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切削加工中的有限元模拟 |
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作者：Berend Denkena、Luis De Leon、Maya Otte 来源：德国Werkstatt + Betrieb 杂志 |
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借助于有限元分析工具（FEM）的灵活性可以全面地描述切削过程；与实验测试相比，有限元分析可以更好地描述难以测量或者原本无法描述的加工过程。
切削过程的建模以及模拟对于降低加工工时和成本至关重要。模拟作为开发工具可以用于质量管理和质量优化，并尽可能降低生产起步阶段的风险和试制费用。有限元分析（FEM）是一种数学方法，尤其适用于解决与工程实际相关的问题，并能在更广的范围内传播。首先将需计算区域划分为若干大小有限的小单元。在每一个不等于0的有限单元内寻找解决方案。整个区域的解决方案通常情况下由相当庞大但精巧的、填充好的线性方程式运算得出。
使用有限元模拟可以借助数学方法对切削过程进行重建，同时将整个过程中任意部位和时间点的温度、延展、延展率、应力和受力计算出来。因此，有限元模拟可以用来支持不同场合下的实验研究（图1）。 
图1 切削加工中的有限元分析
在刀具开发过程中，诸如刀具磨损和生产效率等的因素将发挥决定性的作用，因为在整个加工过程中生产效率和质量受到影响。刀具结构的优化可以提高刀具本身的使用寿命和加工质量。为了获得比较优化的刀具几何结构，需要考虑切削过程中的热负荷和机械负荷。此外需要分析沿刀刃和位于刀具内部的应力和温度。切削刃接触区域内应力、延展、延展率以及温度的详细信息可以用于分析切屑形成的机制。
工件方面，借助有限元方法可以预测固定工件的边缘区域所受到的影响。对工件内应力形成机制的研究可以用来控制切削过程并进一步调整特定边缘区域的特性。
图2的实例是直角切入式磨削的建模过程。第一步，使用有限元软件（本例中采用了“Deform 2D”）按照给出的几何参数将刀具自动划分网格。工件划分网格后再施加额外的边界条件。根据工件的弹性-塑性形变计算结果选择合适的材料模型。确定立方体之间的接触条件之后，可以设置工件的运行速度。然后开始计算，并对位于不同位置的观察点进行评价。图2显示的是切削过程中X轴方向上的评价结果。
图2：直角切入式磨削的2维模型
由于有限元分析无法完全反映实际过程中的情况，因此在使用有限元模拟软件时有必要对结果进行检查。在建模时就可以发现实验和模拟之间的偏差。例如，对大型工件进行切削实验时，有限元模拟只能对整个范围内的一小部分进行分析。所使用的材料需要利用材料模型根据实际的材料特性进行重建。利用实验的结论数据可以对比切削类型、受力或者内应力。
有限元分析方法可以从时间和位置精度进行评价，是实验方法的有效扩展。因此，通过有限元建模可以获取额外的信息，比如在切屑形成期间摩擦和接触区域的情况。有限元模拟不仅仅能够对切削实验进行补充，甚至还可以将其扩展到更广的范围。
直角切入式磨削过程的2维模拟
下面例举直角切入式磨削过程中的2维有限元模拟进行解释。模拟的目的是获取硬质切削过程中大小和尺寸效应对切屑、切削力和内应力的影响。有限元建模需要使用通过Poulachon软件获得的材料数据。另外，有限元模拟对比实验数据进行检查。
图3显示了加工硬化的100Cr6材料的切屑形成过程。上方第一排是借助部分加速的办法找到的切屑根源，图片下方是有限元模拟的结果。下方是将模拟得出的切削力 和实验测得的切削力进行对比。左侧表明当切削厚度rβ和切削刃倒圆h均等于120微米时的结果。右侧表明当切削厚度rβ和切削刃倒圆h均等于8微米时的结果。
图3：不同大小的切削厚度和切削刃倒圆下的切屑形成情况以及受力情况
当rβ/h的比例=1、切削厚度h=0.12毫米或者=0.008毫米时，可以获得很好的关于切屑形成和过程受力的模拟结果。在分析工件边缘区域的内应力时，尤其需要注意切削模拟过程中材料的弹性-塑性特性。直角切入式磨削过程的模拟之后是进一步的模拟分析。去除工件上机械负荷和热负荷，撤销刀具和工件之间的接触，并使零部件冷却至环境温度。此后，零部件内保留的是残余应力和内应力。这里仍需要保证实验数据与模拟结果的一致。
利用有限元方法可以对加工过程中的温度产生机理进行更深入的分析研究，而实验方法无法获取这些数据。图4展示了使用刀具在不同的直角切入式磨削工艺参数下切削C45E材料的温度模拟。温度最高区域一般来说出现在相同的切削面上倒圆较小（rβ=0.01毫米），而切削厚度较大（h=0.02毫米）的部位。随着比例系数rβ逐渐增大，温度最高区域将从切削面转移至表面（图4，中图及右图）。
图4：不同切削刃倒圆下的温度情况
通过以上这些结果可以发现过程中温度最高点的位置参数rβ相关。随着rβ-h比例系数的增大，更多的热量将传至工件，而切屑带走的热量更少。因此刀具的大小和形式可以对温度最高点的位置分布和情况施加影响，进而调节刀具上受到的热负荷。在刀具开发阶段刀具所受负荷将对刀具的几何布置产生很大的影响。有限元模拟可以作为一种行之有效的辅助工具，避免花费巨大的实验就能获取热负荷和机械负荷的情况。图5展示了在硬车过程中不同形状的咬边情况下刀具所受的负荷状态。模拟结果表明：咬边的大小将在很大程度上影响刀具的稳定性，而且外表面的几何形状可以降低刀具受到的机械负荷。 
图5：硬质车削刀具负荷模拟
铣削过程的3维模拟
为了借助有限元模拟方法重建铣削过程，需要首先建立工件和刀具的3维模型。有限元软件中的自动划分网格功能使用户可以按照特殊的需求进行划分。铣削过程的建模可以利用Deform 3D软件进行。
图6显示的固定刀具上，刀具与工件接触的部分进行了更加精细的网格划分。在这个实例中刀具作为刚性体建模。按照定义好的速度和方向驱动工件。工件与刀具的接触进行了更加精细网格划分，这样使得应力和温度的斜率更分散。这是更好地描述切削力和模拟切削过程的前提条件。计算的结果可以显示细节，用于评价输出变量。图6下图显示了第三次切削后的温度分布。
图6：铣削过程的3维模拟
上文介绍的模拟程序可以用于铝质材料的高速铣削。过程参数可以分为切削速度、进给量和铣削头几何尺寸，目的是分析工件边缘区域内的切削力和应力。图7显示了过程受力与进给量之间的关系。与通过实验获取的受力相比较可以发现两者的结果比较一致。另外也可以借助实验中获取的受力来检查模拟中的切削速度和切削角度的变化。
图7:铣削加工中进给量对受力的影响
更深入地理解切削过程
综上所述：调查数据说明借助有限元方法可以重建切削过程。其中，2维模拟可以用于分析直角切入式磨削过程，而3维模拟可以用于分析铣削过程。与实验研究相比，模拟方法既可以单独分析刀具所承受的热负荷以及机械负荷，还可以从时间、空间的角度进一步分析。还可以分析实验中无法探究的领域，诸如温度分布。最佳的输出结果是借助实验数据来检查模拟结果，例如对比过程受力或者切屑形式。反过来利用实验结果也可以检查模拟的结果。模拟方法还可以准确预测切削刀具上各种负荷的共同作用和工件的影响，对切削过程也将有一个更加深入的理解。目前的模拟工作使用了涂层刀具。借助模拟结果可以分析工件参数的影响，诸如热传导性能以及热传导相关系数。(end)
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(4/2/2010) |
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