淬硬钢材料高速切削过程的有限元仿真

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1、淬硬钢材料高速切削过程的有限元仿真FEMofHighSpeedCuttingonHardenedSteel李琳LILin曰陈泽锋CHENZe-feng(北京理工大学珠海学院，珠海519085)(BeijingInstituteofTechnology,Zhuhai,Zhuhai519085,China)摘要院基于对切削原理的深入研究，建立了金属切削过程的热力耦合有限元模型。基于DEFORM-3D软件平台，模拟了金属切削加工过程，得到了刀具和工件上的等效应变、温度场、刀具磨损的分布规律，仿真结果同实验对比分析误差在10%以内

2、。Abstract:Inthispaper,thefiniteelementmodelsofmetalcuttingwerefirstdiscussedsystemically,basedonmetalcuttingtheroy.BasedontheplatformoffiniteelementsoftwareDEFORM-3D,theprocessesofmetalcuttingweresimulatedandthelawsofdistributiondisclosedforequivalentstrainfield,t

3、emperaturefieldandtoolwearweregot.Theerrorofthepredictionisabout10%.Themodelhasbeenvalidatedbysimulationresultstobereliable.关键词院有限元法；切屑成形仿真；材料模型；仿真预测Keywords:FEM；chipformationsimulation；materialmodel；simulationprediction中图分类号院TG506.1文献标识码院A文章编号院1006-4311(2014)10-0

4、028-020引言高速加工(HighSpeedMachining,HSM)技术是一项先进的、具有广阔应用前景的制造工艺。高速切削作为一种先进切削加工技术，近几年在航空、汽车、电子、模具等制造业中显示山明显的技术优势，受到国内外越来越广泛的关注［1］。淬硬钢(硬度HRC55耀HRC65)是一类耐磨结构材料，广泛用于制造各种对硬度和耐磨性要求较高的基础零部件。淬硬钢经淬火或低温去应力退火后具有较高硬度，通常采用磨削工艺进行半精加工和精加工，不仅加工效率低，而且粉尘和废液污染严重［2-3］。针对淬硬钢的高速切削过程仿真相较于实验

5、的方法具奋更好的应用性，本文将详细探讨针对此种难加工材料的高速切削仿真。134CrNiMo6切削实验本次实验采用直角自由切削，工件材料选用外径为100mm、厚度为2.0mm的34CrNiMo6材料。由于淬硬钢的加工特点，选择CBN刀具进行实验。实验进行三组，每组实验的切削参数如表1所示。通过Kistler测力仪对三次试验进行测试，得到三向的切削力结果如表2所zjO2仿真结果同实验对比分析2.1主切削力的对比分析34CrNiMo6切削过程中的切削力的动态变化如图所示。由图1可以看出，在刀具初始切入的瞬间，切削力急剧增大，并

6、在极短的吋间内，切削进入了稳定阶段。稳定后的平均主切削力约为122N（在同等切削条件下，实验切削力为127N）。同实验中获得的切削力曲线对比发现，仿真分析中获得的切削力曲线波动较大，在切削力达到稳定的状态后，仍然存在20N范围的波动，这种现象产生的原因主要是由于工件材料的网格划分问题，单元节点连续不断地分离。因此，切削力总的趋势是不变的，但因节点的不断分离而出现波动。这种波动的产生同实际的切削过程有所区别，但是切削力的平均值与实验测量结果基本吻合，说明此次仿真很好地反映了切削力的动态变化情况，对工装和夹具的设计很有帮助。2

7、.2切削应力分布图2所示为工件材料上的应力分布情况，由图可知，在接触区内，等效应力的最大值发生在第一变形区内，该处的应力值达到1865MPa,越远离第一变形区，等效应力滓下降越激烈。从图可以看出，刀具切削区的最大主应力分布在第二变形区内。3结论车削过程中，主切削力的三个几何分力逐渐由零到达相对平稳状态，且相对平稳状态存在振荡现象，这是由于软件在模拟过程中，由于工件是通过网格的节点来传递作用力的，而刀具在切削的过程中接触到刀具的节点是不断变化的，这就导致了主切削力的振荡现象。刀具的最大等效应力分别出现在前刀面主切削刃附近，冋

8、吋在后刀面靠近主切削刃的地方也出现了较大的等效应力，这与实际切削过程基本相似。参考文献院[1】王亮德，王志孟，张树涛.高速切削技术的发展及展望[」].济南大学学报，2000,10(2).[2]王西彬，解丽静,刘志兵.难加工材料的高速切削与加工实例[J].新技术新工艺，2006,1.[3]UsuiE,Sh