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Deform 3D在金属车削加工中的应用


Deform 3D 在金属车削加工中的应用
摘要: 基于材料变形的弹塑性理论、热力耦合理论以及Usui 磨损模型, 采用有限元仿 真技术, 利用三维仿真软件Deform 对车削过程进行仿真, 得出了在不同切削用量下切削力 的变化规律、 切削过程中切削应力的分布情况以及刀具表面切削热的分布情况。 仿真结果为 生产实践中切削用量的优化选择提供理论依据。 关键词: 车削仿真;

切削用量; 切削力; 切削热; 切削应力

一、前言
金属零件的加工方式可分为塑性加工、热成形或压力成形加工、机械加工、高能加工、 电及化学加工等几大类。 上述各种加工方法中, 在机械制造过程所占比重最大, 用途最广的 是机械加工中的切削加工和磨削加工。 而车削加工是分析各种切削方法的基础, 因此本文对 车削加工进行具体分析。金属切削过程是一个非常复杂的工艺过程。 它涉及到弹性力学、 塑性力学、断裂力学、热力学、摩擦学等多个学科。刀具形状, 温度分布、刀具磨损等因素 都会对切削过程产生重要影响。因此利用传统的解析方法, 很难对切削过程进行分析和研 究。 Deform-3D 是在一个集成环境内综合对建模、 成形、 热传导和成形设备特性进行模拟的 有限元仿真分析软件,它主要包括三个部分: 预处理、模拟和后处理。Deform -3D 功能与2D 类似, 但它处理的对象为复杂的三维零件、 模具等。 Deform-3D 是模拟3D材料流动的理想工 具, 它不仅鲁棒性好, 而且易于使用。 系统中集成了在任何必要时能够自行触发的自动网格 重划生成器, 以便生成优化的网格系统。在要求精度较高的区域, 可以划分较细密的网格, 从而降低题目的规模, 并显著提高计算效率。Deform -3D的计算精度和结果的可靠性, 被公 认为国际成形过程模拟最理想的软件工具之一。 本文选择三维有限元软件Deform, 以WC 硬质合金刀具切削45号调制钢作为研究对象, 对切削过程进行仿真。 得出了刀具在不同切削用量下的切削力、刀片表面切削热、以及刀 片应力的分布情况。

二、前处理过程
1.切削模型的建立 (1)设定工作条件 加工类型选择Turning (旋转加工) 单位制选择System International 。 (国际单位制) 。 表面加工速度为40m/min,背吃刀量为0.5mm,进给率为0.3mm/r。环境温度为20℃,摩擦系数 为0.6,热导率为45。 (2)设定刀具 本分析中直接从Deform 封装的刀片库中选取刀片。所选取的刀片代号是CNMA432。刀 片材料为WC-english。刀具温度起初值设为20℃。刀具网格划分采用相对划分法,网格数为 35000个。 同时,分析中认为刀具是刚性的, 在运动分析中使刀具同时作旋转和进给运动, 而 工件的内表面施加全约束, 这样就完全模拟了车削的运动过程。 2.工件模型的建立 (1)选定工件形状 选择工件的形状为 Curve modes(有弯度的模式)。工件直径为0.05m,弯曲角度为 15°。 (2)选定工件材料和网格 本分析中直接选取封装在Deform材料库中的AISI-1045, 相当于国内的45号钢;工件

网格划分也采用相对划分法,网格数为40000个。选取的材料基本达到了现实切削过程的材 料性能条件。 3.设定模拟条件 存储增量为每4步存一次,总共运算步数200步,切削终止角度7.5°另外选择Tool wear calculation with Usui mode 对刀具磨损进行设定,以便后处理时查看刀具磨损量,根据 经验值取a、b分别为0.0000001和855.0。 4.检查设定结果 计算直到对话框检查项全打勾,出现You can click ‘Finish’。若有不恰当处,会提 出警告或错误。需根据提示,对设定值进行修改,直到出现You can click ‘Finish’。 5.退出前处理 点击工具栏中的退出按钮,在弹出提示窗口中点击【yes】退出,同时在主窗口的文件 夹下生成MACHINING.DB文件,完成切削加工的前处理过程。

三、模拟过程
在主页面中用鼠标点击文件目录菜单下的MACHINING.DB文件,点击主窗口右侧 Simulator标题下run选项,出现模拟运行界面。Running表示正在运行。如果模拟效果不好 或有其他原因需要停止模拟过程,可以通过主窗口Simulator栏下的Process Monitor选项监 控运行过程,Abort表示把该Step运算完成后停止,Abort Immediately选项表示立即停止。 正常运行结束后可以打开后处理分析结果。

四、后处理分析
1. 切削过程中刀具表面切削热

(1) 时间步11

(2) 时间步20

(3)时间步40

(4)时间步60

(5)时间步100

(6)时间步200 从上面六幅图的每幅图中可以看出,刀具表面切削温度的最高点总是出现在刀具前刀面 上主切削刃的附近,而在这个区域,刀和工件之间的压力比较高,摩擦力比较大,说明了 刀屑之间的摩擦是引起温度上升的一个重要因素。 在200时间步内,刀具表面温度在较短时间 内上升到400左右,然后温度一直保持在这区域内。这与实际情况很相似。 2.切削过程中切削应力分布

(1)时间步11

(2)时间步52

(3)时间步100

(3) 时间步200 从上面四个切削过程应力等值线图中可以看出, 刃前区应力分布状态比较复杂, 在第一 变形区等效应力数值最大, 并有较大的变化梯度, 而第二变形区应力的分布较为均匀。 在切 削开始阶段, 工件变形的最大等效应力在刀尖处, 随着切削的进行, 最大等效应力的面积 逐渐扩大, 当突破剪切带后, 刀尖处的等效应力开始有所减小, 且减小的区域逐渐斜向扩 展到整个剪切带。 这些现象可以说明: 材料在应力突破最大等效应力后表现出不稳定性, 随 着工件材料进一步变形, 产生大量的热使材料出现热软化现象, 这时材料所能承受的应力 急剧下降。 在不同的切削阶段, 最大等效应力虽然出现的位置和面积不断变化, 但大小基本 不变。这也验证了Mises屈服准则: 材料进入屈服状态后, 等效应力是一定值。 3.不同切削量下切削力的变化规律 保持切削速度为40m/ min、进给量0.3mm/ r不变, 使用Deform再分别对切削深度分别为 0.3mm、0.4mm、0.6mm、0.7mm 时的切削过程进行仿真模拟。与切削深度0.5mm的切削过程进 行比较分析。设置计算步为200 步,计算完成后, 进入后处理器, 在后处理器中分别提取主 切削力Fy、进给力Fx、背向力Fz 对应的曲线图如下所示。 1) 切削量为0.3mm

进给力Fx在切削过程中的变化情况

主切削力Fy在切削过程中的变化情况

背向力Fz在切削过程中的变化情况 2) 切削量为0.4mm

进给力Fx在切削过程中的变化情况

主切削力Fy在切削过程中的变化情况

背向力Fz在切削过程中的变化情况 3) 切削量为0.5mm

进给力Fx在切削过程中的变化情况

主切削力Fy在切削过程中的变化情况

背向力Fz在切削过程中的变化情况 4) 切削量为0.6mm

进给力Fx在切削过程中的变化情况

主切削力Fy在切削过程中的变化情况

背向力Fz在切削过程中的变化情况 5) 切削量为0.7mm

进给力Fx在切削过程中的变化情况

主切削力Fy在切削过程中的变化情况

背向力Fz在切削过程中的变化情况 然后提取并保存这些曲线图中的数据。 使用Spss统计软件分别算出在各切削量下Fy 、 Fx、Fz 在200 个计算步内的平均值, 并把该平均值作为该切削量下对应的主切削力、进给 力和背向力的仿真值。各个数据列于下表:

切削力/N 切削量/mm Fx Fy Fz

0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

46.30 55.27 89.15 110.54 145.85

280.72 356.48 460.21 541.50 635.71

108.56 116.04 158.21 180.35 209.22

根据以上步骤得出的各切削分力平均值, 再使用Excel软件绘制出如下图所示不同切削 深度下切削力的变化曲线。

进给力 主切削力 背向力 700 600 500

切削力/N

400 300 200 100 0 0.3 0.4 0.5 切削量/mm 0.6 0.7

由上图可以看出, 在保持切削速度和进给量不变时, 随着切削深度的不断增大, 切削 力也在不断增大。对于主切削力Fy , 随着切削量的增大, 其变化曲线的斜率有逐渐增大的 趋势; 而进给力Fx和背向力Fz随着切削量的增大,其增大较缓慢。

五、结语
1.采用数值模拟技术, 对金属切削过程进行了切削仿真, 切削力的预测值和试验值具有 合理的一致性; 由于计算条件的影响, 在切屑分离和网格重划时, 切削力曲线产生了一些 跳动, 但这不影响分析结果的正确性。 2.刀具的最大等效应力分别出现在前刀面主切削刃附近, 同时在后刀面靠近主切削刃的 地方也出现了较大的等效应力, 这与实际切削过程基本相似。 3. 刀具前刀面靠近切削刃的地方切削温度最高, 因此刀具的这个部分最容易发生扩散磨 损而形成月牙洼。 通过对刀具表面在切削过程中的温度分布仿真, 可以更方便地研究刀具寿 命, 从而指导切削加工实践。 4. 利用DEFORM-3D 软件的模拟可以为实际工作提供最优的加工参数, 提高加工质量, 同时还能弥补大部分技术人员经验不足的问题。

参考文献
[1] 李传明 等.DEFORM5.03 金属成形有限元分析实例指导教程.北京:机械工业 出版社,2006。 [2] 胡建军 等.DEFORM-3D塑性成形CAE应用教程.北京:北京大学出版社,2 011 [3] 韦联.硕士研究生论文《基于Deform 3D 的金属车削过程仿真》.中图分类 号:TG51.文献标志码: A。


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