基于Deform的切削加工有限元仿真分析.pdf

第5期(总第180期
机械工程与自动化
2013年10月
MECHANICAL ENGINEERING & AUTOMATION
Oct
文章编号:1672-6413(2013)05-0045-03
基于 Deform的切削加工有限元仿真分析
梁宇红
(山西大学工程学院,山西太原030013)
摘要:采用有限元软件 Deform仿真整个车削加工过程,分析在加工过程中的重要参数因素,进而为实际的
车削制定合适的加工参数。模拟结果表明,正常切削时,刀具上的载荷在某一个平衡值附近来回波动,而切
削热主要集中在切屑中,及时去除切屑,可以大幅度地降低工件的温度。
关键词:切削加工;仿真;有限元
中图分类号:TG506:TP391.9文献标识码:A
0引言
的影响,如果在模拟时对切削力和温度的变化进行认
在切削过程中,如何选择合理的刀具,避免刀具的真分析,找出影响这些变化的因素,便能在实际的加工
浪费,已成为众多学者研究的课题。美国肯纳公司曾切削过程中更好地指导生产,选择更合适的机床和刀
经对刀具的使用情况做过调査,结果令人吃惊:在美国具,避免造成浪费。
制造业当中,能够正确选择刀具的概率小于50%,刀1.2参数的设定
具仅仅发挥了38%的功效,造成了巨大的浪费。本文
在切削模拟过程中,选择 Deform材料库中的
将以车削过程为研究对象,采用 Deform有限元软件,AIS1045作为工件材料,这种材料的主要成分及物
对整个加工过程进行仿真模拟运算,对切削加工过程理性能与45钢近似,工件材料为塑性材料,而刀具材
中材料应力、切削温度等进行分析,找出对车削过程有料采用硬质合金WC,设置为刚性材料。两种金属材
影响的一些主要参数,进而指导实际的加工过程
料的物理性能见表1,二者的热交换率都设置为
模型的建立及参数设置
45000W/(m2·K),剪切摩擦系数为0.6,在车削模
1.1模型的建立
拟加工中,摩擦系数对刀具的磨损和工件的加工影响
模拟结果数据的准确度受刀具几何形状的直接影非常大,是建立边界条件的重要参数
响,为了得到更加精确的数据,本文借助于三维建模软
模拟中划分的网格数将影响计算结果的精度和计
件UG完成刀片、工件的几何建模,并将完善后的模型算规模的大小,网格数较少时适当增加网格数量,计算
导入仿真软件 Deforn中,图1为 Deform环境下车削
rm环境下车削精度得到明显的提高,且计算时间不会大幅度增加;网
加工模拟示意图。在实际加工过程中,影响车削加エ格数增加到一定程度后,若再继续增加,不仅计算时间
的因素多,作用机理非常复杂,需找出其中起主导作用倍增,而且精度提高受限。经过反复验证,网格数量划
的因素,因此,建立仿真模型时需要对其进行理想化或分设为3000。在车削过程中,刀尖和工件的接触部
简化处理。
位应力、应变以及温度变化集中,其他部位变化不大。
在保证精度的情况下,为了减少计算时间,尽量减少网
格的数量,在工件和刀具的接触部位网格密度划分得
稠密些,其他部位相对稀疏点。进行有限元仿真计算
过程中还可采用网格重划技术,来避免由于网格畸变、
退化导致的计算结果严重失真或不收敛,对于局部变
形可以通过网格细分技术保证计算精度。
图1 Deform环境下的车削加工模拟示意图
2模拟仿真
在加工过程中,刀具的磨损受切削力和温度变化
在仿真过程中将切削速度设置为250mm/s,切削
收稿日期:2013-03-22;修回日期:2013-04-22
作者简介:梁宇红(1985-),女,山西昌梁人,助教,硕士,主要研究方向为机电子工程。
兔ww. Wye ULU,con
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机械工程与自动化
2013年第5期
厚度设置为0.3mm,然后定义环境温度等参数,进行从图5也可看出,切削产生的热量主要集中在刀尖部
仿真运算,分析运算结果。
位,其他部位温度变化不大,由于刀具的温度主要是靠
表1工件及刀具的物理性能
刀尖处的刀屑来传递的,可只对这一部位的温度进行
材料
弹性模最
泊松比
热传导率
比热容
分析。加工过程中如果能将产生的切屑及时移走,将
Gpa
W/(m?K)」J/(kg?K)
会大幅度地降低工件、刀具的温度,从而提高刀具的使
AISL-1045
不考虑
随温度变化
用寿命,提高加工质量。从整个模拟结果来看,工件的
WC
680
0.25
59
15
最高温度接近330℃,然后基本达到平衡状态,变化很
2.1应力分析
小,而刀具的温度要比工件低100多度
在金属切削过程中,切削力的大小直接影响刀具
的使用寿命和工件的加工质量,切削力包括克服被加
工材料变形时产生的弹性和塑性变形抗力、克服切屑
对刀具前刀面的摩擦力以及刀具后刀面与加工表面和
已加工表面之间的摩擦力。
传统的受力分析大多采用简化的理论公式加大量
试验方法来确定,而采用三维分析不但可使分析结果的
5.88
11.80
t/a
精度得到提高,更能节省大量的时间。图2为仿真得到
图3主切削力随时间的变化曲线
的应力分布云图。从图2可以看出,在刀尖和工件的接
触部位应力最大,向外沿区域呈逐渐减弱的趋势。由此
可知刀具破坏的主要形式为刀尖和刀刃破坏,这与实际
加工中刀尖部位容易崩刃是相符的。通过对应力云图
的分析,可更好地了解刀具的破坏情况,针对不同的工
件材料选择强度不同的刀具,避免刀具的浪费。
5.88
11.80
t/ms
Stress-effective/MP
图4切削中工件温度变化
000
图2应力分布云图
图3为主切削力随时间的变化曲线。从图3可以
看出:随着刀具切削的进行,主切削力迅速增加,在开
始很短的时间内就可以升到一个很高的数值,之后随
图5工件温度分布云图
着切削的进行,切削力变化不大。将模拟中的切削力
调整刀具刃区的参数,适当增大刀具前角,而不改
数据处理后结果为1.03GPa,而将经验数据代入单位变刀具其它参数和模拟加工参数,进行模拟。图6为
切削力经验公式的计算结果为1.25GPa。由此可以调整参数后工件和刀具的温度变化趋势图。从图6中
看出模拟结果相对经验公式有一定误差,这是因为刀可以看出,在车削过程中,工件和刀具的温度都比参数
尖进行切削时使连续的网格尺寸离散化,加剧了刀尖调整前下降了很多,可见刃区的参数对加工温度的影
的几何形状不规则程度,导致模拟出的结果有一定的响很大。因此在满足加工强度要求的情况下,可以适
误差,但这个误差在可接受的范围内,同样可以通过细
当地增大刀具前角,来降低加工过程中的温度。
分网格来减小误差。
2.2温度分析
29
在整个模拟过程中,考虑了刀具和工件的摩擦、工2m
件的塑性变形等引起的温度变化。切削中工件的温度
鸚56.8
38.
变化如图4所示。从图4可看出,由于刀具切入工件
88,5
后,机械能迅速转变为热能,故工件的温度升高很快,
0
6