【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 鋼成分成分CMnPS含量(%)——對(duì)復(fù)雜的工藝過程進(jìn)行模擬，模擬的時(shí)間會(huì)達(dá)幾個(gè)星期甚至幾個(gè)月，是很不經(jīng)濟(jì)的。為了加快模擬運(yùn)算速度，提高效率，必須對(duì)模擬過程做適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，以期在較短的時(shí)間里獲得所需的主要信息，確定適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格數(shù)目，合理的分配網(wǎng)格密度就是其中一種方法。網(wǎng)格數(shù)目過多或者過少都不利于有限元的模擬計(jì)算，可根據(jù)零件變形情況，適當(dāng)?shù)念A(yù)設(shè)定網(wǎng)格數(shù)目，并對(duì)變形劇烈的區(qū)域預(yù)先實(shí)行細(xì)劃分，可大大減少計(jì)算時(shí)間[20]。在本文中，使用DEFORM2D建立的有限元分析模型如圖32所示。刀具劃分1000個(gè)平面應(yīng)變單元；工件形狀截面為3mm2mm矩形，初始時(shí)劃分為3000個(gè)平面應(yīng)變單元。從圖中可以看到，刀具刀刃處和工件與刀具接觸的區(qū)域網(wǎng)格比較密集，其它地方比較稀疏，這是由于DEFORM2D具有自動(dòng)調(diào)整應(yīng)變單元疏密程度的功能，根據(jù)切削模擬情況能夠重新重劃網(wǎng)格，在發(fā)生力的作用集中、劇烈的區(qū)域應(yīng)變單元會(huì)變密，其它區(qū)域會(huì)變疏，以節(jié)省計(jì)算機(jī)運(yùn)算資源，所以不需要另行設(shè)置應(yīng)變單元參數(shù)。在圖33中，顯示了已經(jīng)切削了一段的有限元模型狀態(tài)，可以看到網(wǎng)格被重新劃分，疏密程度與最初的時(shí)候不同。在模擬中，默認(rèn)限制了刀具的y方向位移和右側(cè)邊界的x方向位移，限制工件的y方向位移，工件向右側(cè)運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于刀具從右往左切削工件材料。刀具看成理想剛性，沒有變形磨損，僅考慮刀具上發(fā)生地?zé)醾鬟f。圖32 應(yīng)用DEFORM2D建立的有限元分析模型示意圖圖33 切削一段時(shí)間后的模型狀態(tài)前面章節(jié)已經(jīng)提到，倒角刀具的刀刃形狀由倒棱在進(jìn)給方向上的投影長度W和倒棱與前刀面的夾角——倒角A來決定。所以，為了分析出倒角刀具對(duì)于切削過程的影響，必須要改變W和A的數(shù)值，通過它們的變化我們可以直觀地發(fā)現(xiàn)倒角刀具幾何參數(shù)與其它切削變量的關(guān)系，以及倒角刀具與無倒角刀具的不同。一般在實(shí)際生產(chǎn)中，W的取值介于0—，而倒角角度A的取值范圍則是 20176。—45176。之間。為了能夠有效率地模擬分析倒角刀具的切削情況，我從中選擇了有代表性的W和A的值：W取0mm；對(duì)于倒角A,我選擇了0176。、20176。、30176。、45176。由于W和A范圍較廣，這樣的選擇還是有許多遺漏，不能代表所有的倒角刀具的特點(diǎn)，但是由于時(shí)間和能力上的限制，對(duì)所有情況進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)是不可能的，通過選擇最大和最小值以及中間值，也保證了一定得變化梯度和連貫性，使所得數(shù)據(jù)能夠盡量反映大部分的倒角刀具切削過程情況。 模擬時(shí)，我將通過固定倒角角度A在預(yù)先選定的某一個(gè)值上，使W長度在參考值中改變的方式來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將會(huì)有9組不同的倒角刀具切削實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，再加上W=0mm和A=0176。的無倒角刀具切削數(shù)據(jù)，最終將一共有10組數(shù)據(jù)作為分析研究的依據(jù)。在分析中，倒角變化和倒棱投影長度變化對(duì)切削參數(shù)的影響將會(huì)分開闡述。 在每次實(shí)驗(yàn)中，我將記錄下切削過程中的工件有效應(yīng)變、工件有效應(yīng)變率、工件切削溫度和切削力四個(gè)有特點(diǎn)的數(shù)據(jù)來分析，不記錄其它的切削因素，如：刀具磨損、摩擦力等。第四章 倒棱投影長度變化的模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析根據(jù)最初選定的倒角A的值和倒棱投影長度W的值，組合排列后一共需要進(jìn)行十次模擬實(shí)驗(yàn)。本章中，主要分析在倒角角度固定的情況下，改變倒棱投影長度W，對(duì)于切削參數(shù)的影響。在應(yīng)用DEFORM2D軟件模擬時(shí)，所有其它切削條件都是相同的，熱傳遞系數(shù)為40N/SEC/mm/C,為了加快模擬的時(shí)間，提高實(shí)驗(yàn)效率，加工模擬步數(shù)控制為500步以內(nèi)，每10步保存一次,在參與切削的刀尖和切削刃處加密網(wǎng)格，網(wǎng)格在切削過程中自動(dòng)改變疏密情況。模擬完成后，進(jìn)入后處理模塊查看結(jié)果，相對(duì)應(yīng)的結(jié)果以圖形形式輸出：其中切削溫度和有效應(yīng)變采用線圖和曲線圖結(jié)合的形式；有效應(yīng)力和有效應(yīng)變率采用曲線圖的形式。通過對(duì)比各倒角角度下，倒棱投影長度W變化所得的模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我發(fā)現(xiàn)它們的特點(diǎn)相似，所以沒有必要再文章中一一展示。我選擇以倒角角度A=20176。時(shí)的模擬情況作為例子介紹，但在數(shù)據(jù)分析一節(jié)中會(huì)加入倒角角度A=30176。和45176。條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來全面分析。 由于網(wǎng)格圖不夠清晰，我將切削溫度區(qū)域用線條的形式表示出來，得到了圖41的線圖。從圖41中我們可以看到，切削溫度受到了倒棱投影長度變化的影響，由于最初選定了室溫為20176。C，所以切削最低溫度為室溫，最高溫度則各個(gè)倒棱投影長度都有所不同。最高切削溫度區(qū)域大概是H線段所圍成的范圍，隨著W的增加而有向上偏移的趨勢(shì)，從W==，說明倒棱投影長度W已經(jīng)改變了倒角刀具切削重心，W越大前刀面切削作功越多，致使前刀面附近的工件材料達(dá)到最高切削溫度。切削溫度隨著倒棱投影長度W的增加而增加，176。176。C，176。C。第一變形區(qū)內(nèi)的切削溫度和分布范圍大致相同，沒有隨W而出現(xiàn)明顯改變，切削溫度大致維持在120至137176。C。這是因?yàn)檫@一區(qū)域主要是變形發(fā)熱，受工件材料和切削速度等條件影響較大。由于第二發(fā)熱區(qū)域的影響，已加工表面很大范圍的溫度也有一定的上升，并沒有隨變形結(jié)束而冷卻到室溫。上：W = 中： W = 下：W =圖41 各種倒棱投影長度下的切削溫度分布圖圖42是切削溫度變化曲線圖，反應(yīng)了切削溫度隨時(shí)間的變化情況，可以看到，隨著倒棱投影長度W的值的增大，由于最大切削溫度的增大，切削溫度到達(dá)穩(wěn)態(tài)的所需時(shí)間越長，104s，103s，但是增長曲線表現(xiàn)得更平滑。 (a):W = (b):W =(c):W =圖42 各種倒棱投影長度下的切削溫度變化曲線圖刀具倒角A=20176。時(shí)的有效應(yīng)力情況，圖43分別顯示了W=、從圖中可以看到倒棱投影長度W對(duì)于切削有效應(yīng)力幾乎沒有影響。三段曲線顯示的變化非常相似，104 s時(shí)切削有效應(yīng)力變化達(dá)到穩(wěn)態(tài)，維持在1230MPa左右。 (a):W= (b):W=(c):W=圖43 各種倒棱投影長度下的切削有效應(yīng)力變化曲線圖刀具倒角A =20176。的有效應(yīng)變情況如圖44所示，從圖中看到，在A=20176。時(shí)隨著倒棱投影長度W的增加，有效應(yīng)變也會(huì)增大。在A =20176。模擬實(shí)驗(yàn)中，W=，而在W=，說明在A =20176。的倒角刀具切削中，W的增大能夠增加刀具在前刀面的切削刃長，給于工件更多的切削作用，使工件的應(yīng)變?cè)黾印?a):W=(b):W=(c):W=圖44 各種倒棱投影長度下的有效應(yīng)變變化曲線圖通過圖45我們也可以直觀地了解到切削中倒棱投影長度W對(duì)有效應(yīng)變的影響，應(yīng)變主要發(fā)生在與刀具刀刃接觸的區(qū)域，隨著W的增大，倒角刀刃處的應(yīng)變?cè)絼×液兔黠@，數(shù)值也在上升。 (a)(b)c.(c)(a):W= (b):W= (c):W=圖45 各種倒棱投影長度下的有效應(yīng)變變化圖 從上圖中我們還可以看到，切削過程的有效應(yīng)變主要發(fā)生在切屑與刀刃接觸的地方，刀具由于是理想剛性，所以沒有發(fā)生變形。在工件材料的第一變形區(qū)內(nèi)，切削開始一段時(shí)間后，有效應(yīng)變趨于穩(wěn)定，維持在一定得數(shù)值。刀具倒角A =20176。時(shí)的有效應(yīng)變率，與有效應(yīng)變的情況相似。從圖46可以看出，有效應(yīng)變率的變化規(guī)律從開始時(shí)的達(dá)到最大有效應(yīng)變率之后振蕩下降到一個(gè)穩(wěn)定值。W的增大能夠使曲線振幅減少，在W=，曲線表現(xiàn)得更加平滑，說明W的增大可以改善應(yīng)變情況，使切削過程更加流暢，有助于提高已加工表面質(zhì)量(a):W= (b):W=(c):W=圖46 各種倒棱投影長度下的有效應(yīng)變率變化曲線圖 通過模擬實(shí)驗(yàn)，在倒角角度固定的情況下，切削溫度隨倒棱投影W的長度增大而有明顯增加。圖4圖4圖49分別顯示了當(dāng)?shù)菇墙嵌華固定在20176。、30176。、45176。時(shí)的切削溫度變化情況，每幅圖中都匯總了三種W值的折線圖，以方便對(duì)比。對(duì)于時(shí)間點(diǎn)的選擇，我考慮了模擬得出的溫度曲線圖，切削溫度從O逐漸上升到穩(wěn)態(tài)基本經(jīng)歷了兩段比較明顯的過程，104s、103s三點(diǎn)作為特殊點(diǎn)，它們連成的兩段折線可以近似反應(yīng)出其變化總體情況。 圖4圖4圖49雖然倒角角度不同，但反應(yīng)的變化情況基本相似。在固定倒角角度后，倒棱投影長度越小，切削溫度在初始切削極短時(shí)間（104s）內(nèi)上升過程速度越快，到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間越短，但是其穩(wěn)態(tài)切削溫度也會(huì)越小；倒棱投影長度越大，其切削溫度在初始切削后較短時(shí)間內(nèi)（104s）上升幅度較大，穩(wěn)態(tài)切削溫度也會(huì)越大，由于穩(wěn)態(tài)切削溫度的增大，其到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間會(huì)增加。說明切削溫度與倒棱投影長度成正比關(guān)系。圖47 20176。倒角切削溫度隨時(shí)間變化圖圖48 30176。倒角切削溫度隨時(shí)間變化圖圖49 45176。倒角切削溫度隨時(shí)間變化圖圖410顯示的是最大切削溫度的變化情況，匯總了三種倒角角度20176。、 30176。和 45176。的折線情況做比較分析。從圖中我們可以看到，倒棱投影長度的變化影響最大切削溫度。隨著倒棱投影長度W的增大，最大切削溫度也在增大，最大切削溫度增加最明顯，增幅最多：20176。倒角時(shí)從422176。C增到471176。C，增幅達(dá)49176。C，其它角度也有40至50176。C的增幅；，最大切削溫度雖然也有增加，但是增加不多：20176。C倒角時(shí)從471增到489，增幅只有18176。C,其它倒角的增幅也只是在12176。C至33176。C之間。所以在需要控制最大切削溫度變化的切削加工時(shí)，否則最大切削溫度可能會(huì)有超出設(shè)定值的增加，從而影響到加工的尺寸精度和質(zhì)量。 圖410 不同倒角角度下的最大切削溫度變化圖、應(yīng)變及應(yīng)變率的影響（1），已經(jīng)發(fā)現(xiàn)倒棱投影長度對(duì)切削有效應(yīng)力幾乎沒有影響。，切削有效應(yīng)力的最大值始終穩(wěn)定在1230MPa，不受倒棱投影長度的影響。由于最大值的穩(wěn)定，104s這一范圍內(nèi)變化，沒有受到W變化的影響。從圖411和圖412可以看到，倒角刀刃在切削時(shí)，有效應(yīng)力最大值區(qū)域集中在金屬的第一變形區(qū)，材料發(fā)生塑性變形的地方，也正對(duì)著倒角面。在W值增大的情況下，雖然整體材料的有效應(yīng)力區(qū)域增加，但最大有效應(yīng)力區(qū)域仍然維持在第一變形區(qū)的范圍內(nèi)，并沒有隨之變大，說明W數(shù)值的變化也不會(huì)影響切削時(shí)工件材料的有效應(yīng)力的最大值區(qū)域。從有效應(yīng)力最大值維持在1230MPa可以推測(cè)應(yīng)該與工件材料和切削速度有關(guān)。圖411 A =20176。、W=圖412 A =20176。、W =（2）通過對(duì)有效應(yīng)變曲線圖的對(duì)比分析，所有的曲線圖都可以近似地看成是由四段折線組成，它們可以分為：上升——維持穩(wěn)定——上升到最大值——穩(wěn)態(tài)這四個(gè)過程。省略上升階段，我取各階段的端點(diǎn)值，將原本的曲線圖轉(zhuǎn)換成為了折線圖。圖413是20176。倒角條件下的有效應(yīng)變隨W變化折線圖，30176。和45176。倒角的情況與其相類似，故省略。從三段折線增加的幅度上看，W的變化對(duì)于每階段有效應(yīng)變數(shù)值的影響都較小，上升幅度基本相同，但是由于每段過程時(shí)間不一樣，所以切削有效應(yīng)變的變化速率并不相同。由于模擬實(shí)驗(yàn)所得曲線圖精度較低，無法分析W的變化與有效應(yīng)變到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間之間的關(guān)系，且每組相同倒角條件的實(shí)驗(yàn)中有效應(yīng)變到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間都沒有明顯的規(guī)律。圖414顯示了各W值下最大有效應(yīng)變變化情況，A =20176。W =，而在W=，最大有效應(yīng)變整體上隨W增大而增大。但是A =30176。和45176。的條件下就有所不同，在W=，最大有效應(yīng)變隨W增大而增大，但在W=，最大有效應(yīng)變反而隨W的增大幾乎沒有變化，甚至有所降低。綜合分析，由于倒角角度在20176。時(shí)相對(duì)較小，通過三角函數(shù)換算，倒角刀具W的變化對(duì)于倒棱長度變化的影響相對(duì)于30176。和45176。倒角較小，不能很好地反應(yīng)W和最大有效應(yīng)變的關(guān)系。綜上所述，在倒角刀具切削過程中，W=，最大有效應(yīng)變會(huì)隨W增大而增大；在W=，最大有效應(yīng)變幾乎不受W變化的影響。圖413 20176。倒角切削有效應(yīng)變圖 圖414 各W值下最大有效應(yīng)變變化圖（3）有效應(yīng)變率的情況和有效應(yīng)變類似，模擬實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)也反應(yīng)了這點(diǎn)，生成的曲線圖雖然在反復(fù)地振蕩，但也有明顯與有效應(yīng)變相同的四段過程：最大值——下降到一穩(wěn)定值——下降——穩(wěn)定。在刀具倒角固定的情況下，W=，最大有效應(yīng)變率會(huì)隨W增大而增大；在W=，最大有效應(yīng)變率幾乎不受W變化的影響。本章著重分析了倒角刀具倒棱長度變化對(duì)于切削過程中的溫度、有效應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變率的影響。通過模擬實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)倒棱投影長度W與切削溫度成正比關(guān)系，由于最大切削溫度主要集中在刀具倒棱附近，切削時(shí)應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)刀具在該區(qū)域的磨