固体力学学报Ｖ０１．２６Ｓ．Ｉｓｓｕｅ蒡瑟拳专肯ＡＣＴＡＭＥＣＨＡＮＩＣＡＳＯＵＤＡＳＩＮＩＣＡＡｕｇｕｓｔ２００５切削速度对金属切屑形成过程影响的数值分析‟ 颜怡霞黎雏芬陶俊林徐伟芳（西南结构力学研究所，绵阳，６２１９００）摘要以金属块体为研究对象，通过对切屑形成过程的三维数值分析，研究了切削速度对切屑形成的影响．计算结果展示了不同切削速度下形成不同形态的切屑，在较低的切削速度下形成连续切屑流；而在较高的速度下则呈现出不连续的切屑碎片．同时随着切削速度的提高，工件中的应力和切屑温度也随之增大．关键词切削速度。切屑形态，有限元。三维０引言在切削加工过程中，刀具的形状和切削速度直接影响切屑的形貌，切割力以及最后产品的尺寸精度和刀具的生命力，因此切屑形成过程的控制是金属切削加工过程的重要课题．在切削加工仿真中，通过切屑形成过程仿真，可以预测切屑的类型及对切削加工过程的影响，从而实现切削控制．国内外学者图１金属块体切削的几何构形图就金属的切削工艺进行了大量的分析和实验研究“。１，对切屑控制和切屑机理的实验和理论研究也有一定深入，但是，对切屑形成过程的仿真还少有报道．本文采用有限元方法．建立三维热弹塑性率相关模型，对金属块体的切屑形成过程进行了数值仿真．分析了不同的切削速度对切屑形成过程的影响．图２金属块体切削的有限元模型获得了不同切削速度下的切屑形态、温度分布和应力分布．削方向）为＊轴，沿宽度方向为ｙ轴，沿深度方向为１有限元模型ｚ轴．１．１有限元网格模型的建立定义刀具沿ｘ方向做平动，进刀速度为１０ｒａｍ／图１为一金属块体．其尺寸为５０１１１１１１ｘ２０ｉｒｔｎｌ× ∞一８０ｍ耐ｍｓ．１０ｎｌｎｌ，材料为某不锈钢，刀具的宽度为５ｍｍ．刀具工件的底端为固支边界，其余为自由边界．前刀面与工件的加工表面的夹角为４７０。刀具后爆炒基围虾
刀面工件、刀具的初始温度和环境温度均为２０℃；与工件的加工表面的夹角为３０，切削深度为４ｍｍ．工件和环境之间按照自然对流换热处理．对流换热建立如图２所示的三维切削模型，考虑到切屑系数取为１０Ｗ，ｍ２·℃．形成中，产生大变形，为防止网格过于畸变，将切屑１．２工件材料的属性和本构方程层和剩余工件表层的网格划分的较密．最小单元尺在切自十过程中，随着刀具的运动，工件发生变形寸为０．０１ｌｎｍ×０．０３ｍｍ，共２３２２６个六面体缩减积主要集中于两个变形区，主变形区是指从刀具的前分热耦合单元，２５５０个节点．将刀具视为刚性体，划端点延伸至未变形工件和已变形的切屑的相邻处．分了１８８个三维四节点刚体单元，定义刚体参考点在此区域，材料承受大的剪切变形．另外由于塑性变来描述刚体的运动．计算模型中沿块体长度方向（切形产生的热量也会使得此区域的温度升高．在次变·中国工程物理研究院基金项目（２００２０“６）资助专辑颜怡霞等：切削速度对金属切屑形成过程影响的数值分析…２１７‟形区内，切屑沿着工件表层和刀具交界面滑移。此变、ｆａ２Ｔａ２Ｔａ２Ｔ１形区内，切屑沿着工件与刀具的交界面滑动，这里的３Ｉ万＋可＋万Ｊ一，、温度升高是由于刀具和切削交界面的摩擦生热而造成的．因此切削工艺从整个加工过程来看，虽然属于一ｃ（ｕ筹＋”筹＋；警）＋ｏ＝０式中：Ａ、ｐ、ｃ分月Ⅱ为材料的热传导系数、密度和比冷加工范畴，但就切屑形成的局部来看，却具有高温热，ｊ、扎：为直角坐标，Ⅱ、”、ｍ为运动热源在ｚ、扎＝的特点．金属在高速切削下。剧烈的摩擦和塑性变形三个方向的速度分量，Ｏ为单位体积的热产生率使得局部区域的温度迅速上升，材料的
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熊猫便当各种性能参数势必受到温度的影响．为了分析这种与高温、高应口＝社‟／Ｊ（３）变率速率耦合的大变形和断裂问题，本文采用了热式中：口为塑性变形功转化成热能的比率，按照经力耦合的动态显示积分有限元方法。采用幂指数函验，对金属一般取∞＝０．９，；为等效应力。Ｊ为热功数”１描述切削过程中金属的高应变率行为。当以≥ 当量系数．·“时，服从下式方程（２）必须满足方程（４）和方程（５）所代表的边界条件：“吼１＋（吾）”１刀具的前刀面与切屑以及后刀面与已加工表面之同的摩擦生热如下式所示式中：；“为等效塑性应变率，；，和％分别为动态等Ｇ＝ｒ，ｖ，／Ｊ（４）效屈服强度和静态屈服强度。Ｄ、ｐ为应变率参数，式中：ｒ。ｑ分别为接触界面的切应力、两个接触面本文的计算中分别取１５００、６”１．的相对滑动速度．材料符合ＶｏｎＭｉｓｅｓ屈服准则，材料进入塑性状切削过程中，假设摩擦生成的热量一半传递给态后，遵循各向同性硬化法则．材料性能参数随温度刀具，另一半传递给工件材料．的变化““，如图３所示。材料的泊松比Ⅳ；０。３，密刀具和工件的自由表面与空气发生的对流散热度为Ｐ＝７．８×１０‟ｋｇ，ｏ．比热为Ｃ＝４５０Ｊ／ｋｇ·℃．由方程（５）决定ｑ。＝ｈ（Ｌ一瓦）（５）式中：ｈ为对流换热系数；Ｌ和Ｌ分别代表工件叠ｏ（或刀具）的表面温度和环境温度．切削过程中，通过辐射方式传递的热量所占比例很小。可以忽略不计．Ｉ．４切屑形成的模拟Ｔ／‟Ｃ切削加工是一个被加工材料不断分离的过程。（曲导热系数和弹性横量１５０在这个分离过程中形成切屑，切屑分离发生的时候，１４５１４０：翟同时会伴随很多物理现象的产生，例如产生大的塑１３５１３Ｏ器ｌ性变形、热生成、摩擦和损伤等，因此有限元模拟必１２５４００寸须选择合适的分离准则使得切屑从工件中发生分１２Ｏｌｌ５离．目前，
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模拟切屑与工件的分离一般有两种方１ｌ０１ｎ５？法“１：几何分离准则和物理分离准则．几何分离准则主要是通过变形体几何尺寸的变化来判断分离与（ｂ）热膨胀萎繇失效艘（ｂ）热膨胀系数和失效应变否，物理准则则是基于物理量（等效塑性应变、应变能量密度、断裂应力等）的值是否达到了临界值而建图３不锈钢的材料性能参数随温度的变化立的．有资料表明后者较前者更适合于切肩形成的模拟”｝．１．３热传导本文采用物理准则模拟切屑的形成，利用最大切削加工过程中有大量的热产生，导致工件迅塑性应变准则判断切屑的分离和断裂，计算中失效速升温．空间热传导偏微分方程如下式应变取为０．３．·２１８·固体力学学报２００５年第２６卷１．５切屑与刀具的接触和摩擦的模拟ｃ型切屑流，当口＝５０ｍｒｒＬ，∞时，形成不连续的切屑为模拟工件和刀具之同的接触行为，并考虑到片．主要是由于切削速度提高，应变速度加大，导致切屑形成后，不仅切屑与刀具之间存在接触关系，工脆性的增加，易于形成切屑碎片．件的剩余部分与刀具也仍然是接触关系，本文进行图５为口＝４０ｍｍ／ｍａ和口＝５０ｎｌｌＩｌ，８时工件和接触计算时采用侵蚀接触算法”１来模拟工件和刀具切屑的温度分布．在切削过程中塑性功生热和摩擦生热是引起工件和切屑温度升高的主要因素，工件刀具和工件之同的摩擦是一个复杂的行为，其层和切屑层上温度的最高点在与刀具接触点及附摩擦系数不仅与材料的加工方式和材料性能有关，近，远离热影响区的温度几乎不变．切削速度直接影而且还与切削的速度和温度等因素有关，是一个变响切削的温度场；在仿真的切削速度范围内，随着切化量，为了简化模型，本文采用了简单的库仑摩擦模削速度的增加。切屑的
最高温度也升高．型来描述，即使摩擦系数为定值，摩擦系数为０．８”‟．１．６动态显式积分的基本控制方程”１在一个时间步中，温度场的计算采用向前差分口：四＝硝＋出。０７（６）运动方程的计算采用中心差分时间积分ｆｉ：＋。。，＝ｉ？。一。。，＋兰！ｎ二学ｉ：，（７）【“：＋ｍ）＝Ⅱ？＋Ａｔ（．＋ＡＪｉ？。＋＾ｎ）Ａｔ≤幽【等，昔）（８）式中：Ｌ。。为单元的最小特征尺寸，巳为介质中的弹性波速，ａ＝ｋ／ｐｃ，＊为介质的导热率．金属块体切屑形成过程进行了计算．计算表明，当切削速度为１０ｍｍ／ｍｓ一４０ｍｒＩｌ，ｍ时，形成的切屑为连续的切屑流，而当切屑速度大于５０ｍ【１１，一时．则形ｍ“ｓ时块体的等效应力分布云图，其中图４（ａ）一图４（ｃ）为切削速度为４０ｍｍ／ｍｓ的应力分布图；图４（ｄ）一图４（０为切削速度为５０ｍｎｄｍａ的应力分布图．云纹图表明了在两种切削速度下的工件应力以及切屑形成过程和切屑的形状．在切削过程中，刀具前端局部区域的工件材料迅速受热软化。其屈服强度随温度的升高而降低，这导致局部塑性大变形的产生，此时，材料的塑性应变超过ｌ临界值时，材料失效，失去承载能力．切屑就形成了．由图可知，在切削过程中．应力较大的部位集中在剩余工件的表层和切屑层的里层，远离切削处酌应力较小；当刀具切到金属的某一位置时，该处的应力最大；而当刀具离开时，该处专辑颜怡霞等：切削速度对金属切屑形戚过程影响的数值分析·２１９·图５切削速度分别为４０ｍｉ曲ａｓ和５０ｍｉｎｉｍ８的温度分布固３结论本文以金属块体为研究对象，通过对切屑形成过程的数值分析，研究了切削速度对切屑形成的影响．数值模拟建立了率相关的热弹塑性模型来模拟材料在高温区的热、力学行为；采用侵蚀接触算法描述刀具与工件以及刀具与切屑之问的相互作用；同时利用单元
黎明个人资料删除法实现切屑的分离与破坏，从而实现了切削过程的三维数值仿真．计算结果展示了不同切削速度下形成不同形态的切屑。在较低的切削速度下形成连续切屑流；而在较高的速度下则呈现出不连续的切屑碎片．在仿真的切削速度范围内，切屑的温度随切削速度的增加而升高．切屑形态与多种因素相关，包括材料的性质、切削的速度以及切削的方式等。同时一方面是切削速度的提高。导致脆性增加，易于形成切屑碎片，但是另一方面切削速度提高，引起切屑温度增加，致使脆性减少，因此提高切削速度对形成切屑碎片的倾向具有综合作用．本文仅就切削速度的影响进行了初步分析，对切屑形成过程机理的研究还需要进一步深入．圈４切削速度分别为４０ｍｌＤ，ｍ目和５０ｍｍ／ｎｍ的等教应力分布图参考文献● ｌＳｅｒｇｅＪａｓｐｅｒｓ．ＭｅｔａｌＣｕｌｌｉｎｇＭｅｃｈａｎＪｃａ８ａｎｄＭｅｌｅｒｌａｌＢｅｈａｖｉｏｒ．Ｔ∞ｈｎｌｓｃｈｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｅｉｔＥｉｎｄｈｏｖｅｎ，１９９９２周振华等．金属切割原理．第二版，上海：科学技术出版社，１９９３３华南工学院，甘肃工业大学主编．金属切削原理及刀具设计．上海：科学技术出版社，１９８３．４ＬｉｕＣＲ．Ｃ，ｕａＹＢ．Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｅｆｌｅｃｔｏｆｍｅｑｕｃｎｔｉａｌｃｕｔｓ训ｍＩ—ｃｈｉｐｆｒｉｃｔｉｏｎｏｎｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｅｓｉｎａｍａｃｈｉｎｅｄｌａｙｅｒ．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌｓｃｊｅｎｃ髓．·２２０·固体力学学报２００５年第２６卷２０００。４２：１０６９—１０８６７Ｙ肌Ｙｉｘｌａ．ＹｉｎＹｉｈｕｉ。ＬｉＷｅ
不要放弃
ｌｆｅｎ．３一ＤＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＯｎ５ｒａｂｉｄｋａｌｈｏｒｉ．ＭｏｄｅｌｌｉｎｇａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＣｕｔｔｉｎｇ．ｔｈｅＣｈｉｐＭａｃｈｉｎｉｎｇＰｒｏｃｅ船ｏｆ８Ｂｌｏｃｋ．ＪＯＵＲＮ札０ＦＭｅｔａｌＤｏｏｔｏｒａ〕Ｔｈｅｓｉｓ．Ｔｈｅｐｏｌｈｅｍｔａｂ叮ａｌｏＨＤｉｖｉｓｉｏｎｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒＳＨＡＮＧＪＩ＾ＯＴＯＮＧＵＮＩＶＥＲＳＩ吖，２００４。３８Ａｉｄｅｄ１）ｅｅｉｇ＿ｒｔＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ０ｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．２００１８ＡＢＡＱＵＳｔｈｅｏｒｙｍａｎｕａｌ．６方刚．曾攀．切削加工过程数值模拟的研究进展．力学进９…工程材料实用手册）编辑委员会．工程材料实用手册展，２００１．３１（３）：３９４—４０４（第一卷：结构钢、不锈钢）北京：中国标准出版杜。２００１ＮＵⅧＲＩＣＡＬＳⅡ小Ⅱ，ＡＴｌ０ＮｏＮＥＦＦＥＣＴ０ＦＴＨＥＣＵＴＴ矾ＧＳＰＥＥＤｏＮＴＨＥＣｌⅡＰＦＯＲＭＡＴＩＯＮＩＮＭＥＴＡＬＣＵＴＴⅡ呵ＧＹａｈＹｉｘｌａＩ．ｉＷｅｉｆｅｎＴａｏＪａｎ〕ｉｎＸａＷｅｉｆａｎｇ（１ｒｕｔ／ｖａｅｏｆ５０ｘａｈｗｅ．ⅡＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＭｅｃｈａａｉｄ，Ｍｉａｎｙａａｇ，６２１９００）ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｅｃｈｉｐｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｓｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｆｏｒｔｈｅｍｅｔａｌｃｕｔｔｉｎｇ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆａｍｅｔａｌｂｌｏｃｋｉｓ‟ｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙｓｉｍｕｌａｔｅｄｂｙｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｅｘｐｌｉｃｉｔＦＥｃｏｄｅＡＢＡＱＵＳ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｓｐｅｅｄ０１１ｔｈｅｃｈｉｐ月满楼
ｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｓｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅｍｏｄｅｌｅｘｈｉｂｉｔｓｔｈｅｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｆｒｏｍｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｏｓｅｇｍｅｎｔｅｄｃｈｉｐｓｗｉｔｈｉｎｃｒｅ‟ａｓｉｎｇｃｕｔｔｉｎｇｓ
ｐｅｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｃｕｔｔｉｎｇｓｐｅｅｄ，ｃｈｉｐｆｏｒｍａｔｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ＦＥＭ，３－Ｄ.
