耦合，进而提高解的精度和分辨率的一种技术。对于金属的常规加工，则可以利用自适应网格方法来建立切削模型，不再需要另外定义材料失效准则。

3 切削机理研究

3.1 实例

本文以AISI4340钢为例，用ABAQUS软件对其粗加工的切削过程进行有限元模拟和切削机理研究。AISI4340钢是机械制造业、汽车业使用最广泛的合金结构钢之一，调质处理后具有良好的综合力学性能及良好的多次冲击韧性，其性能参数见表1。

表1 材料性能参数表

采用二维正交切削模型，工件设为变形体，硬质合金刀视为刚体，前角7°，切削深度为10 mm。工件的网格划分采用四边形占优、温度－位移耦合的CPE4RT单元。本构模型采用Johnson-Cook模型，其参数具体值见表2。采用罚函数法和设定极限剪切应力的方法来模拟刀－屑的摩擦。利用ABAQUS软件优秀的自适应网格功能来调整网格质量。