车削过程温度与应力分布的有限元模拟

侯健 邓恒凤

中国工程物理研究院材料研究所 四川 江油 621907

引言

应力与热是机器加工过程比较关注的问题，尤其在薄壁工件或是活性金属材料的加工过程[1-2]，应力与热导致的工件变形和切削着火都会引起不可接受的后果。本文采用有限元方法模拟了切削过程的应力与热分布，以期对其过程有更多认识。

1 模拟参数设置

在有限元车削模拟软件AdvantEdge 6.2上开展相关模拟。刀具的选择是一个重要环节，刀具为普通碳钢。通常采用的是平面车刀片，加工之前应先确定刀具车削刃 的钝圆半径、前角、后角、刀具涂层数及涂层厚度等。在此基础上，给定模拟中和刀具有关的输入参数，如前刀面长度、后刀面长度、最大刀具单元尺寸、最小单元尺寸和网格梯度等，其切削刃的相关参数如表1所示。最大单元尺寸为0.1mm，最小单元尺寸为0.02mm，钝圆半径为0.02mm，网络梯度为0.5。模拟材料性能设置为25至400℃范围热导率从3.12至16.2 W/(m·K)，比热为0.114至0.14kJ/(kg·K)。

续表

对于车削加工而言，在二维模拟中，保持刀具固定，部件相对刀具进行运动，从而产生车削效果。在二维的车削加工中，刀具相对工件表面运动从而产生车削效果，需要输入的参数是刀具的背吃刀量及相对运动速度。工件相对刀具的运动速度为0.3m/min，刀具的背吃刀量为0.15mm。二维模拟中刀具与工件的匹配关系及网格划分如图1所示，可见刀具外围的网格比内部的细密，特别在与工件接触的部分刀具网格最细密，这是为了保证切削过程中应力与温度的计算精度。基于相同的原理，对工件而言，越接近刀具的部分网格越细密，越远离刀具的部分网格越粗糙。

图1 二维刀具与工件的匹配关系及网格划分示意图

车削加工的对象可以是一个平面，也可以是一个旋转体（如形状规则的柱体或壳体等），选取模拟棒状样品为对象开展车削加工模拟。

在刀具及工件导入过程中，输入STEP文件后应检查文件中可能存在的错误及问题，确保文件正确后再设置仿真车削条件及网格参数。刀具及工件的导入与仿真计算中其余步骤之间的执行顺序如图2所示。

图2 刀具及工件的导入与仿真计算中其余步骤之间的执行顺序

2 模拟结果

二维车削过程中，刀具与工件表面有相对运动，因车削而产生刀具与工件的局部应力与温度的升高。图3是车削加工过程中刀具与工件的温度分布云图，可见工件与刀具钝圆接触部分的温度最高，接近400℃。初始阶段刀具内部温度尚未明显上升，随着车削的进行，刀具内部温度逐渐升高，最终大部分刀具均升至100℃以上。工件的温度变化过程与刀具有明显差异，由图3可见，工件可分为切削与基体两部分，从一开始切削部分就接近300℃且几乎在整个切削体中呈均匀分布，在整个车削过程中切削温度基本保持不变，只有与刀具接触部分温度略高；对工件基体部分而言，刀具划过的区域温度会有明显升高，但与切削的高温相比仍然有较大差距，这是因为工件基体部分的传热方式单一，几乎只有导热。图3表明，工件基体的温度不会剧烈升高，即使在车削最后阶段，工件基体的大部分区域温度仍不超过100℃，反而自始至终产生的切削温度都很高，这为防范生产过程中高温切削可能造成的伤害提供了参考。

图3 二维车削加工过程中刀具与工件的温度分布

图4是车削加工过程中刀具与工件的应力分布云图，与温度场相似的是，工件与刀具钝圆接触部分的应力最高，约300MPa。整个车削过程中，刀具与工件中均未产生剧烈的应力升高，当刀具走过工件表面后，工件的应力迅速恢复，即降为接近于零的水平[3]。图4表明，车削加工造成的工件内部的应力差异并不明显，反而刀具内部的应力分布更易受车削加工的影响，随着车削的进行，刀具中的应力分布不均匀性越来越显著。

图4 二维车削加工过程中刀具与工件的应力分布

刀具与工件接触部分的作用力随时间的变化规律如图5所示，可见只有在初始加工阶段作用力变化显著，其后的加工过程中，横向与纵向作用力均保持相对稳定的状态。横向作用力明显大于纵向作用力，稳定阶段前者约为后者的三倍，这是因为横向与刀具工件的相对运动方向一致。

图5 二维车削加工过程中刀具与工件接触点的作用力分布

3 结束语

模拟结果表明，刀具温度随加工的进行逐渐升高，工件基体的温度仅有轻微的升高，加工产生的切削温度很高，甚至不低于刀具的最高温度；只有刀具与工件接触的局部应力较高，工件基体及切削中的应力较低且分布大致均匀。