0 引言

      切削加工就是（shì）通過（guò）刀具的剪切擠壓， 使工件產生彈性變形、塑性變形，最終撕裂形成切屑，形成工件上（shàng）已加工表麵的過程。是一個複雜的物理化（huà）學過（guò）程。以往通常（cháng）用側麵方格變形觀察、光彈、光塑性試驗和掃描電鏡、顯微觀察等方法進行研究，但這些方法不是由於技術複雜就是由於費（fèi）用昂貴，實驗周期長、人力物力消耗大、綜合成本很高。隨著計算機技術的不斷發展,幾何建（jiàn）模和計算（suàn）的能（néng）力越來越強，使得大（dà）型商業有（yǒu）限元的功能也越來越強大， 仿（fǎng）真結果也越來越接近實際加工情況，其（qí）在切削加（jiā）工中的應用越來越廣泛。運用有限元分（fèn）析切削加工過程，成本較低（dī），使用方便，操作時（shí）間短，實驗（yàn）結果豐富：如切削溫度、切削力、應變率、應變和應力等。

      1 模型（xíng）的建立

      采用Marc 建立金屬直角車削的仿真模型。

      （1）在Marc 中建立刀具和測試樣品的實體模型， 工件材料采用45 鋼， 其在模型中假定為長方體，采（cǎi）用金剛石（shí）車刀進行仿真，其硬（yìng）度遠超過工（gōng）件，所以將其定位為剛體，設定其刃口半徑為0.11 μm。刀具的後角固定，在仿真過程中根據需要采用不同前角。為保證足夠的切削（xuē）長度，工（gōng）件長度應大於切（qiē）削深度的10 倍，這樣可以使切削（xuē）持續到（dào）穩定狀態（tài），如圖（tú）1 所示；

      （2）在特性模塊（kuài）中定義樣品的材料（liào）屬性，假（jiǎ）定試件為（wéi）VonMises 屈服各向同性彈塑性材料，材料特性以實際實驗中（zhōng）所獲取數（shù）據輸（shū）入；

      （3）在網格（gé）模（mó）塊中（zhōng）采用4 節點實（shí）體單元對其（qí）進行網格劃分（fèn）並定義單（dān）元類型；

      （4）在相互作用模塊中定義接觸相關的屬性：切削過程中的摩擦是剪切摩擦（cā），為使在數值上具有連續性，Marc 中采用了一個修正的剪切摩擦模型

      （5）仿真時對刀具和工件施加的邊界條件如下：工件固定，刀具沿X 軸方向進行運（yùn）動，其他方向固定；

      （6）其他（tā）條件不變，改（gǎi）變不同前角進行模擬仿真。

      2 切屑與工件的分離準則

      在（zài）金屬切削加工有限元仿真模擬技術中，切屑與工件如何分離是（shì）一個關鍵技術。目前主要有（yǒu）兩大類型：幾何準則和物理準則。

      幾何準則的模型很簡單，它首先需要（yào）對（duì）加工路徑進行設定，然後通（tōng）過在路徑上刀尖與刀尖前單（dān）元節點的距離變化來（lái）判斷分離與否，它是基於幾何形（xíng）狀（zhuàng）的變化，而非物理性質，而（ér）在實際切削加工中，切屑的形成主要是由物理量的變化引起的，這樣就與實際加工不符合，難以適（shì）應（yīng）實際加工中不同的加工工藝以及不同的材（cái）料（liào）的變化要求。物理準則更接近實際加工情況， 它是基於（yú）刀尖前單元節點的應力、應變等物理量的變化來（lái）判斷（duàn）分離的, 首先（xiān）設定物理量的極限值，在仿真（zhēn）過程（chéng）中（zhōng）,通過分析其是否超過極限值來判斷切屑分離與否, 其主要有等效（xiào）塑性應變準則、基於應變能密度準則和斷裂應力準則。

      本文（wén）中采用等效塑性應變分離準則， 即Marc中（zhōng）的重劃分準則：在仿（fǎng）真過程中，劃分好（hǎo）的網格受到力（lì）的作用發（fā）生畸變， 係統對畸變程（chéng）度進行（háng）分析（xī），當其達到設定（dìng）值時， 程序就會自動重劃分網（wǎng）格，也可（kě）以稱為單元畸變準則。這種分離準則對切屑分離時刃口半徑的影響也進行考（kǎo）慮，同（tóng）時切屑的流向不需要設定，是由（yóu）網（wǎng）格的自動劃分來實現的，其畸變過程如圖2 所示。如（rú）果Xn是開始步（bù）的（de）坐標係（xì），ΔXn是增量過程的位移，其有以下關係:

      3 有限元（yuán）仿真結果

      切削過（guò）程的有限元仿真功能強大（dà）， 它能夠反映出很多結果，例如（rú）：應力和應變在切削過程中的變化、切削變（biàn）形的過程，切削溫度的變化、已加工表麵的殘餘應力。下麵列（liè）舉幾個仿真的分析結果供參考。

      圖2 顯示了切屑的形成過程和等效應力分布。從仿真中（zhōng）可以看出切屑的形成過程： 彈性變形-塑性（xìng）變形-刀（dāo）尖處的切屑開始堆積-形成切屑-形成穩定的連續（xù）切屑。

      圖3 為仿真（zhēn）出來的應力雲圖，可以看出：切削變（biàn）形有3 個變形區，分為第1 變形區、第2 變形區和第3 變形區， 其（qí）中變（biàn）形應力在第1 變形區時最大， 並（bìng）且可（kě）以發現在刀尖附近的變形應力集中，這與切削加工（gōng）原理一致。

      圖（tú）3 與圖4 為不同（tóng）前角在同樣狀態下的等效應力雲圖，由圖可知，切削力（lì）與前角有著緊密的關係：負前角越大，切削力明顯增大（dà），這是由（yóu）於負前角越（yuè）大，靜（jìng）壓力麵積越大，刀具越不（bú）鋒利；同樣可知（zhī）：切屑的形成（chéng）也與前角有關，負（fù）前角變大，這時（shí）剪切角越小，切屑分離越難。

      將溫度的變化規律加入仿（fǎng）真，可以得到切削溫度的變化規律如圖5 所示（shì）。圖5（a）為用雲圖的形式顯示的切削溫（wēn）度圖，圖5（b）為其局部放（fàng）大圖，由圖可知：切削時最高（gāo）溫（wēn）度在刀尖附近，但並不在（zài）刀尖，同時切屑上的溫度較（jiào）高， 而刀具前刀麵的溫度較低，這是（shì）由於切屑發生了大（dà）部分的切削變形（xíng），而且切屑（xiè）還與前刀麵發生了滑動摩擦.

      4 結語

      討論了切削加工（gōng）的仿真過程，並對相關結果（guǒ）進行了分析。通過分析發現切削加工的仿真結果（guǒ）與切削原理具有較高的吻合性（xìng），這說明有限元（yuán）仿真具有較高的可靠性（xìng），對其進行研究是很有必要的，這也是今（jīn）後切（qiē）削加（jiā）工的研究方向之一。