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第5 8 卷第1 期 2006 年2 月 有色金属 N o n k r r o u sM e r a l s V o l ‘5 8 ,N O l F e b r u a r y 20u6 刀具磨损对工件质量影响的仿真分析 董兆伟1 ,刘胜永2 ,万晓航3 ,张以都1 1 北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京1 0 0 0 8 3 ; 2 河北师范大学职业技术学院,石家庄0 5 0 0 3 1 ;3 河北工业职业技术学院机电系,石家庄0 5 0 0 9 1 摘要采用有限元分析方怯。建立二维金属切削仿真模型,年1 J 用网格自适应准则,以不同圆弧毕径的铣刀,模拟典型零件二 维切削过程中切屑的形成.已加工表面的切削力和残糸应力分布状况。结果表明。刀刃钝圊半径越小,刀尖越锋利.但是磨损鞍 快.切削力程佳增加。刀刃钝哑半径增大,切削刃工作长度增加,机床负荷增加,易引起振动影响表面加工质量。残余应力分布在 工件表面以下的01 5 r a m 以内很薄的金属层,这对于厚度较小的薄壁件加工后的变形有徂大的影响。仿真结果对于工程中的宴 际应用具有重要的意义。 关键词材料合成与加工t 艺;切割加工;有限元;甘j 割力;同{ 鑫重匐J 分;残余应力 中田分类号T G 5 0 11 ;T G l 4 62 1 ;T P 3 9 1 .9 文献标识码文章编号1 0 0 1 0 2 t 1 2 0 0 6 o l0 0 5 6 一0 4 随着现代产品质量、性能的不断提高,特别是在 军事、航空、航天等领域.大型整体结构件在产品制 造中得到了越来越多的应用u oJ 。大多航空整体 结构件通常由拉伸件经切削加工而得到,切削加工 后零件精度直接影响着产品的性能。影响零件加工 精度的原因大致可分为工件材料去除后,工件内部 残余应力的平衡被破坏,应力重新分布产生变形;切 削时切削刀具对工件的剪切和挤压作用,使工件表 面产生新的残余应力;工件在切削加工时表层金属 在切削热作用下发生相变,金属内部晶格变化不均 产生残余应力。下面的模拟讨论主要针对后两者刀 具磨损对工件的作用。 ..● 1材料的非线性有限元理论L 4 j 金属切削过程是一个非常复杂的非线| 生问题, 它经历了材料的弹性变形、塑性流动、强化和断裂阶 段。因此对金属切削的有限元分析要考虑到其屈服 准则,流动法则和硬化法则,通常采用V o n M i s e s 屈服准则来判断初始各向同性材料内某一点是否开 始进入塑性流动状态,其表达式见式 1 。 [ 口1 一a 2 2 十 口2 一口3 2 印一d 1 2 ] /6 一d /3 收稿日期2 0 0 5 0 9 1 0 基盒项目国防基础科研资助项目 4 1 8 0 1 0 6 0 1 6 ;河北省教育厅 科研资助项目 2 8 4 2 2 4 0 ;河北省科技厅科研资助项目 0 5 2 1 2 1 0 5 D 作者简介董兆伟 1 9 6 7 一 .男,石家庄市人.教授,博士生,主要从 事数控加工技术和盒属切削加工过程计算机仿真等方 l 矗『的研究。 0 1 式中吒一材料屈服应力;巩一材料三个方向主应力 i 1 ,2 ,3 。 用V o n M i s e s 流动法则判断塑性应变分量在 塑性变化时的大小和方向,即式 2 。 d £0 积’a Q /而。 2 式中d E 一塑性应变增量;d 2 一塑性增长系数;Q 一表达应力状态和塑性应变的塑性势函数㈣,一应 力分量。 随着塑性变形的发展,其后继屈服函数可用多 线性等向强化准则来描述.见式 3 。 口; £p 3 2 ‘5 v 5 u 3 式中略一等效塑性应变e 。的函数搏,一偏斜应力张 量分量。 图1 计算机仿真分析流程 F i g .1 S i m u l a t i o na n da n a l y s i st l o w s h e e t 万方数据 第1 期董兆伟等刀具磨损对工件质量影响的仿真分析 5 7 2有限元分析流程 3 3 切屑形成分离控制 利用M S C .M A R C 软件建立加工零件的弹塑性 模型,通过连续体的结构离散化来计算模拟分析铣 削加工产生的残余应力,基本流程如图1 所示。 3 切削加工的有限元模型 当刀具对工件进行切削时,切削层的金属开始 发生压缩和剪切变形,材料的变形行为是非线性的, 因此正确建立加工的有限元模型是模拟金属切削成 功的关键。 切削过程中,刀具的硬度比工件的硬度要高很 多,假定刀具为理想刚性体。因为切削刃在摩擦、热 和化学作用下会很快磨损,所以刀具理想锋利刀刃 并不存在,一般刀具切削刃钝圆半径为0 .0 1 ~ 0 .I m m “ 】,假定刀刃在切削过程中均匀磨损,不存 在崩刃等非正常破损情况。 3 .1 模型初始周格划分和边界条件的定义 采用热力耦合,直角正交切削建立如图2 所示 的二维模型。工件初始网格划分为0 .0 1 i l l m 0 .0 1 m m 的4 节点平面应力单元,设置单元厚度为 最大切削深度的1 0 倍以上,满足了乎面应变的条 件。有限元模型边界条件定义为工件放在一对称 体上以限制工件Y 方向的位移,在工件的右侧放置 一固定刚体以限制切削加工时工件向 x 方向的位 移,同时又能使网格重划分 R e m e s h i n g 颐利进行。 图2 切削加工的有限元分析网格 F i g .2 M e s h i n go fc u t t i n gm o d e l 3 .2 工件材料属性 工件材料选用航空常用铝合金材料7 0 7 5 ,材料 密度为2 7 8 0 k g /m 3 ,泊松比为0 .3 5 ,材料的弹性模 量、线性膨胀系数、热传导系数以及比热容分别为温 度变化的曲线函数【6 1 见图3 ,工件表面初始温度为 2 0 ℃.空气中热传导常数为04 N / s i n n l ℃ 。 图3 分析工件材料属性 F i g3M a t e r i a lp r o p e r t y 切屑形成时工件材料在刀刃处发生塑性流动, 为了防止材料有大的塑性变形,单元网格过渡变形 丽无法求解,正在被加工的工件应由软件实现网格 重新划分。通过M a r c 软件提供的单元畸变、接触 穿透两个几何准则来判断工件是否进行网格重划 分,随着刀具的不断进给,工件网格不断重划分,如 图4 所示,实现了切屑从工件分离。 从理论上讲,切屑与刀具前刀面接触点的反力 为零时,切屑与刀具前刀面分离,但实际数值运算 中,由于各节点的力平衡方程不能精确满足所造成 的误差,可能在发生分离时节点上仍有一个小的正 反力存在,此时可通过设置一个引起接触节点发生 分离的最小节点反力来做为分离力。这里采用 M a r c 默认将1 0 %的最大反力作为所有无接触节点 的分离力。 图4 网格重划分后切屑形成 F i g4C h i pb r e a k i n g “t e rr e m e s h i n g 4 模拟结果分析 4 .1 切削力 图5 是刀具钝圆半径别为0 。0 .0 0 5 。0 .0 1 , 0 .0 2 ,切削速度均为v 3 0 0 0 m m /s ,进给速度为w , 万方数据 有色金属 d .5 m m /s ,切削深度为n 。 0 .2 r a m 时,通过热力 耦合的弹塑性有限元模拟,得到刀具从开始坊人工 件到切削力达到稳定状态,不同刀刃钝圆半径切削 力的变化曲线。从图5 可以看出,刀具刚切人工件 时,切削力迅速增加,很快达到稳定状态。切削力随 刀刃钝圆半径的增大而增加,在理想刀刃的情况下, 刀刃钝圆半径为0 时,刀具最为锋利,所引起的切削 力最小,随着刀刃钝圆半径的增大,切屑与刀具前刀 面摩擦力增大,刀具后刀面与工件已加工表面挤压 所造成的弹塑性变形抗力增加,导致切削力的增加。 汁 增量,步 图5 切削力随刀刃钝圜半径参数的变化 F i g .5C u t t i n gf o r c cc h a n g eC D r V e sd d I 扦* e n rc u t t i n g ㈣fr e d i u s 4 .2 残余应力 金属零件经过机械加工后,已加工的表面金属 组织发生形状变化、体积变化或金相组织变化时,将 在表面层的金属与基体问产生相互平衡的残余应 力。残余应力的存在影响了工件金属组织的稳定 性,易发生变形,同时影响了零件的加工精度。图6 为在刀具钝圆半径分别为0 .00 0 5 ,00 1 ,00 2 m m 时工件产生的残余应力。 &。萎至翌⋯ l 6 一r c 1 .丫日口。8 8 “““一⋯~⋯ ,/ / f l 拒已棚 『 表■I 的距离,m ⋯ 图6工件厚度方向残余应力口1 1 分布 F i g6S t r e s s 。1 1d i s t r i b u t i o no ft h i c k n e a sd i r e c t i o n 金属切削的本质是切削金属层在刀具切削刃的 第5 8 卷 作用下,经受剪切和挤压而产生剪切滑移变形的过 程。从图6 可见,因机械加工产生的残余应力仅分 布在工件表面以下很薄的金属层内。刀刃钝圆半径 为理想状态0 时,刀具对工件已加工表面的挤压作 用很小,当刀具从被加工表面上切除金属时,表层的 金属晶格被拉长而变形,刀具切离过后,拉伸的弹性 变形将逐步恢复,拉伸的塑性变形则不能恢复,表层 金属的拉伸塑性变形,受到与它相连的里层未发生 塑性变形金属的牵制,因此在工件的表层是残余压 应力,里层是残余拉应力。随着钝圆半径的增大,刀 具对工件已加工表面的挤压作用增大,里层的金属 受到压缩弹性变形,当刀具的作用力消失后,则在金 属表面产生残余拉应力。 图7 体现了使用不同刀刃钝圆半径的刀具对铝 台金材料7 0 7 5 切削对,工件表面的温度变化情况, 可以看出温度变化较小,表层金属由热塑效应引起 的残余应力处于劣势。 图7已加工表面温度与钝圆半径的关系 F i g7 R e l a t i o nb e t w e e nt e m p e r a t u r eo fm a c h i n e d s u r f a c ea n dc u t t i n g ⋯r a d i u s 5 结论 1 在金属加工中,刀刃的磨损影响_ r 切削力大 小。仿真结果显示,刀刃钝圆半径越小,刀刃越锋 利,但是磨损较快.切削力很快增加。刀刃钝圆半径 增大,切削刃工作长度增加,机床负荷增加,易引起 振动影响表面加工质量。 2 刀刃钝圆的圆弧半径影响切削加工产生的 残余应力大小及分布,残余应力分布在工件表面以 下的o .1 5 r a m 以内很薄的金属层,这对于厚度较小 的薄壁件加工后的变形有很大的影响。 3 加工时,采用耐磨、钝圆半径较小 锋利 的 刀具,使工件表面产生小的残余应力,提高工件表面 的精加工精度。 p、雌珥富巨懈H暑叫 £≤bR遥簧 万方数据 第l 期董兆伟等刀具磨损对工件质量影响的仿真分析 参考文献 [ 1 ] 黄志刚,柯映林飞机整体框类结构件铣削加工的模拟研究[ J ] 中国机械工程,2 0 0 4 ,1 5 1 1 9 9 1 9 9 5 [ 2 ] 康晓明,孙杰,苏财茂,等飞机整体结构件加工变形的产生和对策[ J ] 中国机械工程,2 0 0 4 ,1 5 1 3 1 1 4 0 1 1 4 3 [ 3 ] 王运巧,梅中义,范玉青.航空薄壁弧形件加工变形的非线性有限元分析[ J ] .航空制造技术,2 0 0 4 , 6 8 48 6 . 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