車削加工工藝參數(shù)對(duì)切削力的影響

1、車削加工工藝參數(shù)對(duì)切削力的影響車削加工工藝參數(shù)對(duì)切削力的影響車削加工工藝參數(shù)對(duì)切削力的影響V:1.0精細(xì)整理，僅供參考 車削加工工藝參數(shù)對(duì)切削力的影響日期：20 xx年X月基于DEFORM3D的車削有限元模擬摘要：本文在建立了車削三維有限元模型基礎(chǔ)上，運(yùn)用有限元法對(duì)45鋼的車削過程中切削用量對(duì)切削力影響進(jìn)行了模擬，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析討論。該模擬對(duì)現(xiàn)實(shí)工程應(yīng)用有較大的作用。關(guān)鍵字：車削 模擬 DEFORM3D1 引言金屬零件的加工方式可分為塑性加工、熱成形或壓力成形加工、機(jī)械加工、高能加工、電及化學(xué)加工等幾大類。在上述各種加工方法中，在機(jī)械制造過程所占比重最大的是機(jī)械加工中的切削加工和磨削加工；

2、而車削加工作為切削加工中應(yīng)用最廣泛的加工形式，其加工過程中的工藝參數(shù)一直成為研究的對(duì)象。本文利用STFC公司的DEFORM3D軟件對(duì)車削過程進(jìn)行模擬，并分析了不同的切削用量對(duì)切削力的影響。 車削加工過程中切削力的來源與分解 切削力的來源刀具總切削力是刀具上所有參與切削的各切削部分所產(chǎn)生的總切削力的合力。而一個(gè)切削部分的總切削力F是一個(gè)切削部分切削工件時(shí)所產(chǎn)生的全部切削力。它來源于兩個(gè)方面：三個(gè)變形區(qū)(剪切區(qū)、摩擦區(qū)、擠壓區(qū))內(nèi)產(chǎn)生的彈、塑性變形抗力和切屑、工件與刀具之間的摩擦力。切削時(shí)金屬的塑性變形如圖1所示，其中第變形區(qū)為剪切區(qū)，第變形區(qū)為摩擦區(qū)，第變形區(qū)為擠壓區(qū)。圖1 切削時(shí)金屬的塑性變形

3、 總切削力的幾何分力刀具切削部分的總切削力是個(gè)大小、方向不易測量的力。為方便分析，常將總切削力沿選定軸系作矢量分解來推導(dǎo)出各分力，即總切削力的幾何分力。圖2 外圓車削時(shí)力的分解(1) 切削力。是F在主運(yùn)動(dòng)方向上的正投影。在各分力中它最大，要消耗機(jī)床功率的95%以上。它是計(jì)算機(jī)床功率和主傳動(dòng)系統(tǒng)零件強(qiáng)度和剛度的主要依據(jù)。(2) 進(jìn)給力。是F在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向上的正投影，是設(shè)計(jì)或校核進(jìn)給系統(tǒng)零件強(qiáng)度和剛度的依據(jù)。(3) 背向力是F在垂直于工作平面上的分力。背向力不做功，具有將工件頂彎的趨勢，并引起振動(dòng)，從而影響工件加工質(zhì)量。用增大車刀主偏角的方法可以減小。F與各分力之間的關(guān)系為： (N) 切削熱和切削

4、溫度 切削熱的來源切削過程中所消耗的切削功絕大部分轉(zhuǎn)變?yōu)榍邢鳠?。切削熱的主要來源是切削層材料的彈塑性變?Q(變形)，以及切屑與刀具前面之間的摩擦(Q(前摩)、工件與刀具后面之間的摩擦(Q(后摩)。因而三個(gè)變形區(qū)也是產(chǎn)生切削熱的三個(gè)熱源區(qū)。 切削熱的傳散切削熱通過切屑、工件、刀具和周圍介質(zhì)(如空氣、切屑液)等傳散。各部分傳散的比例隨切削條件的改變而不同。據(jù)熱力學(xué)平衡原理，產(chǎn)生的熱量和傳散出去的熱量應(yīng)相等，即Q(變形)+ Q(前摩)+ Q(后摩)= Q(屑)+ Q(工)+ Q(刀)+ Q(介)切削熱產(chǎn)生與傳散的綜合結(jié)果影響著切削區(qū)域的溫度。過高的溫度不僅使工件產(chǎn)生熱變形，影響加工精度，還影響刀具

5、的壽命。因此，在切削加工中應(yīng)采取措施，較少切削熱的產(chǎn)生，改善散熱條件以減少高溫對(duì)刀具和工件的不良影響。2 DEFORM3D車削模擬 DEFORM軟件簡介DEFORM軟件是一套基于工藝模擬系統(tǒng)的有限元系統(tǒng)(FEM)，專門設(shè)計(jì)用于分析各種金屬成形過程中的三維(3D)流動(dòng)，提供極有價(jià)值工藝分析數(shù)據(jù)，及有關(guān)成形過程中的材料和溫度流動(dòng)。典型的DEFORM應(yīng)用包括鍛造、擠壓、鐓頭、軋制，自由鍛、彎曲和其他成形加工手段。DEFORM由美國SFTC公司研發(fā)成功，它的理論基礎(chǔ)是經(jīng)過修訂的拉格朗日定理，屬于剛塑性有限元法，其材料模型包括剛性材料模型、塑性材料模型、多孔材料模型和彈性材料模型。 車削模擬參數(shù)設(shè)置 工

6、件材料屬性定義在此次模擬過程中，工件材料選用45鋼，泊松比為。表1 45鋼的彈性模量圖3 45鋼彈性模量溫度曲線表2 20圖4 20由于流變應(yīng)力是關(guān)于應(yīng)變、溫度、應(yīng)變率的函數(shù)，因此45鋼在20時(shí)的流變應(yīng)力曲線只是其關(guān)于應(yīng)變以及應(yīng)變率的函數(shù)，DEFORM中關(guān)于45鋼的流變應(yīng)力溫度曲線描述溫度范圍為：20、100、300、500、700 車削模擬參數(shù)設(shè)置1.打開DEFORM3D，選用Machiningcutting模塊，單擊進(jìn)入，文件名定義為Turing1,單位使用國際單位制(SI)。 type選取turning后定義切削用量的參數(shù)。在此次模擬過程中，背吃刀量(depth of cut)依次選取、

7、及；進(jìn)給量依次選取r、r及r；切削速度依次選取為min和min。3.車削過程中環(huán)境溫度設(shè)置為20；熱對(duì)流系數(shù)為 N/sec/mm/c；刀具與工件間的摩擦類型選擇剪切摩擦，摩擦系數(shù)設(shè)置為；工件與刀具間的熱傳導(dǎo)系數(shù)為4.刀具選擇DEFORM3D中自帶CNMA432型車刀，刀架選擇DCKNL型刀架。車刀主偏角為45，前角為12，刃傾角為-5，刀尖圓弧半徑為。5.車刀網(wǎng)格數(shù)目為35000，網(wǎng)格極限尺寸比為1：4；車刀的所有面與空氣均存在熱交換。圖5 車刀的網(wǎng)格模型6.為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，工件選取30圓弧截面，網(wǎng)格極限尺寸比為1：7，被切削部分網(wǎng)格局部細(xì)化，最小網(wǎng)格的尺寸約為進(jìn)給量的5%。圖6 工件的網(wǎng)格模

8、型7.工件材料選擇為45鋼，左右端面及底面的自由度為0；外圓面與已加工端面為熱交換面。8.計(jì)算步數(shù)設(shè)置為500步，計(jì)算數(shù)據(jù)每25步保存一次，切削角度為30；迭代類型使用拉格朗日迭代法則。9.刀具磨損準(zhǔn)則使用usui模型，具體表示形式如下式所示： 式中：p接觸壓強(qiáng) V相對(duì)速率 T接觸溫度(絕對(duì)溫度) a，b試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)此次模擬過程中，。10.檢驗(yàn)數(shù)據(jù)正確后，生成data文件，進(jìn)行計(jì)算。 切削用量對(duì)切削力的影響 切削力的幾何分力之間的關(guān)系以ap=、f=r以及v=min為例，觀察切削力、進(jìn)給力、背向力以及總切削力F的曲線。圖7 、以及F與車刀行程的曲線觀察圖7，我們發(fā)現(xiàn)在車削過程中，切削力的大小逐漸

9、由零增加至相對(duì)穩(wěn)定值的，并且在車削即將結(jié)束時(shí)，切削力的大小又是由穩(wěn)定值逐漸減?。辉谇邢髁Φ娜齻€(gè)幾何分力中，切削力最大，且遠(yuǎn)大于進(jìn)給力以及背向力，而背向力又遠(yuǎn)大于進(jìn)給力，總切削力F大小與切削力相近。 背吃刀量ap對(duì)切削力的影響保持進(jìn)給量f=r,進(jìn)給速度v=min不變，分別模擬背吃刀量ap=、ap=以及ap=情況下的車削過程，觀察切削力、進(jìn)給力、背向力以及總切削力F的曲線。處理DEFORM軟件后處理中關(guān)于切削力的相關(guān)數(shù)據(jù)，ap對(duì)切削力、進(jìn)給力、背向力以及總切削力F的影響如圖所示：圖8 ap對(duì)進(jìn)給力的影響圖9 ap對(duì)切削力的影響圖10 ap對(duì)背向力的影響 圖11 ap對(duì)總切削力F的影響到達(dá)平穩(wěn)狀態(tài)時(shí)

10、不同ap情況下切削力、進(jìn)給力、背向力以及總切削力F的大小如表3所示：表3 ap對(duì)切削力的影響表4 ap增量切削力增量的關(guān)系圖12 平穩(wěn)狀態(tài)時(shí)切削力行程關(guān)系觀察表3、表4以及圖12，我們發(fā)現(xiàn)背吃刀量ap增加100%，切削力也增大100%，而進(jìn)給力增大約150%，背向力增大約60%，總切削力F增加90%左右，因此背吃刀量對(duì)總切削力的三個(gè)幾何分力的影響程度是不盡相同的。 進(jìn)給量f對(duì)切削力的影響由于主切削力的三個(gè)幾何分量中切削力的比重遠(yuǎn)大于背向力和進(jìn)給力，因此在討論進(jìn)給量f與切削速度v對(duì)主切削力的影響時(shí)，我們僅僅討論其對(duì)切削力的影響。圖13 f對(duì)切削力的影響觀察圖13，我們可以發(fā)現(xiàn)，隨著進(jìn)給量f的增加

11、，切削力也隨之增加。比較相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的切削力大小，表5 f增量與切削量增量的關(guān)系觀察表5，我們發(fā)現(xiàn)進(jìn)給量每增加100%，主切削力增加約85%，這表明相比于背吃刀量ap而言，進(jìn)給量f對(duì)于主切削力的影響相對(duì)要小一點(diǎn)。 進(jìn)給速度v對(duì)切削力的影響圖14為進(jìn)給速度分別為min、min兩種情況下主切削力的變化趨勢。圖14 v對(duì)主切削力的影響觀察圖14，我們發(fā)現(xiàn)處于低速切削狀態(tài)時(shí)的進(jìn)給速度v對(duì)主切削力的影響較小。其相對(duì)值如表6所示：表6 切削速度的增量與主切削力的增量關(guān)系由表6可以看出，進(jìn)給速度v對(duì)切削力的影響較小。 DEFORM3D車削模擬結(jié)果的可靠性分析 計(jì)算切削力的經(jīng)驗(yàn)公式通過大量實(shí)驗(yàn)，由測力儀測得

12、切削力后，所得數(shù)據(jù)用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行處理，即可得出計(jì)算切削力的經(jīng)驗(yàn)公式。用指數(shù)公式計(jì)算切削力，在金屬切削中得到廣泛應(yīng)用，常用指數(shù)公式形式如下：式中：取決于被加工金屬和切削條件的系數(shù)的指數(shù)修正系數(shù)此次模擬工件材料為結(jié)構(gòu)鋼，車刀為硬質(zhì)合金刀，查詢手冊有，各系數(shù)如表5所示：表7 公式中的系數(shù)及指數(shù)表8 公式中的修正系數(shù)由表8可以求得，修正系數(shù)為： DEFORM3D模擬結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式誤差比較表9 仿真結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式誤差比較由表9可以看出，deform3d的模擬結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式吻合較好，應(yīng)用于實(shí)際工程的可靠性較高。3. 結(jié)論1. 車削過程中，主切削力的三個(gè)幾何分力逐漸由零到達(dá)相對(duì)平穩(wěn)狀態(tài)，且相對(duì)平穩(wěn)狀態(tài)存在振

13、蕩現(xiàn)象，在現(xiàn)實(shí)加工過程中這一現(xiàn)象是由背向力導(dǎo)致的工件振動(dòng)引起的；而在DEFORM3D中由于無法模擬振動(dòng)過程，而同樣出現(xiàn)切削力的振蕩現(xiàn)象，這應(yīng)當(dāng)是由于軟件在模擬過程中，由于工件時(shí)通過網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)來傳遞作用力的，而刀具在切削的過程中接觸到刀具的節(jié)點(diǎn)是不斷變化的，這就導(dǎo)致了切削力的振蕩現(xiàn)象。2. 車削過程中，切削力是切削力一個(gè)主要分力，同時(shí)也是能量消耗的主要渠道；而進(jìn)給力相比于背向力又比較小，不過背向力在車削過程中不做功。3. 車削過程中，背吃刀量ap對(duì)切削力的影響最大，ap增大一倍，切削力也增大一倍，這一點(diǎn)無論是從軟件模擬還是經(jīng)驗(yàn)公式都符合的很好；進(jìn)給量f對(duì)切削力的影響沒有ap那么顯著，f增大一倍，

14、切削力大約增大85%，與經(jīng)驗(yàn)公式中f的指數(shù)為吻合的較好；因此從節(jié)約能源的觀點(diǎn)來說，選用較大的f比選用較大的ap更為有利；在低速切削時(shí)，切削速度v對(duì)切削力的影響較小。4. 展望通過DEFORM3D軟件進(jìn)行車削操作模擬，得到的結(jié)論與實(shí)際吻合的較好，不過仍存在一些不足，在以后的研究工作中展望如下：1.由于經(jīng)驗(yàn)公式與軟件模擬都無法模擬出低速切削過程中積屑瘤對(duì)切削力的作用，因此DEFORM3D的車削模擬結(jié)果相對(duì)保守，應(yīng)當(dāng)結(jié)合試驗(yàn)添加修正因子。2.此次模擬過程屬于低速切削，而實(shí)際生產(chǎn)過程中，為避免積屑瘤劃傷工件，通常使用高速切削，以后應(yīng)當(dāng)提高模擬過程中切削速度的取值寬度，在較寬范圍內(nèi)研究切削速度對(duì)切削力的影響。3.結(jié)合切削力的大小，研究切削力對(duì)刀具磨損的影響。參考文獻(xiàn)1. 方子