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高速切削刀具参数的分析研究 摘要 高速切削因具有优质、高效、低耗等优势而受到广泛应用，成为制造加工领域发展 的最主要方向之一。高速切削因受到机床、刀具、工件、切削用量、加工工艺等各方面 的限制，加上高速加工环境恶劣，加工过程复杂，导致很多高速加工机床都没能充分发 挥出高速切削的特点。其中刀具参数直接影响切削加工，合理选择和改进刀具参数对提 高高速切削加工性能是十分有必要的。本论文基于高速切削理论、有限元分析理论和热 弹塑性变形理论对高速切削刀具参数进行研究，研究结论将用于为高速加工用户提供合 理的刀具参数，避免机床颤振，提高精度保持性，提高刀具的使用寿命和加工质量等。 应用d e f o r m 分析软件对高速切削加工有限元建模和数值仿真模拟的关键性技术 进行分析和研究，建立了高速加工过程中切削变形区在正交切削和斜角切削条件下的刀 具切屑接触面、刀具工件接触面及剪切区的应力场、温度场数值分布模型，得到高速 切削条件下不均匀热力耦合强应力场、温度场的主要特征及分布规律。在切削加工中， 刀具是连接机床与工件的直接载体，其切削性能的好坏对加工结果会产生最直观的影响， 具体表现在切屑流向、已加工表面质量、刀具寿命、加工效率等方面。由于高速切削时 切削温度很高，材料的热学性能( 如耐热性、熔点、抗氧化性及高温力学性能等) 成为 影响刀具耐用度的主要因素。切削刀具材料要有耐热性好、可靠性高、抗热冲击性能好、 力学性能高。本文通过试验对切削温度、切削力、刀具耐用度、已加工表面粗糙度等进 行分析，得到刀具对加工性能的影响规律，并应用多元回归分析法对基于切削用量的高 速切削力、刀具寿命和表面粗糙度数学预测模型进行了推导。最后，参考各切削参数对 加工性能的影响规律，建立了基于高速切削加工参数的多目标多约束优化模型，并采用 遗传算法优化工具箱和m a t l a b 软件对部分重要参数进行优化计算。 高速切削加工的过程是个复杂多变过程，刀具参数对高速切削加工性能的影响差异 很大，因此，切削加工时应根据不同的加工要求对刀具进行合理的选择和优化。 关键词：高速切削，刀具参数，数值模拟，刀具寿命 a n a i y s i sa n dr es e a r c ho fh i g hs p e e d c u t t i n gt o o lp a r a m e t e r s a b s t r a c t h i g h s p e e dc u t t i n gb e c a u s eo f t h ea d v a n t a g e so f h i g hq u a l i t y , e f f i c i e n t ，l o w p o w e rc o n s u m p t i o nh a sb e e nw i d e l yu s e d ，b e c o m eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n t m a n u f a c t u r i n gp r o c e s sd e v e l o p m e n t s i nt h ef i e l dd i r e c t i o n t h e h i g h - s p e e d c u t t i n gd u e t ot h el i m i t a t i o n so ft h em a c h i n e ，t o o l ，w o r k p i e c e ，c u t t i n gt h ea m o u n t o f p r o c e s s i n g ，c o u p l e dw i t hp o o rh i 曲一s p e e dp r o c e s s i n ge n v i r o n m e n t ，t h ep r o c e s s i sc o m p l e x ，r e s u l t i n gi nal o to f h i g h s p e e dm a c h i n e t o o l sf a i l e dt og i v ef u l lp l a y t ot h ea d v a n t a g e so fh i g h - s p e e dc u t t i n g h i g h - s p e e dc u t t i n gt o o li st h ek e yt o a c h i e v eh i g h - s p e e dp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , i n a p p r o p r i a t et o o lm a k e sc o m p l e x ， e x p e n s i v em a c h i n et o o l so rm a c h i n i n gs y s t e mu s e l e s s ，t h ec u t t i n gs p e e do f h i 曲一s p e e dc u t t i n g ，h i 曲一s p e e dp r o c e s s i n gl i n es p e e di sm a i n l ya f f e c t e db yt h e t o o ll i m i t ，b e c a u s ei nt h ep r e s e n tm a c h i n ec a l la c h i e v eh i g h s p e e dr a n g e ，t h e h i g h e r t h es p e e d ，t h ef a s t e rt h et o o lw e a r , s oar e a s o n a b l ec h o i c ea n d i m p r o v et h e t o o lp a r a m e t e r si sv e r yn e c e s s a r yt o i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fh i 曲s p e e d m a c h i n i n g t h i st h e s i si sb a s e do nh i 曲一s p e e dc u t t i n gt h e o r y , t h et h e o r yo ff i n i t e e l e m e n ta n a l y s i sa n dt h e r m a l e l a s t i c p l a s t i cd e f o r m a t i o nt h e o r yo fh i 曲- s p e e d c u t t i n gt o o lp a r a m e t e r ss t u d i e d ，t h er e s e a r c hf i n d i n g sw i l lb eu s e dt op r o v i d ea r e a s o n a b l et o o l f o rh i g l l s p e e dp r o c e s s i n go fu s e rp a r a m e t e r s ，t oa v o i dt h e m a c h i n ef l u t t e ri n c r e a s et om a i n t a i nt h ea c c u r a c ya n di m p r o v et o o ll i f ea n d p r o c e s s i n gq u a l i t y a p p l i c a t i o nd e f o r ma n a l y s i s s o f t w a r e ，f i n i t ee l e m e n tm o d e l i n ga n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ek e yt e c h n i c a la n a l y s i sa n ds t u d yo fh i 曲s p e e d m a c h i n i n g ，t h ed e f o r m a t i o nz o n eo fh i 曲- s p e e dp r o c e s s i n gc u t t i n gt o o l i n o r t h o g o n a lc u t t i n ga n do b l i q u ec u t t i n gc o n d i t i o n s c h i pc o n t a c ts u r f a c e t h es t r e s s f i e l do ft h et o o l - w o r k p i e c ec o n t a c ts u r f a c ea n dt h es h e a rz o n e ，t h et e m p e r a t u r e f i e l dd i s t r i b u t i o n m o d e l ，g e th i g h s p e e dc u t t i n gc o n d i t i o n s ，u n e v e nt h e r m a l m e c h a n i c a ls t r o n gs t r e s sf i e l d ，t e m p e r a t u r ef i e l dc h a r a c t e r i s t i c sa n dd i s t r i b u t i o n i nm a c h i n i n g ，t h et o o li st h ed i r e c tc a r r i e rt oc o n n e c tt h em a c h i n et o o la n dt h e i i i w o r k p i e c e ，t h ec u t t i n gp e r f o r m a n c eo fg o o da n db a do nt h ep r o c e s s i n gr e s u l t s w i l lp r o d u c et h em o s ti n t u i t i v e ，e m b o d i e di nt h ec h i pf l o w , a n dt h em a c h i n e d s u r f a c eq u a l i t y , t o o ll i f ea n dp r o c e s s i n ge f f i c i e n c y t h eh i g h - s p e e dc u t t i n g ，h i 曲 c u t t i n gt e m p e r a t u r e ，t h et h e r m a lp r o p e r t i e so ft h em a t e r i a l ( s u c ha sh e a t r e s i s t a n c e ，m e l t i n gp o i n t ，o x i d a t i o nr e s i s t a n c ea n dh i g ht e m p e r a t u r em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ，e r e ) t ob e c o m eo n eo f t h ei m p o r t a n tf a c t o r sa f f e c t i n gt h et o o ll i f e t h e r e f o r e ，h i 曲一s p e e dc u t t i n gt o o lm a t e r i a l s ，i na d d i t i o nt ob a s i cp e r f o r m a n c e w i t ho r d i n a r ym a t e r i a l s ，h i g hh e a tr e s i s t a n c ea n dt h e r m a ls h o c kr e s i s t a n c e ，g o o d m g ht e m p e r a t u r em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dh i 曲r e l i a b i l i t ya s s u r a n c e s i n g l e f a c t o rt e s ta n dm u l t i v a r i a t eo r t h o g o n a lt e s th i g h s p e e dm a c h i n i n gc u t t i n gf o r c e ， c u t t i n gt e m p e r a t u r e ，t o o ll i f e ，s u r f a c er o u g h n e s sa n dc u t t i n gs t a b i l i t ya n a l y s i s ，t h e c u t t i n gt o o l so fh i 曲一s p e e dp r o c e s s i n gp e r f o r m a n c e ，a n dm u l t i p l er e g r e s s i o n a n a l y s i sb a s e do nc u t t i n gt h ea m o u n to fh i g h - s p e e dc u t t i n gf o r c e ，t o o ll i f ea n d s u r f a c er o u g h n e s so fm a t h e m a t i c a lf o r e c a s t i n gm o d e l sw e r ed e r i v e d t h el a s t r e f e r e n c et ot h ei n f l u e n c eo fc u t t i n gp a r a m e t e r so nm a c h i n i n gp e r f o r m a n c e ， h i g h s p e e dm a c h i n i n gp a r a m e t e r s b a s e dm u l t i o b j e c t i v ec o n s t r a i n e d o p t i m i z a t i o nm o d e l ，a n dt h eg e n e t i ca l g o r i t h mo p t i m i z a t i o nt o o l b o xo f m a t l a b s o f t w a r et o o p t i m i z et h ec a l c u l a t i o no fs o m eo ft h ei m p o r t a n tp a r a m e t e r s h i g h s p e e dm a c h i n i n gi s ac o m p l e xa n du n s t a b l ec u t t i n gd e f o r m a t i o n p r o c e s st o o lp a r a m e t e r so i lt h ep e r f o r m a n c eo fp r o c e s s i n g ，s ot h ec u t t i n gs h o u l d b ear e a s o n a b l ec h o i c ea n do p t i m i z a t i o no ft h et o o la c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n t p r o c e s s i n gr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：h i g h s p e e dc u t t i n g ，t o o lp a r a m e t e r s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t o o l l i f e i v 高速切削刀具参数的分析研究 i 绪论 1 1 课题研究的背景与意义 高速切削( h i g hs p e e dm a c h i n i n g ，h s m ) 加工作为制造业中重要的一项先进制 造技术，越来越受到人们的关注。随着高速切削加工的广泛应用，高速切削不仅可 以加工复杂曲面，而且高速铣削( 也称为硬铣削，h a r dm i l l i n g ，h m ) 可以把复杂形面 加工得非常光滑，加工表面粗糙度值很小；浅腔大曲率半径的零件完全可用高速铣 削来代替电加工；对深腔小曲率半径的零件可用高速铣削加工作为粗加工和半精加 工，而电加工只作为精加工，这样可大大节约电火花和抛光的时间以及有关材料的 消耗，极大地缩短了加工周期，提高了加工效率，降低了加工成本。 本课题属于国家重大科技专项项目( d v g 8 5 0 高速立式加工中心) 的子项目之一，主 要对高速加工的刀具进行研究，从高速切削中切削力、切削热变化规律、刀具磨损的规 律、切屑的成型机理和对加工精度的影响研究，拟分析出影响高速切削加工的主要因素 及其变化规律；分析出刀具材料和几何参数、刀具工艺性等对切削力、切削热、刀具寿 命以及已加工表面质量的影响关系，并对部分参数进行优化计算，为刀具及工艺参数的 合理选择提供参考。本课题研究结论将用于为高速加工用户提供合理的合理的刀具参数， 避免机床颤振，提高精度保持性，提高刀具的使用寿命和加工质量等。 1 2 高速切削加工的特点 高速切削加工系统主要由高速加工中心、刀具夹持系统、刀具、热传导以及c a m 软 件系统等构成。随着高速切削加工技术广泛应用，科技的进步，高速具有如下优势： 1 2 1 热量低 由于高速切削是一种浅切削，进给速度大，工件和刀具刃口接触时间和长度较短， 从而减少工件和刀具刃口的表面热损伤，适用于加工易变形的零件；如图i - i ，a 是高速 加工的热传导过程，b 是以往加工的热传导过程。 图1 - 1 高速加工和传统加工的热传导图2 - 2 高速切削薄壁零件 f i g 1 1t h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yo f h i g h - s p e e dm a c h i n i n ga n dc o n v e n t i o n a lm a c h i n i n g f i g 1 2h i 曲s p e e dc u t t i n gt h i n w a l l e dp a r t s 陕西科技大学专业学位硕士论文 高速切削过程稳定性高，切削力小，能够加工出薄壁工件( 如图卜2 ) ，采用分层 顺铣的切削形式，工件和刀具刃口的接触时间缩短，使侧壁不产生变形，就能够加工出 壁高为2 0 r a m ，壁厚为0 2 m s 的薄壁工件。 1 2 2 效率高 高速机床加工可以进行一次装夹，完成所有已加工表面的粗加工和精加工，即 一次性过技术。高速加工的切削速度是常规加工切削速度的1 0 倍，进给速度约8 倍， 而可降低的成本达2 0 - - 一4 0 。，所以高速加工技术可省去手工修磨和电火花加工等工序， 加工路线大大缩短，生产率显著提高。 1 2 3 加工质量高 高速切削机床有精度高、刚性好等特点，而高速加工时由于变形小，产生的热量低， 切削力下降，加工过程稳定，切削条件好，能得到和磨削加工一样的表面粗糙度。 1 2 4 简化加工工序 高速切削加工利用一次性过的技术可以节省加工工艺，缩短加工时间，降低切削成 本。 1 3 国内外研究动态和水平 1 3 1 国外研究动态 当前国外对高速加工的研究还处于研究阶段，各国花费许多的财力和人力资源应用 于高速切削的机理研究。b a c h f w 【1 1 等通过高速切削过程中切屑形成的二维显微结构分 析，对高速切削过程中切屑变形区的特征进行了描述，应用透射电镜法研究得到高速切 削加工引起的变形最初表现为材料的不均匀位错结构。z h a n g h 1 2 】等通过正交切削铝合金 实验，研究刀尖前端材料的结构变形，并对变形材料局部位移场进行金相检测，提出了 确定刀尖前端材料塑性应变梯度的方法，运用变形角测量原理绘制等效应力分布曲线， 最终实现了铝合金正交切削加工中产生塑性应变梯度的定量评价指标。a a l t i n 3 】等采 用各种陶瓷刀具对镍基合金做了大量研究，得到刀具磨损的各种情况。通过对高速切削 的研究分析，高的切削速度是使切削变形区金属层产生高应变、高应变速率切削变形的 主要原因，也是使刀具与工件之间产生高速切削摩擦的重要因素之一。 1 3 2 国内研究现状 我国对高速切削的研究起步比较晚，主要以实际工程应用为目的，其研究水平多处 在理论和试验阶段。近1 0 年来，随着高速加工技术的广泛应用，各国对高速切削技术都 做了不同程度的研究工作，并取得了一定的研究成果，使得高速切削加工理论进一步深 入，极大地推动了高速加工技术的发展。在高速切削刀具研究方面：山东大学对各种不 同材料的刀具( 如z r n 涂层刀具、p c b n 刀具、高性能纳米陶瓷刀具等) 进行了对比研究， 高速切削刀具参数的分析研究 得到了不同刀具材料在高速铣削环境下的切削性能及刀具参数对工件加工表面完整性的 影响1 4 。 此外，我国山东大学和哈尔滨理工大学在高速切削数据库的建立和专家系统的开发 方面做了大量的研究。研究表明高速切削技术从切削原理上是对常规切削的重大突破， 在切削加工工艺安排、切削用量选择及刀具应用等方面都有很大的特殊性，因此形成系 统的高速切削理论以及建立标准化、实用化的高速切削数据库是我国未来主要发展方向。 在高速切削机理的研究方面，以加工精度、加工效率和加工零件表面完整性为目标，对 高速切削刀具参数和流程进行优化，这对指导高速切削生产、提高切削加工性能具有很 重要的意义。 1 4 课题主要内容 本课题以高速切削刀具参数为研究对象，采用理论分析、数值模拟与试验研究相结 合的方法对高速加工的部分切削机理进行研究，主要完成的工作有以下几个方面： ( 1 ) 应用有限元技术对高速切削加工过程进行数值仿真模拟，建立正交切削和斜角 切削时切削变形区不均匀热一力耦合强应力场和温度场模型，研究高速切削中切屑一刀具一 工件之间应力场和温度场的分布规律。 ( 2 ) 通过高速加工试验，分析高速切削刀具参数( 如刀具几何形状、刀具材料等) 对切削力、切削温度、加工表面粗糙度、刀具寿命等的影响规律，并应用多元回归分析 法对刀具寿命和表面粗糙度预测模型进行推导。 ( 3 ) 基于各刀具参数对加工性能的影响规律，建立高速切削加工参数优化模型， 并采用遗传算法和m a t l a b 优化工具箱对部分重要参数进行优化计算。 3 高速切削刀具参数的分析研究 2 高速切削加工的有限元建模 高速切削加工过程是一个非线性且不稳定的动力学系统，它的变化受到诸多因素的 影响，如机床、刀具、夹具、工件、冷却液等外部因素，以及切削用量、切削工艺等内 部因素。切削加工中，在“切屑刀具工件胗接触处形成一个不均匀的、变化梯度极大 的热力藕合应力场，具有弹性塑性变形大、热应力集中和摩擦复杂等特点。在切削加工 研究中，人们通过分析采用科学理论，建立更接近于实际切削加工过程的数学仿真模型， 以期望得到更加全面、精确的分析结果，但是，传统的解析方法很难对切削过程进行定 量分析，更无法求解复杂的数学模型。随着计算机技术的飞速发展，有限元技术被广泛 应用于复杂工程问题的求解中，有限元数值模拟技术是在吸收现代应用数学、热力学理 论和材料弹塑性变形理论的基础上，借助计算机仿真来获得满足工程要求的数值解，使 切削变形区的应力场、温度场等难以用测量技术获得的数据，通过有限元数值模拟实现 量化和可视化。采用数值模拟法分析复杂的工程应用问题，可直接借助电脑的运算速度 快、数值处理强的特点进行数值处理。近些年来，随着数值模拟技术的飞速发展，从产 品的设计一生产包装都要用到数值模拟技术进行虚拟开发和设计，这不仅大大缩短了 新产品开发周期，而且避免了样机生产等一系列昂贵的费用开支。 本课题对切削过程数值模拟主要采用的分析软件为d e f o r m ，结合高速切削的特点 和d e f o r m 软件在切削加工仿真方面的优势，主要对高速切削数值模拟中一些重要的 有限元分析准则和基础理论进行系统概述，分析切削过程中的材料流动准则、切屑断裂 与分离准则、接触面摩擦理论、网格划分技术等，同时还介绍了金属切削中非线性问题 的有限元描述方法及数值解法，为后续的有限元模拟分析和研究提供必要的理论指导。 2 1 建立有限元模型 在金属切削机理研究中常用的切削模型主要有两类：一类是直角切削模型，又被称 为正交切削模型( 如图2 1 所示) ，直角切削是指主切削刃与切削速度方向垂直，这时主 切削刃包含在基面内，主切削刃与基面的夹角即刃倾角地= 0 ；另一类是斜角切削模型( 如 图2 2 所示) ，斜角切削是指主切削刃与切削速度方向不垂直，这时主切削刃不包含在基 面内，主切削刃与基面的夹角即刃倾角地0 。直角切削与斜角切削最大的区别在于刃倾 角的大小，在实际切削加工过程中真正的直角切削( 即严格的平面塑性流动状态) 是很少 的，绝大多数都为斜角自由切削。 陕西科技大学专业学位硕士论文 图2 - 1 直角切削图2 - 2 斜角切削 f i g 2 1o r t h o g o n a lc u t t i n gf i g 2 - 2o b l i q u ec u t t i n g 应用有限元法对切削过程进行模拟主要是基于有限元分析理论、材料的热力学理论、 弹塑性变形理论等，常用的描述方法有三种：e u l e r 法、a l e 法和l a g r a n g e 法。 e u l e r 法是以物体所占空间的位置坐标来描述物体变化，研究的对象必须是某个特定 的空间域模型，材料的变形是根据空间网格的变化来计算的，通常在某一可控的体积内 对研究对象变形进行分析时，用e u l e r 法是比较合适的。由于切削加工中切屑的形状和 流动都是不规则的，分析过程中需要通过不断地调整空间网格来设定边界条件，模拟起 来存在一定的困难，精度不是很高。 l a g r a n g e 法是根据l a g r a n g e 力学模型建立的有限元分析方法，主要通过物体上点 的坐标变化来描述物体的变化，将物体的初始形态作为变化的参考模型，直接对研究对 象进行网格单元划分。应用l a g r a n g e 法对工件切削变形进行描述时，有限元网格点与工 件物质点始终是重合的，二者之间无相对运动。与e u l e r 法相比，l a g r a n g e 法对控制方 程的描述比较简单，对自由接口模拟的准确性高，且方便于随时更新分析中的物理场量。 a l e 法是三种方法中可靠性最好的有限元模拟法，但由于描述时需要考虑的物理量太 多，实现起来比较困难，在有限元分析中应用不是很广泛。 目前，对于金属切削过程的大形变模型应用l a g r a n g e 法来分析是比较理想的，在大 部分的塑性材料加工有限元仿真软件中采用的也都是l a g r a n g e 法，如d e f o r m ，但需 要注意的是，在采用l a g r a n g e 法对切削加工过程模拟分析时必须考虑到切屑的分离问题。 在有限元模拟研究分析中，有限元方程是反映变形体内部物理量与外部载荷之间变 化关系的重要参考标准，若要准确地模拟高速切削过程，就应该建立相应的有限元方程， 而模拟的过程主要是一种非线性的边界求解问题，既包括物理非线性的，又有几何非线 性的，公式( 2 1 ) 为应用l a g r m a g e 法建立材料变形的单元平衡方程： 、6 ts c r d v 一6 p tf=q(2-1) 式中： 6 高速切削刀具参数的分析研究 卜应变； 胪川移； 卜应力； f _ 外加载荷( n ) 。 在式( 2 1 ) 中，如果占是的非线性函数，则为几何非线性问题；如果o r 是占的非 线性函数，即为物理非线性问题，又称材料非线性问题。本文在金属切削加工的模拟研 究中，主要考察的是材料弹塑性变形时的应力应变关系，属于物理非线性问题范畴。 2 2 建立材料的应力模型 通过研究发现，在实际的金属切削加工中，由于受高温、高应变及大应变速率的影 响，工件材料在切削区的应力状态并非只是简单的受单向应力作用，而是正应力与剪应 力同时存在的复杂应力状态，其行为是非线性的，因此在模拟高速切削加工过程时，需 要综合考虑各方面因素对工件材料流动应力的影响，才能用准确的流动应力模型表现工 件材料的本构特性。在金属切削模拟研究中，用来描述材料流动应力特性的本构模型有 很多，其中以j o h n s o n - c o o k 经验模型应用最为广泛，如公式( 2 2 ) 所示。不同的工件材 料，其流动应力模型不一样，通常需要由h o p k i n s o n 动力学高温压缩试验来获得。 仃= c 彳+ 曰占”，lt + c h ( 丢) l ( 1 一于m ) ( 2 - 2 ， 式中： 占等效塑性应变o o r nm i s e s 流动应力； 叠如相对等效塑性应变率； ， 于无量纲温度，且于= 仃一r o ) ( r 一瓦) ，其中r o 、t 、乙为常温、切削温度和 材料熔点。 j o h n s o n c o o k 模型同时考虑了切削过程中应变硬化效应、温度软化效应、应变率效 应等对材料流动应力的影响，能够反映出大应变、高应变率和高温条件下的材料本构特 征，适合不同的材料参数研究。目前大部分的通用有限元建模工具以及许多切削加工专 用软件都集成有j o h n s o n - c o o k 模型的输入接口，并且建有常用材料数据库供用户选择。 如在d e f o r m 的材料数据库中包含有1 5 0 多种材料的基本特征数据，若需要自定义材 料的属性及特征，用户可以根据材料的本构关系自行计算出流动应力数值，并添加到自 定义材料数据库中供随时调用，既方便也实用。图2 3 为d e f o r m 软件材料数据库中对 4 5 # 钢进行流动应力编辑的可视窗口，其中右边为参数编辑模块，通过修改温度、应变和 7 陕西科技大学专业学位硕士论文 应变率等可以得到不同流动应力模型，而左边的流动应力曲线反映的是在特定温度下应 变速率与应力应变函数的对映关系i5 1 。 圜霞露 l 51 1 2 1i “m 1 2 2 2 ”， l l 5 l z ”1 2 7 4t 5 1 ，5l1 2 2 s r l 墨i ，7i 卜- - + 一一一 i ，l i 0 5 ：1 2 ；0 l 1 ) 2 t ” p 叶一一 25i1 1 , z 4 21 1 0 4 ；i 心“ 卜_一一毒一上 i ll1 2 5 7l5 1 $ 2 4 讳i 鼍l4 1 。 - - - 一一一r 一一一 i ，li ：i i +l i i k $ 7 g1 1 1 7 4 “ r _ 1 。丽矿i _ 五百i 磊再产 l ! li 图2 - 3d e f o r m 的流动应力编辑窗口 f i g 2 - 3f l o ws j 弛s se d i tw i n d o wo fd e f o r m 2 3 切屑的形成 切削加工过程是一个工件材料因连续挤压断裂以及切屑不断分离的过程。当切削层 金属受到前刀面挤压时，在与作用力大致成4 5 。角的方向上剪应力的数值最大。当剪应 力的数值达到材料的屈服极限时，将产生滑移，刀具再继续前进，应力进而达到材料的 断裂强度，切削层金属被挤裂，并沿着刀具的前刀面流出而形成切屑。在应用l a g r a n g e 方法的对切削加工进行模拟分析时，最主要缺陷就是需考虑材料的断裂与分离问题。在 对材料的断裂与分离过程进行模拟时，断裂与分离准则的选择是非常重要的。 2 3 1 材料断裂准则 应用有限元模拟分析的材料断裂准则有很多，其中大多只适用于材料局部变形破坏 的预测( 如材料的锻造、冲压、热处理等) ，这些准则是建立在材料的弹性形变基础上， 而对塑性区的变形只局限在裂纹的尖端，应用这些准则虽然可以得到一些结论，但这些 结论并没有从理论上反映材料的实际形变过程，因此是有局限性的。切削加工过程中， 工件材料发生的破裂或断裂行为主要以塑性变形为主，均属于宏观断裂行为，不能完全 囤 高速切削刀具参数的分析研究 用这些标准来进行分析。对于切削过程的模拟，所选择的断裂准则必须具有广泛的适应 性，要能准确、合理地模拟各种断裂现象。 目前，材料切削加工模拟分析中常用到的断裂准则有三个，即r i c e & t r a c y 准则、 m c c l i n t o c k 准则、c o c k r o f t & l a t h a 准则。在d e f o r m 软件里对每一种材料断裂准则都 有详细的描述和评价标准，如公式( 2 3 ) 为c o c k r o f t & l a t h a 断裂准则的具体描述情况【6 】： 甏，特云一c t ( 2 - 3 ) 式中： 彦最大应力，若最大主应力吼0 ，彦= 吼，若吼 0 时，彦= 0 ； 万等效应力； 云等效应变； 占，材料断裂时的应变； c ，- 材料的屈服临界值，多由拉伸试验获得。 材料切削加工模拟分析时，c o c k r o f t & l a t h a 将试验分析得到的材料性能与发生断裂 需要的能量建立起一一对应关系，然后通过设定临界能量值和建立判别关系式来预测材 料的断裂情况。 2 3 2 切屑分离准则 材料的切屑分离主要有物理分离和几何分离两大准则，其中物理分离准则主要基于 制定的一些物理量( 如应力、应变和应变能等) 是否达到临界状态来判断分离与否，当研 究单元中所选定点的物理量超过给定材料相应物理临界值时，即认为单元节点分离；而 几何分离准则是通过预设节点的位移变化来判断切屑的分离，图2 - 4 为切屑几何分离过 程示意图，d 是刀尖和节点b 的距离，随着刀具向前运动，当d 小于或等于临界值d 0 时， 两单元沿着默认的分离线a b 分开，工件材料自动重新划分网格实现单元e 1 和e 2 的分离。 在高速切削过程中，切屑从工件中分离就是一个瞬间过程，当刀尖靠近节点b 时侯，切 屑马上从工件上分离出来，所以对临界距离d o 应当合理选择，既不能太大，也不可过小。 通过模拟分析经验总结，d o 的推荐范围为d o = ( 0 0 1 0 0 3 ) l ，l 是单元网格长度。 切屑几何分离的准则因为不能及时准确反映加工过程的变形，对复杂的切削加工过 程来说，由于模拟效果不是很准确，一般采用物理分离准则对金属切削加工进行有限元 模拟能更接近于实际情况。 9 陕西科技大学专业学位硕士论文 ( a ) ( b ) 图2 - 4 切屑几何分离过程 f i g 2 - 4c h i pg e o m e t r i cs e p a r a t i o np r o c e s s 在d e f o r m 软件中，加工过程中切屑的分离可以通过网格的自动重划分功能来实现， 从而更有效地模拟切屑的形成过程，求解时间短，模拟结果较为准确。因此，结合d e f o r m 软件的自适应网格划分特性，本课题选用基于应力变化为判断标准的c o c k r o f t & l a t h a 切屑分离准则，根据刀具最前端的材料单元节点是否达到临界值来判断该节点是否分开。 2 4 切削过程的摩擦分析 高速切削加工有限元模拟结果的准确与否主要受工件材料流动应力模型和刀具与工 件接触面的摩擦特性两方面的影响。由前面分析可知，当采用高温变形实验和大应变速 率建立切削材料的本构关系时，可以有效地降低材料流动性对有限元模拟结果的影响。 在切削加工模拟时，切屑刀具工件之间主要存在两对摩擦副：即刀具切屑摩擦和刀具 工件摩擦，其中刀具切屑之间的摩擦对切削热、切屑流向以及刀具磨损都会产生很大的 影响，而刀具工件之间的摩擦则直接影响着工件残余应力和加工表面质量。 为了寻求一种适合于描述刀具切屑之间真实摩擦状态的摩擦模型，人们做了大量的 研究工作。根据z o r e v 7 的分析，在刀具切屑接触面上刀具的摩擦主要可分为粘结和滑 动两个区域。在粘结摩擦区，摩擦剪应力f 不因主应力的改变而变化，而是始终保持在 较小的范围内波动，因此该区域的摩擦应力不适合用库仑摩擦定律来进行求解；而在滑 动摩擦区，摩擦系数u = r 盯为定值，摩擦剪应力f 与正应力仃的变化趋势是一致的，适 合用库仑定律求解。由此可得，在粘结摩擦区域，摩擦剪应力f ，是不变的；而在滑动摩 擦区域，摩擦系数是不变的，因此，刀具前刀面上的摩擦剪切应力可由下面的公式计 算： 式中： 弓= 弓， o = q ；， l o 当吒勺，o x 乞 当吒 勺，名 x 之 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 高速切削j 具参数的分析研究 正应力； f - 摩擦剪切应力； 摩擦系数； f ，工件材料的剪切屈服强度。 2 5 切削过程的网格划分 切削过程的网格划分是进行有限元模拟分析中重要的一环，通过网格划分技术，工 件和刀具被离散成许多细小的网格单元，单元与单元之间通过节点连接在一起，常见的 有限元网格单元有一维杆元及集中质量元、二维三角形、四边形元和三维四面体元、五 面体元和六面体元，边界形状主要有直线型、曲线型和曲面型等。 高速切削加i 中，随着刀具的进给，刀尖位置的工件节点坐标开始依次变化，部分 网格发生变形，或压扁或扭曲，这些网格单元的畸变和退化，会对求解结果会产生很大 的影响。另外，当网格发生畸变时，刀具网格单元会与工件网格单元发生重叠，如图2 5 所示，这显然是与实际切削情况不符的。因此，为了保证计算精度，防止出现不合格的 单元形状，网格划分时都会有相应的准则和算法来约束。如在d e f o r m 软件中就提供 了4 种网格重划分准，在切削模拟过程中动态地实现网格的再生成。 图2 5 切削加工中刀具与工件的网格嵌入 f i g 2 5t h em e s he m b e d d i n gb e t w e e nc u t t i n gt o o la n dw o r k p i e e e 陕西科技大学专业学位硕士论文 ( b ) 图2 - 6 自适应网格调整示例 f i g 2 - 6t h ee x a m p l eo fa d a p t i v em e s ha d j u s t m 蚴t 图2 - 6 为d e f o r m 2 d 进行网格自动调整的切削模型。在切削加工模拟时，随着刀 具的进给，刀尖区域的网格划分会自动加密，其它区域的网格则相对稀疏，这是由于 d e f o r m 的动态网格自适应技术在有限元模拟时会自动把密集的网格集中在切削变形 最主要的区域，这样既能有效地减少网格单元划分的数量，提高计算机的处理速率，又 能通过重新生成新网格来及时阻止模拟过程中部分单元的畸变，保证切削过程的顺利进 行，提高求解精度。在每一次网格重划分完成后，系统都会对所有网格单元按一定的标 准进行检测和处理，然后重新生成计算的数据文件。 2 6 切削过程的有限元数值解法 2 6 1 有限元分析的求解方法 切削过程的有限元求解对象主要是材料非线性问题和几何非线性问题两类，无论对 哪一类问题的求解，在通过离散变换处理后，最终都可归结为非线性方程组的求解。由 现代数值分析理论可知，非线性方程组的求解方法通常有直接迭代法( 逐次逼近法) 、载 何增量法、牛顿拉斐逊( n e w t o n r a p h s o n ) 法以及修正的牛顿拉斐逊法( 又称初始刚度法) 1 2 高速切削刀具参数的分析研究 等，而在d e f o r m 软件中对非线性方程组的求解多选用的是牛顿拉斐逊法和修正的牛顿 拉斐逊法。 应用牛顿拉斐逊法求解时，只要按照新的迭代位移去替换方程组中的系数矩阵，然 后再进行分解，牛顿拉斐逊法最大的优点在于迭代求解的收敛性比较好，如图2 7 所示。 而修正的牛顿拉斐逊法只是在每个增量步开始时才重新更新并分解系数矩阵，这样每次 迭代的求解时间比较少，计算速度快，就节省了大量的计算时间。但修正的牛顿拉斐逊 法的缺点就是收敛性相对较差，收敛速度慢，如图2 8 所示。 弓 b b e tu tb l 图2 7n e w t o n - r a p h s o n 迭代法 f i g 2 7n e w t o n r a p h s o ni t e r a t i o nm e t h o d 2 6 2 非线性迭代的收敛准则 p 图2 - 8 修正后的n e w t o n - r a p h s o n 迭代法 f i g 2 8m o d i f i e dn e w t o n - r a p h s o ni t e r a t i o nm e t h o d 对于非线性问题的求解来说，收敛准则是一个非常重要的因素，一个好的收敛准则 不仅可以保证计算结果的准确性，还能有效地减少迭代次数，缩短求解时间。切削过程 的有限元模拟中可用的收敛准则有很多，以d e f o r m 软件为例，该软件主要采用的是 位移判据和不平衡力判据。 ( 1 ) 移位判据 l i g 件。0 g o i 旧，+ g ，+ ，0 ( 2 6 ) 式中： 慨8 某一特定范数； g o 位移收敛容差，一般可取0 0 0 1 吼0 0 0 5 。 ( 2 ) 不平衡力判据 敞，) = 忙) 一亿)( 2 7 ) 式中：