刀屑摩擦对切削加工影响的有限元分析.pdf

第5 9 卷第3 期 2007 年8 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a h V 0 1 ．5 9 。N o ．3 A u g u s t2 007 刀屑摩擦对切削加工影H 向的有限元分析 刘胜永1 ，万晓航2 ，董兆伟2 1 ．河北师范大学机械系，石家庄0 5 0 0 3 1 ； 2 ．河北工业职业技术学院，石家庄0 5 0 0 9 1 摘 要基于I ．m S a a n g e 质点坐标系描述方法，利用有限元分析软件，建立平面应变状态下的二维热．力耦台正交直角切削有 限元分析模型，分析中采用修正库仑摩擦定律来模拟刀．屑之间的摩擦。结果表明，刀具前刀面与切屑的接触长度、切削温度、切削 力和已加工表面的残余应力都随摩擦系效的增大而增加。摩擦系数对切削加工质量有着重要的影响。 关键词金属材料；金属切削；有限元；摩擦系数；残余应力 中图分类号T G 5 0 1 ．1 ；T G l 4 2 ．3 1文献标识码A文章编号1 0 0 1 一0 2 1 1 2 ∞7 0 3 0 0 3 3 0 4 金属切削过程中，金属材料既有弹性变形，又有 塑性变形，在切削变形区又有很高的切削温度和复 杂的刀．屑摩擦条件，所以，对金属切削加工机理的 研究至今仍是国内外切削领域研究的难点和热点， 切削热的产生直接影响着刀具的磨损和使用寿命， 并且影响着工件的加工精度和加工表面的完整性。 因此，在金属切削加工时，经常用切削液来降低切削 温度，同时切削液在切屑、工件与刀具界面之间形成 边界润滑，降低摩擦系数，从而提高刀具使用寿命和 加工质量【l j 。 ．采用数值仿真技术，借助于国际上通用的大型 有限元分析软件，通过改变刀一屑之间的摩擦系数， 来研究摩擦对加工的影响。 1 金属切削中前刀面摩擦状况 金属切削是根据工件加工要求去除毛坯多余材 料的过程，在切削过程中，由于刀具前刀面对切屑有 很大的挤压作用，再加上几百度的高温，可以使切屑 底部与前刀面发生粘结现象，因此，刀具前刃面与切 屑接触常分为粘结区和滑动区二个区域，如图1 所 示[ 2 】2 。在粘结区，切屑和刀具之间的摩擦不是一般 的外摩擦，而是切屑和刀具粘结层与其上层金属之 间的内摩擦，内摩擦实际就是金属内部的滑移剪切， 与材料的流动应力特性以及粘结面积大小有关，内 摩擦规律与外摩擦不同，单位内摩擦力等于材料的 收稿日期2 0 0 6 1 0 1 7 基金项目河北省科技厅科研资助项耳 0 5 2 1 2 1 0 5 D ；河北省教育 厅科研资助项目 2 0 0 2 2 4 0 作者简介刘胜永 1 9 6 8 一 ，男，河北定州市人。讲师。硕士．主娶从 事金属材料与机械加工等方面的教学与研究。 剪切屈服强度乙。滑动区的摩擦为外摩擦。 图1 前刀面摩擦 F i g ．1 F r i c t i o nr a k ef a c e 2 有限元模型 有限元方法是研究刀一屑之间摩擦对工件加工 质量影响最有力的工具，使金属切削机理的研究变 得更加快捷和方便。 2 ．1 模型的建立 采用L a g r a n g e 质点坐标系描述方法建立二维 热一力耦合正交直角切削加工有限元模型，如图2 所示。切削加工中刀具的硬度比工件的硬度要高很 多，因此仿真中假定刀具为刚性体，切削加工中不产 生变形，只进行热分析。工件视为变形体，模型尺寸 为2 m m 0 ．5 m m ，初始网格划分为0 ．0 1 r a mx 0 ．0 1 r a m 的4 节点平面应力单元，在平面应变分析 中，这种低阶单元已经被证明比高阶8 节点单元的 计算结果更准确[ 3 】。模型中单元的厚度为最大切 削深度的5 倍以上，忽略切削宽度方向上的切屑变 形，工件的应力应变状态满足平面应变状态。 仿真模型的位移边界条件为工件放在一固定 对称体A B 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C D 以限制切削加工时工件向 万方数据 有色金属第5 9 卷 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 顺利进行。 切削速度。 A D C 图2 切削有限元模型 F i g ．2 F i n i t ed e m e n tm o d e lo fc u t t i n g 。 2 ．2 网格重划分 金属切削成形过程属于几何非线性问题。切削 时金属材料在刀尖处发生塑性流动，随着变形的增 大，单元节点的坐标开始逐次修正，单元开始发生变 形，工件的初始网格就会发生畸变，这种畸变会降低 求解精度，使计算结果严重失真，甚至导致负的J a ． c a b i 矩阵，计算无法进行，另一方面会使刀具嵌入到 工件中，与实际情况不符。为了保证计算精度并加 快求解速度，仿真分析中，必须对网格即时进行重划 分。判断网格是否进行重划分的标准实际就是一个 几何准则，采用单元畸变和接触穿透两个几何准则 作为工件进行网格重划分的判据[ 4 _ 5 】。 2 ．3 摩擦模型 由于切削热和摩擦力与切屑的形成和刀具的运 动密切相关，所以在建立切削模型时，刀一屑接触现 象是要考虑的主要因素。如前所述，刀具前刀面和 切屑之间的摩擦分为两个区，靠近刀尖处为粘着区， 较远的为滑动区。在滑动区，正应力相对较小，摩擦 使用常系数古典摩擦定律 库仑定律 。在粘着区， 正应力很高，摩擦力近似一个常数。前刀面摩擦应 力模型表示为式 1 。 d 序≤一∥ 2 s g n V r ／n a r c t a n V r ／u c 1 式中仃一一为摩擦应力；口。一正应力；P 一摩擦系数； 如一刀．屑相对滑移速度；比一接触体之间发生滑 动时临界相对速度。 刀具后刀面与工件已加工表面之间的摩擦为外 摩擦，摩擦力可应用库仑定律计算，但其大小与前刀 面摩擦力相比要小很多。 2 ．4 热传导 众所周知，切削热是影响切削加工质量和刀具 的磨损最主要的因素。切削中主要的热源是金属材 料塑性变形功和刀一屑之间的摩擦产生的热。 1 工件塑性变形而产生单位体积的热生成率 可由下式 2 得到。 q 7 强W 印和 ‘ 2 式中J 一热功当量；忌一塑性变形功转化为热系数， 取k 0 ．9 ；W 7 声一塑性变形功转化热能比率；p 一材 料密度。 2 刀屑之间的摩擦产生的热可由式 3 得出。 Q 7 d ，r 如 3 3 刀具和工件表面上对流热量为式 4 。 口 军h L T o 4 式中h 一表面对流放热系数，h 0 ．4 ／ N s - 1 m m q ℃- 1 ；L 一刀具和工件的表面温度；T o 一 周围环境温度，试验在室温下进行，取T o 2 0 ℃。 3 仿真结果与分析 工件材料为4 5 号碳钢，材料密度为7 8 5 0 k g ／m 3 ，泊松比为0 ．3 ，材料的物理性能 弹性模量、 线膨胀系数、热传导和比热容 是随温度变化的。刀 具作匀速运动，切削速度为1 2 0 m ／m i n ，切削深度为 0 ．1 m m 。刀具前角为1 0 。，后角为8 ‘，考虑到刀刃钝 圆半径对切削加工的影响，把刀刃钝圆半径设定为 0 ．0 1 m m [ 6 1 。通过改变不同的摩擦系数，仿真分析 了刀一屑间摩擦对加工质量的影响。 、 有限元仿真计算所得到的摩擦系数对刀一屑接 触长度的影响如图3 所示。由图3 可见，刀一屑摩擦 系数的增大，增加了刀具前刀面与切屑的粘附性，阻 碍了切屑的流动，使得切屑在前刀面上的“滞留”时 间增加，因而刀一屑接触长度加大。 l 、 趟 警 嚣 哩 R 摩擦系数 图3 不同摩擦系数下刀．屑接触长度 F i g ．3 T o u c h i n gl e n g t hw i t hd i f f e r e n tc o e f f i c i e n t 随着摩擦系数的增大，切屑在前刀面的流动性 变差。排屑不流畅，切屑在前刀面的“堆积”现象加 剧，结果使切屑厚度变大，切屑变形增加，刃口对切 屑的挤压和前刀面上的刀一屑摩擦都加大，切削区 万方数据 第3 期 刘胜永等刀屑摩擦对切削加工影响的有限元分析3 5 的温度上升，同时，为了克服材料变形和摩擦所需要 的切削力也增加，如图4 和图5 所示。 摩擦系致 图4 摩擦系数对切削温度的影响 F i g ．4 C u t t i n gt e m p e r a t u r ec t l r v e sw i t hd [ [ f e r e n tc o e f f i c i e n t 1 4 0 Z R 却0 恩1 2 0 1 0 0 计算增量步敲 图5 摩擦系数对切削力的影响 F i g ．5 C u t t i n gf o r c e sc u r v e s 、丽t hd i f f e r e n tc o e f f i c i e n t 图6 为不同摩擦系数已加工表面沿深度方向残 余应力的分布。从图6 可以看出，切削加工引起的 残余应力基本集中在已加工表面的0 ．2 r a m 深度范 围内，靠近表层为残余拉应力，超过该深度范围残余 应力的数量级趋于零。同时还可以得出，刀具和工 参考文献 件间的摩擦对残余应力的影响也很大，当摩擦系数 为0 ．0 5 时，切削产生的最大残余应力为1 0 0 M P a ， 当摩擦系数为0 ．2 5 时，最大残余应力接近 2 0 0 M P a ，因为摩擦系数的增加，使得切削状况恶化， 工件已加工表面的变形程度增大，使已加工表面的 残余应力增大。 芒 毛 娄 酱 篓 051 01 5∞2 5 距已加工表面距离／l O p ．m 图6 摩擦系数对已加工表面残余应力的影响 F i g ．6 E f f e c to ff r i c t i o nc o e f f i c i e n to nr e s i d u a ls t r e s s 4结论 利用有限元技术可以很方便地得到刀一屑摩擦 对切削加工质量的影响，弥补实验研究的不足。刀 具前刀面和切屑问的接触长度、切削温度、切削力和 已加工表面的残余应力都随刀一屑问的摩擦增加而 ，变大，因此刀一屑之间的摩擦条件是影响金属切削 加工质量不可忽视的因素。为了减小刀一屑间的摩 擦，提高工件的加工质量和刀具的使用寿命，应改善 ．刀具的刃磨质量，提高刀具表面的光洁度，也可采用 低摩擦的刀具，如涂层刀具和陶瓷刀具等，或在切削 时采用润滑性能较好的切削液。 【1 ] 张伯鹏．机械制造及其自动化【M ] ．北京人民交通出版社，2 0 0 3 ；9 0 9 1 ． 【2 ] 陈F i 曜．金属切削原理【M ] ．北京机械工业出版社，2 0 0 4 4 0 4 3 ， 【3 ] I rK o n t e xAWA ．F E Ma n a l y s i so fc o n t a c tp r o b l e m si nm e t a lf o r m i n ga n dr u b b e ra p p l i c a t i o n s ‘[ C ] ．M A R CA n a l y s i sR e s e a r c h C o r p o r a t i o n ，E u r o p e ，Z o e t e r m e e r ，1 9 9 3 2 2 3 3 ． [ 4 ] M a m a t i sAG ，B r a n i sAS ，M a n o l a k o sDE ．M o d e l i n go fp r e c i s i o nh a r dc u t t i n gu s i n gi m p l i c i tf i n i t ed e m e n tm e t h o d s 【J ] ．J o u r n a l o fM a t e r i a l sP r o c e s s i n gT e c h n o l o g y ，2 0 0 2 ，1 2 3 5 ；4 6 4 4 7 5 ． 【5 ] M a m a l i sAG ，H o r v a t hM ，b r a i n sAS ，e ta 王．F i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o no fc h i pf o r m a t i o ni no r t h o g o n a lm e t a lc u t t i n g 【J ] ．J o u r - h a lo fM a t e r i a l sP r o c e s s i n gT e c h n o l o g y ，2 0 0 1 ，1 1 0 3 1 9 2 7 ． [ 6 ] 董兆伟，刘胜永，万晓航，等．刀具磨损对工件质量影响的仿真分析[ J ] ．有色金属，2 0 0 6 ，5 8 1 5 6 5 9 ． p、链延恒蝮嚣器 万方数据 有色金属 第5 9 卷 F E M A n a l y s i sf o rE f f e c to fF r i c t i o nb e t w e e nC h i p sa n dT o o l so nC u t t i n gP r o c e s s L I US h e n g - y o n 9 1 ，W A NX i a o - h a n 9 2 ，D O N GZ h a o - w e i 2 1 ．M e c h a n i cD e p a r t m e n to ，H e b e iN o r m a lU n i v e r s i t y ，S h t 3 i a z h u a n g0 5 0 0 3 1 ，C h i n a ； 2 ．V o c a t i o n a la n dI n d u s t r yI n s t i t u t eo fH e b e i ，S h i j i a z h u a n g0 5 0 0 9 1 ，C h i n a A b s t r a c t T h er e a s o n a b l et w o - d i m e n s i o nh e a t m e c h a n i cc o u p l i n go r t h o g o n a lc u t t i n gm o d e li se s t a b l i s h e db yt h eF E M a n a l y s i ss o f t w a r eb a s e do nt h eL a g r a n g eq u a l i t yp o i n tc o o r d i n a t es y s t e md e s c r i p t i o nm e t h o d ，t h ef r i c t i o ns t a t u s b e t w e e nt h ec h i p sa n dt o o l si ss i m u l a t e db yu s eo ft h ea m e l i o r a t e dC o u l o m bf r i c t i o nt h e o r y ．T h er e s u l t ss h o w t h a tt h et o u c h i n gl e n g t ho fr a k ef a c ea n dc h i p ，t h ec u t t i n gt e m p e r a t u r e ，t h ec u t t i n gf o r c e sa n dt h er e s i d u a l s t r e s s e so fm a c h i n e ds u r f a c ea r ea l li n e r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t ．T h ef r i c t i o ne o e f f i c i e n t p l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h em a c h i n i n gq u a l i t y ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；m e t a lc u t t i n g ；F E M ；f r i c t i o nc o e f f i c i e n t ；r e s i d u a ls t r e s s 上接第3 2 页，C o n t i n u e df r o mP ．3 2 H y d r o t h e r m a lP r e p a r a t i o no fF l a m eR e t a r d a n tM g O H 2 Z H UY u n ，W A N GS h a n z h o n g ，H U ] i a n - f e n g F a c u l t yo fM a t e r i a t sa n dM e t a l l u r g i c a lE n g i n e e r i n g ，K u n m i n gU n i v e r s i t yo fS e m 馏a n dT e c h n d o g y ，K u n m i n g6 5 0 0 9 3 ，C h i n a A b s t r a c t T h eg e l a t i n o u sm a g n e s i u mh y d r o x i d ei sp r o d u c e db ya d d i t i o ns o d i u mh y d r o x i d et om a g n e s i u ms u l p h a t es o l u t l o n ，t h eg h lt h e ni sm o d i f i e dt om a g n e s i u mh y d r o x i d ef o rf l a m er e t a r d a n tb yh y d r o t h e r m a lp r o c e s s ，a n dt h ee f f e c t so ft h ee x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r ss u c ha sc o n c e n t r a t i o no fs o d i u mh y d r o x i d e ，t e m p e r a t u r ea n dd u r a t i o no fh y - d r o t h e r m a lp r o c e s so nt h ep r o p e r t yo fm a g n e s i u mh y d r o x i d ea r ei n v e s t i g a t e d ．T h ep a r t i c l eo fm a g n e s i u mh y d r o x i d ei sn e e d l e 。l i k ec r y s t Ma n dg e n e r a l l yu n i f o r m e ds i z ed i s t r i b u t i o na f t e rt r e a t m e n tb yh y d r o t h e r m a lp r o c e s so n d e re x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n ．T h eh i g h e rt h ec o n c e n t r a t i o no fs o d i u mh y d r o x i d e ，t h em o r eo b v i o u st h ee f f i c i e n c y o fh y d r o t h e r m a lp r o c e s s ．T h eo p t i m a lc o n d i t i o no ft h em a g n e s i u mh y d r o x i d eh y d r o t h e r m a lp r o c e s si s [ M g S 0 4 ] 2 t o o l L ～，[ N a O H ] 4 m o l L ～，2 0 0 ℃，m o d i f i c a t i o nd u r a t i o n4 0 ～6 0 r a i n ，a d e q u a t es t i r r i n g ，a n da g e i n g t i m el e s st h a n1 8 h ． K e y w o r d s m a t e r i a ls y n t h e s i sa n dw o r k i n gt e c h n o l o g y ；m a g n e s i u mh y d r o x i d e ；h y d r o t h e r m a lm o d i f i c a t i o n ； f l a m er e t a r d a n t 万方数据