淬硬钢材料高速切削过程的有限元仿真

李琳+陈泽锋

摘要： 基于对切削原理的深入研究，建立了金属切削过程的热力耦合有限元模型。基于 DEFORM-3D软件平台，模拟了金属切削加工过程，得到了刀具和工件上的等效应变、温度场、刀具磨损的分布规律，仿真结果同实验对比分析误差在10%以内。

Abstract： In this paper， the finite element models of metal cutting were first discussed systemically， based on metal cutting theroy. Based on the platform of finite element software DEFORM-3D， the processes of metal cutting were simulated and the laws of distribution disclosed for equivalent strain field， temperature field and tool wear were got. The error of the prediction is about 10%. The model has been validated by simulation results to be reliable.

关键词： 有限元法；切屑成形仿真；材料模型；仿真预测

Key words： FEM；chip formation simulation；material model；simulation prediction

中图分类号：TG506.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）10-0028-02

0 引言

高速加工（High Speed Machining，HSM）技术是一项先进的、具有广阔应用前景的制造工艺。高速切削作为一种先进切削加工技术，近几年在航空、汽车、电子、模具等制造业中显示出明显的技术优势，受到国内外越来越广泛的关注[1]。

淬硬钢（硬度HRC55～HRC65）是一类耐磨结构材料，广泛用于制造各种对硬度和耐磨性要求较高的基础零部件。淬硬钢经淬火或低温去应力退火后具有较高硬度，通常采用磨削工艺进行半精加工和精加工，不仅加工效率低，而且粉尘和废液污染严重[2-3]。针对淬硬钢的高速切削过程仿真相较于实验的方法具有更好的应用性，本文将详细探讨针对此种难加工材料的高速切削仿真。

1 34CrNiMo6切削实验

本次实验采用直角自由切削，工件材料选用外径为100mm、厚度为2.0mm的34CrNiMo6材料。由于淬硬钢的加工特点，选择CBN刀具进行实验。实验进行三组，每组实验的切削参数如表1所示。

通过Kistler测力仪对三次试验进行测试，得到三向的切削力结果如表2所示。

2 仿真结果同实验对比分析

2.1 主切削力的对比分析 34CrNiMo6切削过程中的切削力的动态变化如图所示。由图1可以看出，在刀具初始切入的瞬间，切削力急剧增大，并在极短的时间内，切削进入了稳定阶段。稳定后的平均主切削力约为122N（在同等切削条件下，实验切削力为127N）。同实验中获得的切削力曲线对比发现，仿真分析中获得的切削力曲线波动较大，在切削力达到稳定的状态后，仍然存在20N范围的波动，这种现象产生的原因主要是由于工件材料的网格划分问题，单元节点连续不断地分离。因此，切削力总的趋势是不变的，但因节点的不断分离而出现波动。这种波动的产生同实际的切削过程有所区别，但是切削力的平均值与实验测量结果基本吻合，说明此次仿真很好地反映了切削力的动态变化情况，对工装和夹具的设计很有帮助。

2.2 切削应力分布 图2所示为工件材料上的应力分布情况，由图可知，在接触区内，等效应力的最大值发生在第一变形区内，该处的应力值达到1865MPa，越远离第一变形区，等效应力σ下降越激烈。从图可以看出，刀具切削区的最大主应力分布在第二变形区内。

3 结论

车削过程中，主切削力的三个几何分力逐渐由零到达相对平稳状态，且相对平稳状态存在振荡现象，这是由于软件在模拟过程中，由于工件是通过网格的节点来传递作用力的，而刀具在切削的过程中接触到刀具的节点是不断变化的，这就导致了主切削力的振荡现象。

刀具的最大等效应力分别出现在前刀面主切削刃附近，同时在后刀面靠近主切削刃的地方也出现了较大的等效应力，这与实际切削过程基本相似。

参考文献：

[1]王亮德，王志孟，张树涛.高速切削技术的发展及展望[J].济南大学学报，2000，10（2）.

[2]王西彬，解丽静，刘志兵.难加工材料的高速切削与加工实例[J].新技术新工艺，2006，1.

[3]Usui E， Shirakashi T. Mechanics of Machining-from Descriptive to redictive Theory， on the Art of Cutting Metals-75 Years Later[J]. ASME-PED， 1982， 7：13～15.

摘要： 基于对切削原理的深入研究，建立了金属切削过程的热力耦合有限元模型。基于 DEFORM-3D软件平台，模拟了金属切削加工过程，得到了刀具和工件上的等效应变、温度场、刀具磨损的分布规律，仿真结果同实验对比分析误差在10%以内。

Abstract： In this paper， the finite element models of metal cutting were first discussed systemically， based on metal cutting theroy. Based on the platform of finite element software DEFORM-3D， the processes of metal cutting were simulated and the laws of distribution disclosed for equivalent strain field， temperature field and tool wear were got. The error of the prediction is about 10%. The model has been validated by simulation results to be reliable.

关键词： 有限元法；切屑成形仿真；材料模型；仿真预测

Key words： FEM；chip formation simulation；material model；simulation prediction

中图分类号：TG506.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）10-0028-02

0 引言

高速加工（High Speed Machining，HSM）技术是一项先进的、具有广阔应用前景的制造工艺。高速切削作为一种先进切削加工技术，近几年在航空、汽车、电子、模具等制造业中显示出明显的技术优势，受到国内外越来越广泛的关注[1]。

淬硬钢（硬度HRC55～HRC65）是一类耐磨结构材料，广泛用于制造各种对硬度和耐磨性要求较高的基础零部件。淬硬钢经淬火或低温去应力退火后具有较高硬度，通常采用磨削工艺进行半精加工和精加工，不仅加工效率低，而且粉尘和废液污染严重[2-3]。针对淬硬钢的高速切削过程仿真相较于实验的方法具有更好的应用性，本文将详细探讨针对此种难加工材料的高速切削仿真。

1 34CrNiMo6切削实验

本次实验采用直角自由切削，工件材料选用外径为100mm、厚度为2.0mm的34CrNiMo6材料。由于淬硬钢的加工特点，选择CBN刀具进行实验。实验进行三组，每组实验的切削参数如表1所示。

通过Kistler测力仪对三次试验进行测试，得到三向的切削力结果如表2所示。

2 仿真结果同实验对比分析

2.1 主切削力的对比分析 34CrNiMo6切削过程中的切削力的动态变化如图所示。由图1可以看出，在刀具初始切入的瞬间，切削力急剧增大，并在极短的时间内，切削进入了稳定阶段。稳定后的平均主切削力约为122N（在同等切削条件下，实验切削力为127N）。同实验中获得的切削力曲线对比发现，仿真分析中获得的切削力曲线波动较大，在切削力达到稳定的状态后，仍然存在20N范围的波动，这种现象产生的原因主要是由于工件材料的网格划分问题，单元节点连续不断地分离。因此，切削力总的趋势是不变的，但因节点的不断分离而出现波动。这种波动的产生同实际的切削过程有所区别，但是切削力的平均值与实验测量结果基本吻合，说明此次仿真很好地反映了切削力的动态变化情况，对工装和夹具的设计很有帮助。

2.2 切削应力分布 图2所示为工件材料上的应力分布情况，由图可知，在接触区内，等效应力的最大值发生在第一变形区内，该处的应力值达到1865MPa，越远离第一变形区，等效应力σ下降越激烈。从图可以看出，刀具切削区的最大主应力分布在第二变形区内。

3 结论

车削过程中，主切削力的三个几何分力逐渐由零到达相对平稳状态，且相对平稳状态存在振荡现象，这是由于软件在模拟过程中，由于工件是通过网格的节点来传递作用力的，而刀具在切削的过程中接触到刀具的节点是不断变化的，这就导致了主切削力的振荡现象。

刀具的最大等效应力分别出现在前刀面主切削刃附近，同时在后刀面靠近主切削刃的地方也出现了较大的等效应力，这与实际切削过程基本相似。

参考文献：

[1]王亮德，王志孟，张树涛.高速切削技术的发展及展望[J].济南大学学报，2000，10（2）.

[2]王西彬，解丽静，刘志兵.难加工材料的高速切削与加工实例[J].新技术新工艺，2006，1.

[3]Usui E， Shirakashi T. Mechanics of Machining-from Descriptive to redictive Theory， on the Art of Cutting Metals-75 Years Later[J]. ASME-PED， 1982， 7：13～15.

摘要： 基于对切削原理的深入研究，建立了金属切削过程的热力耦合有限元模型。基于 DEFORM-3D软件平台，模拟了金属切削加工过程，得到了刀具和工件上的等效应变、温度场、刀具磨损的分布规律，仿真结果同实验对比分析误差在10%以内。

Abstract： In this paper， the finite element models of metal cutting were first discussed systemically， based on metal cutting theroy. Based on the platform of finite element software DEFORM-3D， the processes of metal cutting were simulated and the laws of distribution disclosed for equivalent strain field， temperature field and tool wear were got. The error of the prediction is about 10%. The model has been validated by simulation results to be reliable.

关键词： 有限元法；切屑成形仿真；材料模型；仿真预测

Key words： FEM；chip formation simulation；material model；simulation prediction

中图分类号：TG506.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）10-0028-02

0 引言

高速加工（High Speed Machining，HSM）技术是一项先进的、具有广阔应用前景的制造工艺。高速切削作为一种先进切削加工技术，近几年在航空、汽车、电子、模具等制造业中显示出明显的技术优势，受到国内外越来越广泛的关注[1]。

淬硬钢（硬度HRC55～HRC65）是一类耐磨结构材料，广泛用于制造各种对硬度和耐磨性要求较高的基础零部件。淬硬钢经淬火或低温去应力退火后具有较高硬度，通常采用磨削工艺进行半精加工和精加工，不仅加工效率低，而且粉尘和废液污染严重[2-3]。针对淬硬钢的高速切削过程仿真相较于实验的方法具有更好的应用性，本文将详细探讨针对此种难加工材料的高速切削仿真。

1 34CrNiMo6切削实验

本次实验采用直角自由切削，工件材料选用外径为100mm、厚度为2.0mm的34CrNiMo6材料。由于淬硬钢的加工特点，选择CBN刀具进行实验。实验进行三组，每组实验的切削参数如表1所示。

通过Kistler测力仪对三次试验进行测试，得到三向的切削力结果如表2所示。

2 仿真结果同实验对比分析

2.1 主切削力的对比分析 34CrNiMo6切削过程中的切削力的动态变化如图所示。由图1可以看出，在刀具初始切入的瞬间，切削力急剧增大，并在极短的时间内，切削进入了稳定阶段。稳定后的平均主切削力约为122N（在同等切削条件下，实验切削力为127N）。同实验中获得的切削力曲线对比发现，仿真分析中获得的切削力曲线波动较大，在切削力达到稳定的状态后，仍然存在20N范围的波动，这种现象产生的原因主要是由于工件材料的网格划分问题，单元节点连续不断地分离。因此，切削力总的趋势是不变的，但因节点的不断分离而出现波动。这种波动的产生同实际的切削过程有所区别，但是切削力的平均值与实验测量结果基本吻合，说明此次仿真很好地反映了切削力的动态变化情况，对工装和夹具的设计很有帮助。

2.2 切削应力分布 图2所示为工件材料上的应力分布情况，由图可知，在接触区内，等效应力的最大值发生在第一变形区内，该处的应力值达到1865MPa，越远离第一变形区，等效应力σ下降越激烈。从图可以看出，刀具切削区的最大主应力分布在第二变形区内。

3 结论

车削过程中，主切削力的三个几何分力逐渐由零到达相对平稳状态，且相对平稳状态存在振荡现象，这是由于软件在模拟过程中，由于工件是通过网格的节点来传递作用力的，而刀具在切削的过程中接触到刀具的节点是不断变化的，这就导致了主切削力的振荡现象。

刀具的最大等效应力分别出现在前刀面主切削刃附近，同时在后刀面靠近主切削刃的地方也出现了较大的等效应力，这与实际切削过程基本相似。

参考文献：

[1]王亮德，王志孟，张树涛.高速切削技术的发展及展望[J].济南大学学报，2000，10（2）.

[2]王西彬，解丽静，刘志兵.难加工材料的高速切削与加工实例[J].新技术新工艺，2006，1.

[3]Usui E， Shirakashi T. Mechanics of Machining-from Descriptive to redictive Theory， on the Art of Cutting Metals-75 Years Later[J]. ASME-PED， 1982， 7：13～15.