45号钢高速加工中切屑成形的数值模拟研究.doc

45号钢高速加工中切屑成形的数值模拟研究 【摘要】通过建立的正交切削有限元模型，采用Cockroft-Latham切屑断裂标准作为工件材料失效准则对45号钢高速加工过程进行了数值模拟，得到了崩碎状切屑的形成过程。并对切削过程中获得的切削力曲线及切削温度场分布进行了分析。加工过程中由于崩碎状切屑的不断产生导致切削力及切削温度产生较大的波动。数值模拟结果为进一步研究45号钢高速加工切削机理及切削参数优化、刀具几何尺寸的设计提供了基础。 【关键词】45号钢;高速切削；崩碎状切屑；数值模拟 在高速切削加工过程中，由于切削速度的增加，切削现象有了很大变化。最显著的特征是很多金属的切屑形状发生改变。在低速切削时，大多数金属的切屑形态主要是连续状，但是在高速切削时，许多金属切屑成形机理会发生变化，切屑形状以锯齿状、崩碎状为主。因此研究工件材料切屑成形过程对于研究金属高速切削加工机理有重要的意义。随着计算机技术的飞速发展，数值模拟方法大量应用于切削加工机理研究。对于切屑成形的数值模拟研究，国内外学者已经做了大量有意义的研究工作。Shi[1]采用了有限元方法模拟了材料连续状切屑形成。Obikawa[2]基于应变的破裂准则模拟了锯齿状切屑成形，Ceretti[3]基于能量破裂准则模拟了锯齿状切屑成形，Baker[4]基于绝热剪切理论利用纯变形方法模拟了钛合金Ti6Al4V锯齿状切屑成形。成群林[5]采用有限元方法模拟了ansi 4340 不连续状切屑成形过程。 本文以45号钢的高速切削过程为研究对象，以崩碎状切屑成形过程为研究目标，通过建立正交切削有限元模型对45号钢的高速切削过程进行了数值模拟及对其切削机理进行了深入的研究。 1 切削加工有限元模型 45号钢高速正交切削加工的有限元模型如图1所示。因为在高速切削过程中工件材料会发生严重变形，所以必需对工件待切削层网格进行细化，同时为了减少有限元计算时间，工件底部网格则进行适当的粗化。数值模拟时工件和刀具都采用四边形网格，工件底边的6个自由度均被约束住。同时也对刀具前刀面的网格进行细化，并对刀具给定速度边界条件。 图1 初始有限元网格模型 2 工件材料模型 高速切削加工是一个涉及高温、高应变和高应变率的动态过程，其应变及应变率都非常高。而Johnson-Cook材料模型能很好的反映高速加工过程中的温度软化效应，加工硬化效应，因此有限元模拟中45号钢的材料模型采用Johnson-Cook材料模型，模型表达式如式（1）所示： （1） 式中：、、、、为材料参数。45号钢的材料模型参数如表1所示[6] 表1号钢材料模型参数 A（MPa） B(MPa) N C m 507 320 0.28 0.064 1.06 3 材料破裂模型 在高速切削加工中，塑性应变对材料失效破裂起重要影响，对于45号钢的切削过程，工件材料被去除而形成崩碎状切屑。M.A. Elbestawi和El-Wardany T [7]应用断裂力学理论对高速切削中工件材料裂纹萌生和扩展方向进行预测，指出当工件材料自由表面的能量达到某一临界值时，便产生裂纹，裂纹沿着应变能密度最小的方向不断扩展，进而造成材料断裂，切屑成崩碎状飞出。在45号钢的数值模拟过程中崩碎状切屑的形成由切屑断裂标准实现。材料断裂和裂纹扩展现象很复杂，这里按照M.A. Elbestawi的研究方法，从能量角度出发建立切屑断裂标准。考虑到金属材料变形断裂的相似性，应用Cockroft-Latham[8]切屑断裂标准，通过高温拉伸试验计算出断裂塑性能，并同金属材料变形断裂所需的能量建立映射关系，将其作为判断金属材料延性断裂的临界能量值，标准描述如下： （2） 式中：为高温拉伸断裂时的总应变；为等效应力；为等效应变；为最大拉伸应力；为临界断裂值。 4 热传导控制方程 金属切削加工的热传导是由直角坐标系的偏微分能量方程控制的： (3) 式中：为热传导系数，为体积热产生率，为材料密度，为材料比热。金属切削过程中的热产生率对于刀具的磨损、加工表面的质量、工件残余应力的产生都有重要的影响。工件的塑性变形以及刀屑界面滑动摩擦产生的热流率可以表达为 . (4) 式中：为等效应力，为等效塑性应变率，为单元的体积。 金属切削加工所产生的热主要集中在第一和第二变形区。在第一变形区，工件以较高的应变率承受大的剪切变形，所以该区域温度的升高主要是由塑性变形产生的。在第二变形区，温度的升高主要是由刀屑之间的摩擦相互作用产生的。热产生的增量方程可以表达为 . (5) 式中：为温度增量，为功热转换因子，为转换效率