切削过程切削表层应力与温度的仿真分析

宋轶

摘 要：在切削过程中，工件被高强度挤压，产生塑性变形，会导致切屑与切削表层分离，产生极强的温度场与应力场。由于切削的不均匀性，以及会产生大量的切削热，使加工表面产生了残余应力。通过ABAQUS有限元软件模拟Ti-6Al-4V的切削过程，得到工件切削表层的应力与温度变化情况，得出切削速度与进给量对工件切削表层的应力与温度的影响规律。

关键词：切削速度；进给量；应力；温度

中图分类号：TG506 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）20-0104-02

Abstract： During the cutting process， the workpiece is extruded with high strength， resulting in plastic deformation， which will lead to the separation of chip from the cutting surface， resulting in extremely strong temperature field and stress field. Due to the inhomogeneity of cutting and the large amount of cutting heat， the residual stress is produced on the machined surface. By simulating the cutting process of Ti-6Al-4V by ABAQUS finite element software， the change of stress and temperature of workpiece cutting surface is obtained， and the influence of cutting speed and feed rate on the stress and temperature of workpiece cutting surface is obtained.

Keywords： cutting speed； feed rate； stress； temperature

1 概述

在高速切削过程中，加工材料受到擠压，使得切屑与工件基体脱离，会产生大量切削热和应力积聚在切屑与工件表层[1，2]，这是由于切削过程中材料受到高应力、应变的影响，发生的塑性变形以及刀具与工件的摩擦[3]，工件切削表层也会产生切削热以及应力，这会极大地影响到加工精度以及表面完整性[4，5]。

2 有限元模型的建立

2.1 建立几何模型

对于切削层，和工件整体相比，厚度、长度比值依次是1：5、1：15。模型切削层厚度是0.15mm，工件、刀具规格分别是1mm×2mm、0.4mm×0.7mm，前、后角分别是5°、7°。工件以四边形网格进行划分，总数有7750个。切削、基体层应当分别采用密集、分散两种方式来布种，刀具以三角形网格进行划分，总数有606个，为简化流程，降低分析难度，刀尖处未使用圆弧，而且需要进行局部加密处理，其余各处稀疏处理，使计算更加简单，从而节省分析时间[6]。

2.2 材料本构模型的建立

本次仿真利用霍普金森压杆试验进行分析，能够确定材料物理学性能数据，如下表。

表1 TC4的J-C模型参数

3 模拟结果分析

3.1 切削速度对切削表面应力和温度的影响

图2反映了在进给量一定的情况下，不同的切削速度对应的工件表层最大应力与平均应力。结合图例可以看出，随着切削速度的不断增大，使材料的塑性变形更加明显，切削处的产生的热量增加，造成了切削表层残余应力的增大[7]。

图3反映了在进给量一定的情况下，不同的切削速度对应的工件表层最大温度与平均温度。结合图例可以看出，随着切削速度的不断增大，切削产生的热量增加以及切削时间的缩短，热量积聚在切削表层难以耗散，因此切削表层的温度增大。

3.2 进给量对切削表面的应力和温度的影响

图4反映了在切削速度一定的情况下，不同的进给量对应的工件表层最大应力与平均应力。结合图例可以看出，随着进给量的不断增大，切削的厚度增加，被切削层受到的挤压变形增大，在切削处的应力增大，造成切削表层面的残余应力增大。

图5反映了在切削速度一定的情况下，不同的进给量对应的工件表层最大温度与平均温度。结合图例可以看出，随着进给量的不断增大，切削去除量增大造成切削分离处的产热增大。而进给量对切削表层的散热效果没有影响，因此残留在切削表面的热量增大，温度增大。

4 结束语

本文通过切削过程的仿真模拟，所得结论如下：

（1）当切削速度增大时，切削锯齿的变形量增大，塑性变形更加明显，导致切削处的产生的热量增加，积聚在切削表层，造成了切削表层应力与温度的增大。

（2）当进给量增大时，切削的厚度增加，被切削层受到的挤压变形增大，切削去除量增大造成切削分离处的产热增大，随之造成切削表层应力与温度的增大。

参考文献：

[1]仇启源，庞思勤.现代金属切削技术[M].北京：机械工业出版社，1992.

[2]甘肃工业大学华南工学院.金属切削原理及刀具设计[M].上海：上海科学技术出版社，1979.

[3]郭培燕.高速切削加工表面残余应力的分析和模拟[D].山东：山东科技大学，2007.

[4]陈明，袁人炜，薛秉源，等.正铝合金高速铣削中切削温度动态变化规律的试验研究[J].工具技术，2000，34（5）：7-10.

[5]杜平安，甘娥忠，于亚婷.有限元法一原理、建模及应用[M].北京：国防工业出版社，2006.

[6]何振威，全燕鸣，林金萍.高速切削中切削温度研究方法[J].现代制造工程，2005（8）：110-113.

[7]顾立志，袁哲俊，龙泽明，等.正交切削中切屑温度分布的研究[J].机械工程学报，2000（3）：82-85.