车削加工工艺参数对切削力的影响

基于DEFORM3D的车削有限元模拟

摘要：本文在建立了车削三维有限元模型基础上，运用有限元法对45钢的车削过程中切削用量对切削力影响进行了模拟，并对结果进行了分析讨论。该模拟对现实工程应用有较大的作用。

关键字：车削模拟DEFORM3D

1 引言

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。在上述各种加工方法中，在机械制造过程所占比重最大的是机械加工中的切削加工和磨削加工；而车削加工作为切削加工中应用最广泛的加工形式，其加工过程中的工艺参数一直成为研究的对象。本文利用STFC公司的DEFORM3D软件对车削过程进行模拟，并分析了不同的切削用量对切削力的影响。

1.1 车削加工过程中切削力的来源与分解

1.1.1 切削力的来源

刀具总切削力是刀具上所有参与切削的各切削部分所产生的总切削力的合力。而一个切削部分的总切削力F是一个切削部分切削工件时所产生的全部切削力。它来源于两个方面：三个变形区(剪切区、摩擦区、挤压区)产生的弹、塑性变形抗力和切屑、工件与刀具之间的摩擦力。

切削时金属的塑性变形如图1所示，其中第Ⅰ变形区为剪切区，第Ⅱ变形区为摩擦区，第Ⅲ变形区为挤压区。

图1 切削时金属的塑性变形

1.1.2 总切削力的几何分力

刀具切削部分的总切削力是个大小、方向不易测量的力。为方便分析，常将总切削力沿选定轴系作矢量分解来推导出各分力，即总切削力的几何分力。

图2 外圆车削时力的分解

F。

(1) 切削力

C

F是F在主运动方向上的正投影。在各分力中它最大，要消耗机床功率的C

95%以上。它是计算机床功率和主传动系统零件强度和刚度的主要依据。

(2) 进给力

F。

f

F是F在进给运动方向上的正投影，是设计或校核进给系统零件强度和刚f

度的依据。

F

(3) 背向力

p

F是F在垂直于工作平面上的分力。背向力不做功，具有将工件顶弯的趋

p

F。势，并引起振动，从而影响工件加工质量。用增大车刀主偏角的方法可以减小

p F与各分力之间的关系为：

F=(N)

1.2 切削热和切削温度

1.2.1 切削热的来源

切削过程中所消耗的切削功绝大部分转变为切削热。切削热的主要来源是切削层材料的弹塑性变形(Q(变形))，以及切屑与刀具前面之间的摩擦(Q(前摩))、工件与刀具后面之间的摩擦(Q(后摩))。因而三个变形区也是产生切削热的三个热源区。

1.2.2 切削热的传散

切削热通过切屑、工件、刀具和周围介质(如空气、切屑液)等传散。各部分传散的比例随切削条件的改变而不同。

据热力学平衡原理，产生的热量和传散出去的热量应相等，即

Q(变形)+ Q(前摩)+ Q(后摩)= Q(屑)+ Q(工)+ Q(刀)+ Q(介)

切削热产生与传散的综合结果影响着切削区域的温度。过高的温度不仅使工件产生热变形，影响加工精度，还影响刀具的寿命。因此，在切削加工中应采取措施，较少切削热的产生，改善散热条件以减少高温对刀具和工件的不良影响。

2 DEFORM3D车削模拟

2.1 DEFORM软件简介

DEFORM软件是一套基于工艺模拟系统的有限元系统(FEM)，专门设计用于分析各种金属成形过程中的三维(3D)流动，提供极有价值工艺分析数据，及有关成形过程中的材料和温度流动。典型的DEFORM应用包括锻造、挤压、镦头、轧制，自由锻、弯曲和其他成形加工手段。

DEFORM由美国SFTC公司研发成功，它的理论基础是经过修订的拉格朗日定理，属于刚塑性有限元法，其材料模型包括刚性材料模型、塑性材料模型、多孔材料模型和弹性材料模型。

2.2 车削模拟参数设置

2.2.1 工件材料属性定义

在此次模拟过程中，工件材料选用45钢，泊松比为0.3。

表1 45钢的弹性模量

图3 45钢弹性模量—温度曲线

表2 20℃时45钢的流变应力

图4 20℃45钢的流变应力曲线

由于流变应力是关于应变、温度、应变率的函数，因此45钢在20℃时的流变应力曲线只是其关于应变以及应变率的函数，DEFORM中关于45钢的流变应力—温度曲线描述温度围为：20℃、100℃、300℃、500℃、700℃、900℃以及1200℃。

2.2.2 车削模拟参数设置

1.打开DEFORM3D，选用Machining[cutting]模块，单击进入，文件名定义为Turing1,单位使用国际单位制(SI)。

2.Machining type选取turning后定义切削用量的参数。

在此次模拟过程中，背吃刀量(depth of cut)依次选取0.2mm、0.4mm及0.6mm；进给量依次选取0.2mm/r、0.4mm/r及0.6mm/r；切削速度依次选取为

7.85m/min和16.485m/min。

3.车削过程中环境温度设置为20℃；热对流系数为0.02 N/sec/mm/c；刀具与工件间的摩擦类型选择剪切摩擦，摩擦系数设置为0.6；工件与刀具间的热传导系数为45N/sec/mm/c。

4.刀具选择DEFORM3D中自带CNMA432型车刀，刀架选择DCKNL型刀架。车刀主偏角为45°，前角为12°，刃倾角为-5°，刀尖圆弧半径为0.8mm。

5.车刀网格数目为35000，网格极限尺寸比为1：4；车刀的所有面与空气均存在热交换。

图5 车刀的网格模型

6.为节省计算时间，工件选取30°圆弧截面，网格极限尺寸比为1：7，被切削部分网格局部细化，最小网格的尺寸约为进给量的5%。