刀具磨损对工件质量影响的仿真分析.pdf

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 ． [ 4 ] 王勖成，邵敏有限单元法基本原理和数值方法[ M ] 第2 版．北京清华大学出版社，2 0 0 2 4 9 4 4 9 6 [ 5 ] 邓文君，夏伟邓钝圆刀刃切削的有限元模拟[ J ] 工具技术，2 0 0 3 ，3 9 8 1 7 2 1 [ 6 ] 董跃辉，柯跌林，孙杰，等．铝合金厚板淬火残余应力的有限元模拟及其对加工变形的影响[ J ] 航空学报，2 0 0 4 ，2 5 7 4 2 9 4 3 2 S i m u l a t i o nA n a l y s i sf o rI n f l u e n c eo fT o o lW e a ro nC u t t i n gQ u a l i t y D O N GZ h a m w e l l ．L I US h g n g - y l n 9 2 ，W A 2 4X i a 十h a n 9 3 ，Z H A N Gnd “1 1B e r i n gU n i v e r s i t yo f A e r o n a u t i c sa n dA s t r o n a u t i c sB e o m g1 0 0 0 8 3 ，C x i n a 2H e l ”iN o r m a lU n i r e r s i t y ，S h l j i a z h u a n g0 5 0 0 5 0 ，C h i n a ； 3 ．V c a t i o n a la n d l n d u s t r y I n s t i t u t eo y №l ，S h i j i a z t i u a n K0 5 0 0 9 1 ，C h i n a A b s t r a e t ’l 、h et w o d i m e n s i o ns i m u l a t i o nm o d e lf o rm e t a lc u t t i n gi se s t a b l i s h e db yt h ea n a l y s i sw i t hF i n i t eE l e m e n t M e t h o d ．T h ec h i pb r e a k i n gp r o c e s s ，c u t t i n gf o r c e sa n dt h ed i s t r i b u t i o ns t a t u so fr e s i d u a ls t r e ≈o nt h ew o r k e d s u r f a c eo ft h et y p i c a lp a r t sa r es i m u l a t e dw i t hd i f f e r e n tc u t t i n gc o r n e rr a d i u st o o l sb ym e a n so ft h es e l f - a d a p t i v e m e s h i n gc r i t e r i a ．T h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ec u t t i n gc o r n e rr a d i u si s1 e s s e r ，t h et o o li ss h a r p e r ，b u ti tw e a r so u t q u i c k l ya n dm a k e st h ec u t t i n gf o r c ei n c r e a s e s ．W h e nt h e r a d i u si sl a r g e r ，t h ew o r kl e n g t ho fe d g ei n c r e a s e s ， w h i c ha d d st h el o a do fm a c h i n et 0 0 1a n db r i n gv i b r a t i o nt oa f f e c tt h es u r f a c em a c h i n i n gq u a l i t y ．T h er e s i d u a l s t r e s ． o n I ye x i s L si nt h et h i nl a y e r0 fr i i e t a lu n d e rt h es u r f a c eo fw o r k p i e c e ，w h i c hl sl e s st h a n0 ．1 5 r a m ．I t s t r o n g l ya f f e c t sm a c h i n e dd i s t o r t i o no ft h i n w a l lp a r t s ．T h es i m u l a t i o nr e s u l t i sw i t hp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ei ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n ．T h es i m u l a t i o nr e s u l ti sw i t hp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ei ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n K e y w o r d s m a t e r i a ls y n t h e t i ca n dw o r k i n gt e e h n oo g y ；m e t a lc u t t i n g ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；c u t t i n g f o r c e ，r e m e s h i n g ；r e ．s i d u a ls t r e s s 万方数据