数控机床切削速度对切削力影响的仿真分析

温得英

（青海大学机械工程学院，青海西宁 810016）

0 引言

高速切削是先进制造业的主要技术之一，它不仅可获得更高的生产率，而且还可获得很高的加工质量，并可降低生产成本。高速切削技术可以解决传统切削加工过程低效、低质量、高耗能等问题。与传统的切削加工相比，高速切削不仅提高切削速度，而且降低切削力，延长刀具寿命，降低低阶切削振动和工件表面的切削热。它是以提高切削速度、单位时间内材料去除率和改善加工质量为目的的先进制造技术[1]。高速切削逐渐成为当前切削技术的重要发展方向，也必将成为切削加工领域的主流切削技术[2-6]。

高速切削加工时，切削力是重要参数之一，它不仅影响工件表面的加工质量，而且还影响刀具的使用寿命。通过有限元仿真，分析高速切削过程中如何最大程度减小切削力，获得更高的加工质量。近年来，用有限元仿真分析高速切削机理的研究虽然较多，但有一些局限性，复杂的高速切削过程不能完全反映出来，需要进一步完善[7]。利用有限元软件对45#钢进行高速切削模拟仿真分析，为中碳钢在高速切削技术中的应用奠定一定的技术基础。

1 切削过程中的切削力

切削力，是指在切削过程中产生的作用在工件和刀具上的大小相等、方向相反的作用力。影响切削力的主要因素包括：设备自身功率、工件材料、刀具种类和参数以及切削时的润滑条件等。在仿真实验中，为了方便地测量切削力，合力F可以分解为如图1所示的3个垂直的分力（以车削外圆为例）。①切削力（主切削力）Fx：在主运动方向上的分力。它是校验和设计机床主要机构的重要依据，通常用来确定机床功率、检验刀具的强度和刚性等。②背向力（切深抗力）Fy：是影响工件表面加工质量的重要因素。③进给力（进给抗力）Fz：是平行于进给运动方向上的分力，主要用于机床进给机构的强度校核。由图1可得在通常的切削加工中，主切削力相对较大，背向力和进给力相对较小。但有时也因刀具和工件材料、切削用量以及刀具几何参数等的变化，这3个分力的比例变化范围较大。

图1 切削合力和分力

2 DEFORM 3D建立切削三维模型

通过DEFORM 3D模块，建立45#钢高速切削时切削刀具和被加工工件的三维模型。被加工工件直径50 mm，为减少计算量，选取其中部分30弧度作为切削对象，高速切削刀具选取DEFORRM 3D自带刀具库中一刀具，工件材料为45#钢，刀具为硬质合金WC刀具。仿真开始时，环境温度、刀具温度和工件温度都设为20℃。其中部分参数设置过程见图2。完成所有条件设置后生产完整的高速切削三维模型，如图3a所示。建立有限元仿真模型时，首先要进行合理的网格划分。网格划分的合理性直接影响仿真计算精度，理论经验表明，网格划分太大，计算结果误差太大或求解无效，网格划分太小会增加求解时间及占用大量磁盘空间。图3b所示为划分网格后的高速切削三维模型。

图2 建模过程主要步骤

图3 高速切削三维模型

3 切削速度对切削力的影响仿真

对建立的45#钢高速切削三维进行仿真模拟，并借助高速切削理论对仿真结果进行分析研究。

（1）查阅文献得知钢材高速切削“萨洛蒙曲线”死谷区大概在（300～600）m/min范围内，因此初步取切削速度240 m/min，300 m/min，360 m/min，420 m/min，480 m/min，540 m/min，600 m/min及660 m/min作为研究对象，对其进行仿真分析计算。切削力F随时间的动态变化曲线如图4所示。

图4 切削力F随时间的动态变化曲线

（2）分别将切削速度（240～660）m/min时的切削力取平均值（表1），再通过Matlab作出折线图（图5）。

表1 不同切削速度下平均切削力的值

图5 不同切削速度下切削力的变化规律

由图表可知，在切削速度（240～660）m/min不断增加的情况下，切削力平均值呈先逐渐上升到最高值，然后又从最高值逐渐下降的趋势。

4 结语

分析研究得出结果，高速切削45#钢时，切削速度较低时，随着切削速度的提高切削力增大，当切削速度增大到一定值时，切削力会随着切削速度的升高而减小，符合萨洛蒙死谷理论，当切削速度越过死谷后切削力反而降低，是因为切削速度提高时，剪切角增大，切削变形减小，切削力降低；另一方面是切削过程产生的切削热被切屑快速带走，切削热的软化作用降低，所以切削力降低且降低幅度越来越小，最后趋于不变。由此可以判定试验取值范围正确，可以继续进行下一步仿真分析。