0 引言

      切削加工就是通過刀具的剪切擠壓， 使工件產生彈（dàn）性變形、塑性變形，最終撕裂形成（chéng）切屑（xiè），形成工（gōng）件上已加工（gōng）表（biǎo）麵（miàn）的過程。是一個複雜的物理化學過程。以往通常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（děng）方法進行研究，但這些方法不是（shì）由於（yú）技術複雜就是由於費用昂（áng）貴，實驗周期長、人力物力消耗大、綜合成本很高（gāo）。隨著計算機技（jì）術的（de）不斷發展,幾何（hé）建模和計算的能力（lì）越來越強，使得大型（xíng）商業有限元的功能也越來越強大， 仿真結果也越來（lái）越接近實際加工情況，其在切（qiē）削加工中的應（yīng）用越來越廣（guǎng）泛。運（yùn）用有限元分析切削加工過程，成本較（jiào）低，使用方便，操作時（shí）間短，實驗結果豐富：如切削溫度、切削力、應變率、應變和應力等。

      1 模型的建立

      采用Marc 建立金（jīn）屬直角車削的仿真模（mó）型。

      （1）在Marc 中建立刀（dāo）具和測試樣品的實體模型， 工件材（cái）料采用45 鋼， 其在模型中假定為長方體，采（cǎi）用金剛石車刀進行仿真，其硬度遠超過工件，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（zài）仿真過程中根據需要采用不同前角。為保（bǎo）證足夠的切削（xuē）長度（dù），工件（jiàn）長度應大於切削深度的10 倍，這樣可以使切削持續到穩定狀（zhuàng）態，如圖1 所示；

      （2）在特性模塊中定義（yì）樣品的材料屬性（xìng），假定試（shì）件為VonMises 屈服各向同性彈塑性材料，材料特性以實際實驗中所獲取數（shù）據輸入；

      （3）在（zài）網格模塊中采用4 節點實體單（dān）元對其（qí）進行（háng）網格劃分並定義單元類型；

      （4）在相互作（zuò）用模塊中定義接觸相關的屬性：切削過程中（zhōng）的摩（mó）擦是剪切摩擦（cā），為使在數值（zhí）上具（jù）有連續性，Marc 中采（cǎi）用了一個修（xiū）正的剪切摩擦模型

      （5）仿（fǎng）真時對刀具和工件（jiàn）施加的邊界（jiè）條件如下：工件固定，刀具（jù）沿X 軸方向進行運（yùn）動，其（qí）他方向固定；

      （6）其他條件不（bú）變，改變不同（tóng）前角進行模擬仿真。

      2 切屑與工（gōng）件的分離準則

      在金屬切削（xuē）加工有限元仿真模擬技術中，切屑與工（gōng）件（jiàn）如何分離是一個關鍵技術。目（mù）前主要有兩大類型：幾何準則和物理準則。

      幾何準則的（de）模型很簡單，它首先需要對加（jiā）工路徑進行設定，然後通過在路徑上刀尖與（yǔ）刀尖（jiān）前單元節點的距離變化來（lái）判斷分離與否，它是基於幾何形（xíng）狀的變化，而非物理性質，而在實際切削加工中，切屑的形成主要是由物理量的變化引起的，這樣就與實（shí）際加工不符合，難以適應實際加工中不同的加工工藝以及不同的材料的變化要求。物（wù）理準則更接近實際加工情況， 它是基於刀尖前單元節點的應力、應變等物理量的變化來判斷分離的, 首先設定物理量（liàng）的極限值，在仿真過程中（zhōng）,通過分析其是否超過極（jí）限值來判斷切屑分離（lí）與否, 其主要有等效塑性（xìng）應變準則、基（jī）於應變能密度準則和斷裂應力準（zhǔn）則（zé）。

      本文中采用（yòng）等效塑性應變分離（lí）準則， 即Marc中的重劃分（fèn）準則：在仿真過程中（zhōng），劃分（fèn）好的網格受到力的作用發生畸變（biàn）， 係統對畸變程度進行分析，當（dāng）其達到設（shè）定值（zhí）時（shí）， 程序就會自動重劃分網格，也可以稱為單元畸變準（zhǔn）則。這種分離準則對切屑分離時刃口半徑（jìng）的影響也進行考慮，同時切（qiē）屑的流向不需要設定，是（shì）由網格的（de）自動劃（huá）分來實現的，其畸變過程（chéng）如圖2 所示（shì）。如果Xn是開始步的坐標係，ΔXn是（shì）增量過（guò）程的位移，其有以下關係:

      3 有限元仿真結果

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

      圖2 顯（xiǎn）示了切屑的形成過（guò）程和等效應力分布。從仿真（zhēn）中（zhōng）可以看出切屑的形成過程： 彈性變形-塑性變形-刀尖處的切屑開始堆積-形（xíng）成切屑-形成穩定的連續切屑。

      圖3 為仿真出（chū）來的應力雲圖，可以看出：切（qiē）削變形有3 個變形區，分為第1 變形區、第2 變形區和第3 變形區， 其中變形應力在第1 變形區時最大， 並且可以發現在刀尖附近的變（biàn）形應力集中，這與切削加工原理（lǐ）一致。

      圖3 與圖4 為（wéi）不同前角在同樣狀態下的等效應力雲圖，由圖可知，切削力與前角有著緊密的關係：負前角越大，切削力明顯增大，這是由於負前角越大，靜壓力麵積越（yuè）大，刀（dāo）具越不（bú）鋒利；同樣可知：切屑的形成也與前角有關，負前角變大，這（zhè）時（shí）剪切角越小，切屑分離（lí）越難（nán）。

      將溫度的變化規律加入仿真，可以得到切削（xuē）溫度的變化規律如圖5 所示。圖5（a）為用雲（yún）圖的形式顯示的切削溫度圖，圖5（b）為其局部放大圖，由圖可知（zhī）：切削時最（zuì）高溫度在刀尖附近，但（dàn）並不在刀尖，同時切屑上的溫度（dù）較高， 而刀具前刀（dāo）麵的（de）溫度較低，這是由於切（qiē）屑發生了大部分的切削變形，而且（qiě）切屑還（hái）與（yǔ）前刀（dāo）麵發生了（le）滑動摩擦.

      4 結語

      討論了切（qiē）削加工（gōng）的仿真過程，並對相關結果進行了（le）分析。通過（guò）分析發現（xiàn）切（qiē）削加工的仿（fǎng）真結果與切削原理具有較高的吻合性，這說明（míng）有限元仿（fǎng）真具有較高的（de）可靠性，對其進行研究是很有必要的，這也是今後切削加工的研究方向之（zhī）一。