基于Deform仿真平台的铣削加工切削深度和进给速度分析

吴志光

摘要：为了进一步认识切削过程对温度的影响，应用Deform仿真平台，对切削参数对切削力和切削温度的影响展开仿真分析。先通过UG软件构建刀具，再将其导入ABAQUS内完成建模过程。仿真结果得到，铣削加工切削温度在刀面处获得最高的温度，此位置摩擦受热最大。在0.01～0.05mm的切削深度范围内工件形成的最高温度。随着进给速度逐渐增大，切削最高温度表现出先增加后减小的变化规律，最大值发生在进给速度20mm/min时。

关键词：铣削;切削参数;切削温度;Deform;仿真分析

0  引言

当前，科技水平不断提升，促进了各类产品不断朝着更加小型化与精密化的方向发展，并对人们的日常生活以及工业生产过程产生了明显的影响[1-3]。随着当前计算机运行性能的提升以及各类软件的开发，已有许多学者开始将有限元仿真方法应用于对各参数之间的关系进行分析，并且还可以对加工期间遇到的问题进行处理[4-5]。与传统分析方式相比，采用有限元方法可以显著降低实验次数，使整体开发成本得到有效控制，此外还可以利用该方法对生产过程进行预测，同时获得更优的工艺参数与刀具设计结构等[6]。YongYang等[8]在构建得到J-C本构模型之后，再以Deform有限元分析软件实现对钛合金加工过程的仿真过程，同时对铣削期间的温度分布情况进行了分析，通过研究得到前刀面具有比后刀面更高的温度，发现前刀面达到最高温度，与切削刃基本相同。为了进一步认识切削过程对温度的影响，本文应用Deform仿真平台，对切削参数对切削力和切削温度的影响展开仿真分析。

1  仿真模型

对金属进行切削的时候，会发生快速应变并产生高温作用，实际设定的材料参数对于仿真精度具有显著影响，为确保能够达到精确仿真的效果，先通过UG软件构建尺寸为φ=0.4mm的刀具，再将其导入ABAQUS内完成建模过程。为提高计算精度与处理效率，对工件结构进行简化得到图2所示的结果。

具体包含了以下各仿真步骤：

①采用刚体结构模拟刀具，并将工件设定成TC4成分，通过Johnson-Cook本构模型来实现，构建得到仿真模型。②通过C3D8RT温度位移耦合单元来构建网格单元，并对刀具刀尖在切削期间的网格实施细化。③利用温度-位移方式构建分析步，设定切削时长为0.005s，为获得更高的运算效率，将质量缩放因子设定在10。

2  仿真结果分析

图3显示了在铣削期间发生切屑脱落而造成温度与切屑的改变情况。可以明显看到，铣削加工切削温度在刀面处获得最高的温度，这是因为铣削时在刀面处会产生明显的摩擦生热现象，产生很多的热量进而转变成刀具的温度，只剩下少量热量会残留于工件上，应重点对最高切削温度进行研究。

2.1 切削深度

处于恒定的进给速率与进给速度条件下，随着切削深度的变化，将会引起工件达到不同的温度。从图4中可以看到，在1000r/min转速下设定进给速度为10mm/min时，在0.01～0.05mm的切削深度范围内工件形成的最高温度。

根据图4可知，当切削深度增大后，将会引起切削温度的升高，这是由于当切深度增大后，将会引起切削部位形成更多的热量，同时获得更大的切屑长度、体积与表面积，由此得到不同的加工环境，导致切削温度不会发生同等比例的提高。

2.2 进给速度

图5显示了在其它参数恒定的状态下，在不同的进给速度下切削温度发生的改变。可以发现，切削温度同样受到进给速度的较大影响，当进给速度逐渐增大后，切削温度开始上升，而在达到某一临界值后，切削温度发生降低的现象，最大值发生在进给速度20mm/min时。这是因为在更大进给速度下，将会引起材料去除体积的显著增加，从而造成热量积累，但增加幅度变化相对稳定，甚至发生降低的情况。

进给速度增大，会引起切削温度的上升，同时表现为温度上升速率不断增大的特征，产生这一变化趋势的原因是切削热来自第一变形区塑性变形过程以及刀具发生摩擦时产生的热量，大部分切削热都是出现在靠近刀具面的区域，当刀面接触到工件材料后，形成的摩擦热将逐渐传递至切削、刀具以及工件中，因此进给速度快速增大时，将会形成更快的切屑流出速率，无法将热量高效传输给刀具与切屑，从而引起温度的快速上升，随着后续刀面摩擦接触时间进一步增加后，导致更多热量发生堆积，引起切削温度的显著升高。

3  结论

先通过UG软件构建刀具，再将其导入ABAQUS内完成建模过程。仿真结果得到：①铣削加工切削温度在刀面处获得最高的温度，这是因为铣削时在刀面处会产生明显的摩擦生热现象，产生很多的热量进而转变成刀具的温度。②随着进给速度逐渐增大，切削最高温度表现出先增加后减小的变化规律，最大值发生在进给速度20mm/min时。

参考文献：

[1]张文盟，董长双，马世玲.GH4169合金微细铣削加工表面硬化仿真研究[J].机床与液压，2019，47（21）：151-154.

[2]田璐，韩旭炤，高峰，韩闯.微细铣削技术研究综述[J].机械强度，2019，41（03）：618-624.

[3]Cuang Chen， Chengzu Ren， Pan Zhang et al. Measurement and finite element simulation of micro-cutting temperatures of tool tip and work-piece[J]. International Journal  of Machine Tools&Manufacture， 2013（75）：16-26.

[4]刘朋和，姜增辉，土晓亮.TC4钦合金切削温度的仿真与试验研究[J].制造技术与机床，2013（10）：81-88.

[5]白清顺，张亚博，王永旭，白锦轩.CVD金刚石刀具的微细铣削仿真及试验研究[J].工具技术，2018，52（10）：22-27.

[6]冯灿波，谢桂芝，盛晓敏，等.不锈钢超高速磨削试验研究[J].中国机械工程，2013，24（03）：322-326.

[7]王江，黃筱调，张虎.砂轮修整工艺参数对成形磨齿粗糙度的影响[J].组合机床与自动化加工技术，2014（12）：19-21，26.

[8]Yong Yang， Weiwei Zhu. Study on cutting temperature during milling of titanium alloy based on FEM and experiment[J]. Int J Adv Manuf Technol，2014（73）：1511-1521.