基于Deform3D的不锈钢车削加工仿真研究

韦辽

摘 要：不锈钢是典型的难加工材料。为了更详细地了解金属材料的切削加工，采用CAE仿真软件Deform 3D为平台，根据有限元法对304不锈钢的切削加工过程进行建模和仿真。同时采用正交试验法对304不锈钢进行车削加工试验，并对试验结果和有限元仿真模拟结果进行了对比分析，为实际生产工艺选择参数提供合理的参考。

关键词：切削加工;Deform 3D;正交试验;有限元仿真

中图分类号：TB     文献标识码：A      doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.22.092

0 引言

切削加工是机械制造行业中应用广泛的零件金属成形工艺，是国内外研究的重点课题。在实际生产应用中，304不锈钢广泛用于制造需要良好性能的设备和零件上。硬质合金硬度比较高，是加工304不锈钢常用的刀具材料之一。硬质合金因为超高硬度、高红硬性、高强度和韧性广泛地应用于切削刀具、矿用工具和耐磨零件中。

随着计算机技术和有限元方法理论的飞跃发展，有限元已被广泛应用于分析切削加工领域中。常用的CAE仿真软件有MARC、DEFORM、AdvantEdge、ABAQUS等。

Deform 3D可以随着刀具的几何形状、切削速度和切削深度来预测一些参数的情况，如切削力大小、应力应变、切削温度高低、磨损大小、磨损形式等。采用CAE仿真软件Deform 3D为平台，根据有限元法对304不锈钢的切削加工过程进行建模和仿真。同时采用正交试验法对304不锈钢进行车削加工试验，并对试验结果和有限元仿真模拟结果进行了对比分析，为实际生产工艺选择参数提供合理的参考。

1 基于Deform 3D的不锈钢车削加工仿真

1.1 Deform 3D简介

Deform 3D是基于有限元分析方法的专业工艺仿真软件，可以综合建模、网格划分、成形、热传导等进行模拟仿真分析，适用于热、冷、温成形，可以得到详细和有益的工艺数据。Deform 3D可以优化工艺参数选择，提高工程设计效率，缩短开发周期，减少经济开支从而节约成本。

1.2 切削仿真模型的建立

Deform 3D软件的仿真模型可以从外部CAD软件导入。在实际中可以使用常用三维绘图软件来描绘刀具和工件的三维几何模型，如UG、Solidworks、Pro/E等，随后导入到Deform 3D软件中进行模拟仿真。

1.3 材料模型的建立

材料模型的建立，就是要获得材料的应力-应变曲线关系（本构关系），以定义材料在载荷作用下的响应行为。在Deform 3D自带材料库，可以选择相应的刀具和工件材料。

1.4 模型网格划分

在金属成形有限元分析软件中，常用的单元主要有8节点六面体单元和四面体常应变单元。由于四面体常应变单元简单、实用，文章选取四面体常应变单元进行网格划分。

2 实验方法

2.1 实验设备及材料

实验所用的设备包括数控车床、测力仪。实验刀具为YW2硬质合金刀片，工件材料为304不锈钢。切削条件：干切削。

2.2 实验过程

为了深入分析模拟结果，文章对304不锈钢进行了单因素车削加工试验，分析了切削参数对切削加工过程的影响。

切削力传感器是由瑞士公司制造的测力仪。

3 实验结果与仿真结果分析

切削力是切削加工过程中关键的物理参数，影响刀具的磨损情况和工件已加工表面质量。

图1所示为Deform 3D环境下车削加工模拟分析过程的示意图。

切削过程中用切削速度、切削深度和进给量来了解切削加工的过程。为了研究不同的切削参数变化对切削力的影响，采用正交实验开展实验。正交实验表和切削力仿真与实验结果数值比较表如表1所示。

在实际加工过程中，由于环境温度变化、刀具磨损状况、加工参数对排屑情况等因素的影响，可能会导致实际数值与模拟数值产生一定的误差。同时，因为金属切削过程是一个非线性问题，具有连续性和动态性特征，在Deform 3D中对于刀具和工件的网格划分不同也将会导致误差产生，在仿真切削过程中一些单元可能被挤压或变形，严重影响切削精度，导致计算过程不收敛，也会产生误差。

从表1可以看出，考虑到实际切割中材料的失效和摩擦条件非常复杂，误差在8%以内，所以模拟结果是可以接受的。Deform 3D模拟在理想条件下，实际加工过程中存在各种影响因素，可以看出实验值和切削力模拟值存在一定的误差。但总体误差很小，在可接受的范围内。

从图2可以看出，当刀具开始切削工件后，切削力开始比较小，随着时间的增加不断增加，到了一定时间后才会达到稳定值，数值在一定范围内也存在不断波动情况，这与在实际试验中利用测力仪所获取的图表变化趋势是一致的。

4 结语

文章以CAE仿真软件Deform 3D为研究平台，根据有限元法对304不锈钢的切削加工过程进行建模和仿真。同时采用正交试验法对304不锈钢进行车削加工试验，并对试验结果和有限元仿真模拟结果进行了对比分析，为实际生产工艺选择参数提供合理的参考和理论指导。

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