金属材料切削加工研究优化

2023-06-27 理论教育版权反馈

【摘要】：我国在金属切削加工数值模拟方面起步较晚，但取得了一定的研究成果。

1.研究金属切削加工过程的意义

切削加工过程是工件、刀具和切屑的弹、塑性的变形过程，切削质量受到刀具形状、切屑流动、温度分布、热流、切削表面残余应力和刀具磨损等方面的影响。

因此，只有在对上述现象进行研究的基础上，才能深入探索切削过程的力学、热学、刀具磨损物理因素与刀具磨损程度、工件表面质量之间的相互关系。依据对刀具磨损的物理现象的分析，找到最佳切削温度，从而可以找到合理的切削用量，以提高切削加工质量和效率。

2.研究金属切削加工的方法

金属切削过程的分析方法大致分为三类：实验法、实验/解析法和数值法。

（1）实验法的应用实验研究一直在金属切削研究中占主导地位，不仅切削过程优化、优选切削参数等要靠实验研究解决，而且关于切削过程机理的研究分析，也要靠实验的验证。由于实验需要耗费时间、设备和仪器，往往成为人们从事研究工作的不利因素之一，所以不断地有人尝试采用更简单有效的研究方法来取代传统的实验方法。

（2）实验/解析法的应用许多工程分析问题，如固体力学中的位移场和应力场分析、传热学中的温度场分析、流体力学中的流场分析等，都可归结为在给定边界条件下求解其控制方程（常微分方程和偏微分方程）的问题。只有在方程性质比较简单，且几何边界相当规则的少数情况下，解析方法还比较适用，但对于大多数的工程技术问题，物体的几何形状都较复杂或者某些特征是非线性的，因此解决这类问题通常是引入简化假设，将方程和边界条件简化为能够处理的问题，从而得到它在简化状态的解。

（3）数值法的应用数值模拟技术是现代工程学形成和发展的重要推动力之一。随着计算机技术的飞速发展，数值模拟技术也已经实用化。制造业领域中切削加工数值模拟技术的应用，一方面使许多过去受条件限制无法分析的复杂问题，通过数值模拟得到满意的解答；另一方面，数值模拟使大量繁杂的工程分析问题程序化，使复杂的过程简单化，节省了大量的时间，避免了低水平重复性工作，使工程分析更快捷、更准确。

在工程技术领域常用的数值模拟方法就其实用性和应用的广泛性而言，主要还是有限元法。这里仅就切削加工有限元法数值模拟情况做简要概述。

1）国外切削加工数值模拟概况。进入本世纪以来，非稳态切削分析成为研究的热点。Ueda等^[23]建立了刚塑性材料的有限元三维切削模型，模拟了切屑的形成过程；Maekawa^[24]建立了弹塑性材料的流动应力与应变率、温度的函数关系，考虑了刀具-切屑间的摩擦和刀具的磨损等因素，进行了三维切削分析；Sasahara等^[25]在金属切削的三维有限元模型上，研究了切屑和工件的应力和应变以及切屑的流出方向；Dirikolu等^[26]在Sasahara研究的基础上进一步分析了温度和应变速率的影响，把有限元法技术用于刀具的辅助设计中；Ueda等^[27]对刚塑性材料在铣削中螺旋卷曲切屑的形成过程进行了模拟，在切屑分离标准上，采用网格重划技术代替几何分离准则实现切屑的分离；Seah等^[28]在模拟斜角切削过程中，使用了等效参数方法，建立了切屑流动、塑性变形、断裂的三维有限元模型；Ceretti^[29，30]对切削加工进行了大量的有限元模拟研究；Yan^[31]对一种橡胶材料切削模拟中的网格进行了讨论，材料采用了Neo-Hooken本构关系，通过有限元分析可以获取切削力、切削形状、应力和应变场、应变能在工件和刀具上的分布；Ee等^[32]建立了弹黏塑性材料的切削模型，模拟了已加工面的残余应力，材料采用了修改的Johnson-Cook本构关系，采用网格重划分方法，考虑到热力耦合关系，对连续切屑的形成过程进行了模拟；Özel等^[33]借助于获得的实验数据，研究了摩擦模型对数值模拟结果的影响，证实了工件材料的流动应力和摩擦模型对模拟结果的影响；Mohamed等^[34]采用了混合的拉格朗日-欧拉方法，对四种刀尖半径（尖角、微小、适量和等于切削厚度）的刀具切削过程进行了模拟，得到了残余应力分布情况；Pantalé等^[35]建立了二维切削模型、三维斜角切削模型和铣削模型，并采用了混合的拉格朗日-欧拉方法，模型中材料采用了Johnson-Cook本构关系，分别对上述模型进行了不同切削条件的模拟；Mabrouki等^[36]研究了硬切削AISI4340材料时，热-力耦合对切屑形态的影响，研究指出锯齿切屑是材料软化的结果，通过模型中参数的设置，模拟了锯齿切屑的形成机理。

近年来，国外研究人员侧重于对切屑的形成过程、加工表面质量、刀具磨损方面的研究。Coelho等^[37]对切屑形成过程用显式算法和对热量传递用隐式算法的一个混合模型进行了模拟；Safari等^[38]对Ti-6Al-4V工件材料的高速球头干铣过程进行了仿真，分析了切削条件和刀具磨损对工件表面完整性的影响；Khajehzadeh等^[39]研究了涂层刀具、前角、后角和切削参数对摩擦系数的影响；Maurel-Pantel等^[40]对精铣过程进行了模拟，获取了切削力的变化规律、切削力与切削速度的关系，分析了刀具磨损和失效的现象；Senthilkumar^[41]采用了实验与有限元分析结合的方式，对刀具的形状、尖角半径、后角对加工过程的影响进行了研究，以辅助刀具的设计或选择；Daoud等^[42]研究了5种不同常数JC模型的工件材料对切削力、切屑厚度和刀具-切屑接触长度的影响。

2）国内切削加工数值模拟概况。我国在金属切削加工数值模拟方面起步较晚，但取得了一定的研究成果。方刚等^[43]对金属正交切削过程的有限元数值模拟进行了研究，提出了不同材料数值模拟中的关键技术；谢峰等^[44]对在金属的直角切削中刀具的前、后摩擦进行了数值模拟，获得了切屑的形成和切削过程接触点的等效应力值，并通过实验法验证了模拟的剪切角，得到了较好的一致性；刘正士等^[45]对二维金属切削过程进行了数值模拟，据此得出研制的TiC基金属陶瓷刀具材料体内的受力状况，优化了刀具几何参数；姚永琪等^[46]通过模拟不同摩擦系数下的高速切削，分析了刀具-切屑间摩擦系数对剪切角的影响；成群林等^[47]在研究铣削加工中的切削层的等效简化、工件材料的流动应力模型、刀具-切屑接触面的摩擦模型和热传导控制方程等关键技术的基础上，对一种航空铝合金的高速铣削进行了有限元仿真，并进行了实证；黄志刚等^[48]分析了数值模拟中的关键技术，针对不同刀具前角、切削速度条件下的切削加工，提出了一种基于正交切削加工模拟的铣刀前角的优化方法；黄丹等^[49]通过对金属正交切削加工过程进行弹塑性有限元模拟分析，得到了不同刀具前角对切屑形状、应力分布、应变分布、残余应力和残余变形的影响，以及刀具前角值与剪切角的关系；汪小芳等^[50]通过建立多项式摩擦模型，对照常规的Coulomb摩擦进行了对比模拟分析，认为有效地模拟刀具-切屑之间的摩擦，是预测工件表面残余应力分布的关键；李德宝等^[51]模拟了金属切削的动态过程，同时获得已加工表面的加工硬化变形图及其数值解；顾立志等^[52]编写的切削仿真程序，模拟了连续切削时切屑的稳态成形过程，分析了其应力场、应变场、温度场，优化了切削参数；程凯等^[53]使用多组切削参数对精密及超精密车削过程进行有限元仿真，得到了切削力的大小和应力、应变值，以及温度场的分布情况；邱克鹏等^[54]对薄壁件周铣和端铣加工进行了模拟，以分析切削变形状况；邓文君等^[55]对连续带状切屑的切削模型进行模拟，分析了高强耐磨铝青铜的正交切削加工过程；宋金玲等^[56]模拟了金属切屑形成过程，分析了切屑变形及受力过程，研究了刀具与切屑接触长度的变化规律。

近年来，我国紧跟国外金属切削加工有限元模拟技术，取得了长足的进步。孙雅洲等^[57]建立的三维非线性弹塑性有限元模型，得到了不同切削参数、刀具参数条件下的已加工表面残余应力；傅玉灿等^[58]提出了基于超硬磨粒有序排列砂轮磨削过程的建模与仿真方法；刘献礼等^[59]采用有限元仿真的方法研究重型硬质合金车刀冲击断裂产生机理及破损形式，提出了动态载荷下硬质合金疲劳断裂产生的机理，并给出了硬质合金疲劳断裂的载荷条件；刘新等^[60]结合三维切削模型和Um-brello本构方程，对导电加热切削的切削力和温度进行了三维有限元仿真及实验验证；郭晓光等^[61]结合FEM和光滑粒子动力学方法的FEM-SPH耦合模型，研究了切削过程中材料的去除机理；言兰^[62]利用数值仿真技术研究不同工艺参数下的单颗磨粒切削过程，得到了不同切削速度下径向、纵向切削行为转变的临界切削深度，发现了径向、纵向切削力和最高切削温度都有突变现象；王中秋^[63]采用二维有限元方法对轴承淬硬钢AISI52100硬车过程进行了仿真，获得了加工后材料表层残余应力值；合烨等^[64]对硬态车削淬硬轴承钢GCr15（62HRC）的过程进行仿真，从切屑形态出发，结合切削力和切削温度等场量对切屑的形成过程进行研究，分析了锯齿状切屑和绝热剪切带切屑形成的条件。

我国在金属切削加工数值模拟方面的研究成绩斐然，但由于受到材料种类、金属切削实验设备、检测仪器等条件的限制，以及数值模拟理论与实际应用之间的差距等诸多因素的影响，致使金属切削加工的数值模拟技术与国外仍有一定的差距。所以，有必要不断地探讨金属切削加工的数值模拟技术及其应用。

金属材料切削加工研究优化

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