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 . 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