车削加工工艺参数对切削力的影响

基于DEFORM3D的车削有限元模拟

摘要：本文在建立了车削三维有限元模型基础上，运用有限元法对45钢的车削过程中切削用量对切削力影响进行了模拟，并对结果进行了分析讨论。该模拟对现实工程应用有较大的作用。

关键字：车削 模拟 DEFORM3D

1 引言

金属零件的加工方式可分为塑性加工、热成形或压力成形加工、机械加工、高能加工、电及化学加工等几大类。在上述各种加工方法中，在机械制造过程所占比重最大的是机械加工中的切削加工和磨削加工；而车削加工作为切削加工中应用最广泛的加工形式，其加工过程中的工艺参数一直成为研究的对象。本文利用STFC公司的DEFORM3D软件对车削过程进行模拟，并分析了不同的切削用量对切削力的影响。 1.1 车削加工过程中切削力的来源与分解

1.1.1 切削力的来源

刀具总切削力是刀具上所有参与切削的各切削部分所产生的总切削力的合力。而一个切削部分的总切削力F是一个切削部分切削工件时所产生的全部切削力。它来源于两个方面：三个变形区(剪切区、摩擦区、挤压区)内产生的弹、塑性变形抗力和切屑、工件与刀具之间的摩擦力。

切削时金属的塑性变形如图1所示，其中第Ⅰ变形区为剪切区，第Ⅱ变形区为摩擦区，第Ⅲ变形区为挤压区。

图1 切削时金属的塑性变形

1.1.2 总切削力的几何分力

刀具切削部分的总切削力是个大小、方向不易测量的力。为方便分析，常将总切削力沿选定轴系作矢量分解来推导出各分力，即总切削力的几何分力。

图2 外圆车削时力的分解

(1) 切削力FC。

FC是F在主运动方向上的正投影。在各分力中它最大，要消耗机床功率的95%以上。

它是计算机床功率和主传动系统零件强度和刚度的主要依据。

(2) 进给力

FfFf。

是F在进给运动方向上的正投影，是设计或校核进给系统零件强度和刚度的依据。

Fp(3) 背向力

Fp

是F在垂直于工作平面上的分力。背向力不做功，具有将工件顶弯的趋势，并引起

Fp振动，从而影响工件加工质量。用增大车刀主偏角的方法可以减小

F与各分力之间的关系为：

FFc2Fp2Ff2。

(N)

1.2 切削热和切削温度

1.2.1 切削热的来源

切削过程中所消耗的切削功绝大部分转变为切削热。切削热的主要来源是切削层材料的弹塑性变形(Q(变形))，以及切屑与刀具前面之间的摩擦(Q(前摩))、工件与刀具后面之间的摩擦(Q(后摩))。因而三个变形区也是产生切削热的三个热源区。 1.2.2 切削热的传散

切削热通过切屑、工件、刀具和周围介质(如空气、切屑液)等传散。各部分传散的比

例随切削条件的改变而不同。

据热力学平衡原理，产生的热量和传散出去的热量应相等，即 Q(变形)+ Q(前摩)+ Q(后摩)= Q(屑)+ Q(工)+ Q(刀)+ Q(介)

切削热产生与传散的综合结果影响着切削区域的温度。过高的温度不仅使工件产生热变形，影响加工精度，还影响刀具的寿命。因此，在切削加工中应采取措施，较少切削热的产生，改善散热条件以减少高温对刀具和工件的不良影响。

2 DEFORM3D车削模拟

2.1 DEFORM软件简介

DEFORM软件是一套基于工艺模拟系统的有限元系统(FEM)，专门设计用于分析各种金属成形过程中的三维(3D)流动，提供极有价值工艺分析数据，及有关成形过程中的材料和温度流动。典型的DEFORM应用包括锻造、挤压、镦头、轧制，自由锻、弯曲和其他成形加工手段。

DEFORM由美国SFTC公司研发成功，它的理论基础是经过修订的拉格朗日定理，属于刚塑性有限元法，其材料模型包括刚性材料模型、塑性材料模型、多孔材料模型和弹性材料模型。

2.2 车削模拟参数设置

2.2.1 工件材料属性定义

在此次模拟过程中，工件材料选用45钢，泊松比为0.3。

表1 45钢的弹性模量

图3 45钢弹性模量—温度曲线

表2 20℃时45钢的流变应力

图4 20℃45钢的流变应力曲线

由于流变应力是关于应变、温度、应变率的函数，因此45钢在20℃时的流变应力曲线只是其关于应变以及应变率的函数，DEFORM中关于45钢的流变应力—温度曲线描述温度范围为：20℃、100℃、300℃、500℃、700℃、900℃以及1200℃。 2.2.2 车削模拟参数设置

1.打开DEFORM3D，选用Machining[cutting]模块，单击进入，文件名定义为Turing1,单位使用国际单位制(SI)。

2.Machining type选取turning后定义切削用量的参数。

在此次模拟过程中，背吃刀量(depth of cut)依次选取0.2mm、0.4mm及0.6mm；进给量依次选取0.2mm/r、0.4mm/r及0.6mm/r；切削速度依次选取为7.85m/min和

16.485m/min。

3.车削过程中环境温度设置为20℃；热对流系数为0.02 N/sec/mm/c；刀具与工件间的摩擦类型选择剪切摩擦，摩擦系数设置为0.6；工件与刀具间的热传导系数为45N/sec/mm/c。

4.刀具选择DEFORM3D中自带CNMA432型车刀，刀架选择DCKNL型刀架。车刀主偏角为45°，前角为12°，刃倾角为-5°，刀尖圆弧半径为0.8mm。

5.车刀网格数目为35000，网格极限尺寸比为1：4；车刀的所有面与空气均存在热交换。

图5 车刀的网格模型

6.为节省计算时间，工件选取30°圆弧截面，网格极限尺寸比为1：7，被切削部分网

格局部细化，最小网格的尺寸约为进给量的5%。

图6 工件的网格模型

7.工件材料选择为45钢，左右端面及底面的自由度为0；外圆面与已加工端面为热交换面。

8.计算步数设置为500步，计算数据每25步保存一次，切削角度为30°；迭代类型使用拉格朗日迭代法则。

9.刀具磨损准则使用usui模型，具体表示形式如下式所示：

wapVeb/Tdt

式中：p—接触压强 V—相对速率

T—接触温度(绝对温度) a，b—试验标准系数

5a10,b855。 此次模拟过程中，

10.检验数据正确后，生成data文件，进行计算。 2.3 切削用量对切削力的影响

2.3.1 切削力的几何分力之间的关系

以ap=0.2mm、f=0.4mm/r以及v=7.85m/min为例，观察切削力FC、进给力背向力

FpFf、

以及总切削力F的曲线。

FF图7 FC、f、p以及F与车刀行程的曲线

观察图7，我们发现在车削过程中，切削力的大小逐渐由零增加至相对稳定值的，并且在车削即将结束时，切削力的大小又是由稳定值逐渐减小；在切削力的三个几何分力中，切削力FC最大，且远大于进给力力F大小与切削力FC相近。

Ff以及背向力

Fp，而背向力

Fp又远大于进给力

Ff，总切削

2.3.2 背吃刀量ap对切削力的影响

保持进给量f=0.4mm/r,进给速度v=7.85m/min不变，分别模拟背吃刀量ap=0.2mm、ap=0.4mm以及ap=0.6mm情况下的车削过程，观察切削力FC、进给力背向力

FpFf、

以及总切削力F的曲线。

Ff处理DEFORM软件后处理中关于切削力的相关数据，ap对切削力FC、进给力向力

Fp、背

以及总切削力F的影响如图所示：

图8 ap对进给力

Ff的影响

图9 ap对切削力FC的影响

图10 ap对背向力

Fp的影响

图11 ap对总切削力F的影响

到达平稳状态时不同ap情况下切削力FC、进给力小如表3所示：

Ff、背向力

Fp以及总切削力F的大

表3 ap对切削力的影响

表4 ap增量切削力增量的关系

图12 平稳状态时切削力—行程关系

观察表3、表4以及图12，我们发现背吃刀量ap增加100%，切削力FC也增大100%，而进给力

Ff增大约150%，背向力

Fp增大约60%，总切削力F增加90%左右，因此背吃

刀量对总切削力的三个几何分力的影响程度是不尽相同的。 2.3.3 进给量f对切削力的影响

由于主切削力的三个几何分量中切削力的比重远大于背向力和进给力，因此在讨论进给量f与切削速度v对主切削力的影响时，我们仅仅讨论其对切削力FC的影响。

图13 f对切削力的影响

观察图13，我们可以发现，随着进给量f的增加，切削力也随之增加。比较相对稳定状态时的切削力大小，

表5 f增量与切削量增量的关系

观察表5，我们发现进给量每增加100%，主切削力增加约85%，这表明相比于背吃刀量ap而言，进给量f对于主切削力的影响相对要小一点。 2.3.4 进给速度v对切削力的影响

图14为进给速度分别为7.85m/min、16.485m/min两种情况下主切削力FC的变化趋势。

图14 v对主切削力的影响

观察图14，我们发现处于低速切削状态时的进给速度v对主切削力FC的影响较小。其相对值如表6所示：

表6 切削速度的增量与主切削力的增量关系

由表6可以看出，进给速度v对切削力的影响较小。 2.4 DEFORM3D车削模拟结果的可靠性分析

2.4.1 计算切削力的经验公式

通过大量实验，由测力仪测得切削力后，所得数据用数学方法进行处理，即可得出计算切削力的经验公式。

用指数公式计算切削力，在金属切削中得到广泛应用，常用指数公式形式如下：

FcCFcapxFcxFpxFfffyFcvFcKFcvnFpnFfnFpCFpapFfCFfap式中：

yFpyFfKFpKFf

fvCFc、CFp、CFf—取决于被加工金属和切削条件的系数

—

ap、f、vxFc、yFc、nFc、xFp、yFp、nFp、xFf、yFf、nFfKFc、KFp、KFf—修正系数

的指数

此次模拟工件材料为结构钢，车刀为硬质合金刀，查询手册有，各系数如表5所示：

表7 公式中的系数及指数

表8 公式中的修正系数

由表8可以求得，修正系数为：

KFc1110.930.93KFp=111.250.82=1.025KFf110.8510.85

2.4.2 DEFORM3D模拟结果与经验公式误差比较

表9 仿真结果与经验公式误差比较

由表9可以看出，deform3d的模拟结果与经验公式吻合较好，应用于实际工程的可靠性较高。

3. 结论

1. 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，在现实加工过程中这一现象是由背向力

Fp导致的工件振动引起的；而在

DEFORM3D中由于无法模拟振动过程，而同样出现切削力的振荡现象，这应当是由于软件在模拟过程中，由于工件时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，这就导致了切削力的振荡现象。

2. 车削过程中，切削力FC是切削力一个主要分力，同时也是能量消耗的主要渠道；而进给力

Ff相比于背向力

Fp又比较小，不过背向力

Fp在车削过程中不做功。

3. 车削过程中，背吃刀量ap对切削力FC的影响最大，ap增大一倍，切削力FC也增大一倍，这一点无论是从软件模拟还是经验公式都符合的很好；进给量f对切削力FC的影响没有ap那么显著，f增大一倍，切削力FC大约增大85%，与经验公式中f的指数为0.75吻合的较好；因此从节约能源的观点来说，选用较大的f比选用较大的ap更为有利；在低速切削时，切削速度v对切削力FC的影响较小。

4. 展望

通过DEFORM3D软件进行车削操作模拟，得到的结论与实际吻合的较好，不过仍存在一些不足，在以后的研究工作中展望如下：

1.由于经验公式与软件模拟都无法模拟出低速切削过程中积屑瘤对切削力的作用，因此DEFORM3D的车削模拟结果相对保守，应当结合试验添加修正因子。

2.此次模拟过程属于低速切削，而实际生产过程中，为避免积屑瘤划伤工件，通常使用高速切削，以后应当提高模拟过程中切削速度的取值宽度，在较宽范围内研究切削速度对切削力的影响。

3.结合切削力的大小，研究切削力对刀具磨损的影响。

参考文献

[1]. 方子良.机械制造技术基础[M].上海：上海交通大学出版社.2004 [2]. 陈日曜.金属切削原理[M].北京：机械工业出版社.1993 [3]. 王辰宝.机械加工工艺基础[M].南京：东南大学出版社，1996 [4]. 周利平.基于FEM的三维切削力预报研究[D].成都：西华大学.2005 [5]. 郑修本.机械制造工艺学.北京：机械工业出版社[M]，1992

[6]. Bhattacharyya SK.etal. Grindability Study of CBN wheels.Proc.of 19th MTDR Conf.1978，P5-653