齊 康,閆 昊,陳祥瑤
(1.臨沂市農(nóng)業(yè)學(xué)校,山東 臨沂 276600; 2.魯南技師學(xué)院,山東 臨沂 276000; 3.臨沂市技師學(xué)院,山東 臨沂 276000)
切削過程是一個刀具和工件相互作用的復(fù)雜工藝過程,在此過程中涉及到彈性形變、塑性形變、摩擦等因素,切削的質(zhì)量受到諸如刀具形狀、切屑流動、溫度分布等因素的影響,利用傳統(tǒng)的解析方法很難對切削機理進行定性和定量的分析[1]。計算機技術(shù)的高速發(fā)展使得利用有限元分析軟件來研究切削過程以及各種物理參數(shù)之間的關(guān)系成為可能。ABAQUS是一種大型有限元分析通用軟件,在處理彈塑性大變形及與溫度有關(guān)的材料性能等非線性問題上有著它獨特的優(yōu)勢。本文基于材料形變的彈塑性理論,采用剪切失效和單元刪除方法作為切屑分離準則,利用ABAQUS有限元軟件,對不同摩擦狀態(tài)下的切削過程進行數(shù)值計算和仿真,并對切削過程中的切削力、切屑形狀和應(yīng)力分布進行了分析。
利用ABAQUS有限元軟件分析時的基本假設(shè)如下:①切削模型中的刀具是剛體且鋒利;②被加工對象的材料是各向同性的;③不考慮刀具和工件在切削過程中的振動;④在切削過程中,切削厚度不變,采用平面應(yīng)變來分析。
采用剪切-滑移摩擦模型來描述刀具與工件相接處面的摩擦狀態(tài),剪切應(yīng)力的計算公式為:
(1)
其中:τmax為極限剪切應(yīng)力;μ為滑移區(qū)的摩擦因數(shù);σn為接觸正應(yīng)力。
根據(jù)工件-刀具接觸處摩擦狀態(tài)的不同,分為如表1所示的幾種摩擦情況。
本文研究的2A12鋁合金材料在高速切削狀態(tài)下很短時間就會發(fā)生彈塑性變形,并伴隨著高溫、高應(yīng)力和應(yīng)變等現(xiàn)象[2],可以采用Johnson-Cook模型綜合考慮應(yīng)變、應(yīng)變率、熱軟化等因素對工件的影響,其本構(gòu)模型可以表達為:
(2)
表1 工件-刀具接觸處的不同摩擦情況
2A12鋁合金材料的本構(gòu)模型參數(shù)值見表2 。
表2 2A12鋁合金的材料本構(gòu)模型參數(shù)值
本文采用Johnson-Cook剪切失效損傷演化模型作為切削材料損傷的準則[3],當材料的失效參數(shù)大于1時,材料失效;當所有積分材料都失效時,該單元從網(wǎng)格中脫離。時效參數(shù)ω的表達式為:
(3)
(4)
圖1為利用ABAQUS軟件模擬二維工件與刀具建立的正交切削模型,工件尺寸設(shè)置為5 mm×4 mm,刀具材料為硬質(zhì)合金。由于刀具的硬度遠比工件硬度高,因此在建模時把刀具看成剛體,刀具的前角為10°、后角為9°,刀具的進給速度為0.25 mm/r、切削深度為0.3 mm、切削長度為5 mm。在加工開始之前,需要對工件進行約束,根據(jù)實際加工約束狀態(tài),在ABAQUS軟件模型中限制工件在X方向和Y方向的移動。
分析得到了不同摩擦因數(shù)情況下的等效應(yīng)力云圖, 如圖2所示。
圖1 工件與刀具二維正交切削模型
圖2 不同摩擦因數(shù)情況下的等效應(yīng)力云圖
由圖2可知:等效應(yīng)力主要集中在刀尖和第一變形區(qū),工件材料在第一變形區(qū)受到嚴重的塑性變形,從而形成切屑,塑性流動在切屑的起始部分達到最大值,且向兩邊逐漸減少;在切削過程中,當?shù)毒?工件處于干摩擦和有潤滑狀態(tài)時(圖2(a)~圖2(c)),工件的切屑呈現(xiàn)崩碎狀,這種切屑容易飛濺傷人并產(chǎn)生微振現(xiàn)象,造成刀具切削刃負荷過大,影響刀具使用壽命;當工件-刀具接觸區(qū)處于較好潤滑狀態(tài)時(圖2(d)),工件的斷屑呈現(xiàn)C形,這種斷屑不會纏繞在工件或刀具上,一般不會傷人,是粗車中比較理想的斷屑,良好的潤滑有助于改善切削環(huán)境,增加刀具的使用壽命。
圖3為不同摩擦因數(shù)情況下的切削力變化曲線。由圖3可知:在切削過程中,切削力迅速由零增大到某一數(shù)值,并在切削過程中有一定的振動,這說明在切削起始階段,工件主要發(fā)生彈性變形,刀具對工件的作用力逐漸變大,隨后進入塑性切削,切削力有所下降,材料軟化并脫離工件;隨著摩擦因數(shù)的降低,切削力明顯減小 ;干摩擦情況下,切削力最大,當在有潤滑狀態(tài)時,切削力有所下降,在良好潤滑狀態(tài)下,加工過程中的切削力最低??傊谇邢鬟^程中,如果工件-刀具的接觸表面處于良好潤滑的狀態(tài),切削力會大大降低。
本文利用有限元軟件ABAQUS,采用高速變形條件的Johnson-Cook材料模型和斷裂準則,模擬刀具切削2A12硬鋁的切削過程。得到了工件-刀具在不同摩擦狀態(tài)下對切屑形成、等效應(yīng)力分布和切削力的影響,當處于良好潤滑狀態(tài)時,刀具的切削力會大大降低,切屑會得到良好的改善。本文的研究為機械加工過程中采用合理切削液,保證工件-刀具接觸處的良好摩擦狀態(tài)提供了借鑒和參考。
圖3 不同摩擦因數(shù)情況下的切削力變化曲線
參考文獻:
[1] 劉加富,張洪才.基于ABAQUS的二維金屬切削有限元分析[J].機械設(shè)計與制造,2006(10): 68- 70.
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[3] Zorev N N.Inter-relationship between shear processes occurring along tool face and shear plane in metal cutting[C]//International Research in Production Engineering.New York:ASME,1963:42-49.