塑性材料攻丝过程的有限元仿真
- 研究的目的及意义
采用有限元法来模拟切削过程不但克服了传统的实验方法的费时、费用昂贵的缺点，还可以从模拟结果中得出许多实验难以得到的材料力学特性和物理特性。例如想研究锻模的工作情况，由于锻模的型腔不规则。工作时边值条件不断变化 ，采用有限元法可以将其划分为若干个单元，通过变分原理得到以节点温度为变量的一组代数方程。求解方程组即得到离散的时间和空间上的温度分布。应用有限元温度分析的结果，将温度载荷、机械载荷引入应力的有限元分析中，即可得到模锻过程中各种场的数据。[1]本课题是以金属材料攻丝过程的仿真分析为例，来使用有限元方法对三维攻丝加工过程的切削力、切削温度及切屑形态等进行分析与仿真。本课题是为了研究塑性材料切削及微切削过程有限元仿真的理论及方法，加深学生对刀具、工件材料以及切削过程的理解，培养学生掌握基本的有限元理论知识和有限元软件的使用，以拓宽学生的知识面和提升学生的专业技能。
- 国内外同类研究概况
1937年，著名学者Piispanen最先建立了切削模型（卡片运动模型有限元方法）这也是切削有限元模型最早的研究。有限元真正被应用在切削工艺的模拟是20世纪70年代，与其他传统的方法相比，它大大提高了切削过程分析的快捷性直观性、精确性，使在工艺选择、加工表面质量分析等研究中，有效地减少了反复实验的次数，降低了研究成本。近几年，国际上对金属切削工艺的有限元模拟更加深入。Lin等使用应变能密度的临界值作为切屑分离的标准，在大变形条件下，建立了热弹性耦合模型，预测了温度分布情况；Deng和shet在他们的研究中使用了限元软件模拟正交金属切削，强调了摩擦对热力耦合的影响；McDill等人基于ABAQUS软件进行了切削模拟，并建立了金属切削的热力耦合模型；Yung-ChangYen等研究了切削过程中切削温度、应力和应变受切削刃的形状的影响情况。在超精密切削加工方面，有限元方法的引入也使得人们对微切削机理有了更深入的了解与认识。 1987 年,Iwata 等人使用超精密切削设备和金刚石刀具切削了无氧铜( OFHC) ，测量了切削力和工件中的温度值。 1989 年，Moriwaki 等人通过理论和实验分析了超精密切削中切削热对刀具和工件变形的影响，也分析了已加工表面的完整性，但是他们没有考虑工件已加工表面中的残余应力。 1991 年，Lucca 等人做了一系列切削实验。切削深度从 0. 025mm 到 15mu; m，他们采用无氧铜作为切削对象，研究了切屑形成,刀-屑间的滑动，刀具对工件的 耕梨作用。研究发现只有当切削深度在 2mu; m 以下时才应该考虑切削刃钝圆半径对耕梨力的影响作用。[2]
与国外的研究状况相比，我国相关有限元仿真在金属切削领域中的应用与研究起步比较晚，存在着很大的差距，相关研究大多是通过实验和解析的手段，研究机构也主要集中在大学。国内学者研究大多集中在如何利用有限元软件模拟切削过程中切削力、切削温度、残余应力和切屑形态等；同时，也有学者针对仿真过程中的关键技术加以研究，如切屑分离准则、摩擦模型和热传导控制方程，高速切削有限元模型、本构方程等。[3]
- 研究的内容及计划
- 切削刃钝圆半径对微切削过程的影响
微切削作为一种应用广泛、高效快速且低成本的微小型零件加工方法，近年来受到了极大的重视和发展。与传统切削相比，微切削的切削参数与切削刃钝圆半径大小处在同一量级上，因此不能忽略微切削中的切削刃钝圆半径。由于切削刃钝圆半径的存在，出现了如尺寸效应、切屑的形成与最小切削厚度、切削比能非线性增加等不同于传统切削的规律。研究微切削中刀具刃口的钝圆半径对微切削过 程的影响，对优化微切削刀具、微切削工艺和微小机床的设计制造等都有指导作用。切削刃钝圆半径对微切削过程的影响主要包括以下几个因素： （1）轮廓误差 （2） 尺寸效应 （3） 最小切削厚度 （4） 切削比能 。[4]
（二）高性能螺纹丝锥切削仿真试验研究
完善丝锥工艺需要大量的试验数据做参考，特别是丝锥在孔加工过程中升温很快，部分数据需要在高温条件下进行测试，试验费用高，难度大。切削 仿真试验能够模拟实物加工过程，节省大量的切削试验时间和费用。高性能螺纹丝锥结构复杂，较难建立数学模型，切削仿真也较复杂。丝锥是加工内螺纹的常用刀具，包括直槽丝锥、 螺旋槽丝锥、螺尖丝锥、挤压丝锥等类型。直槽丝锥 加工比较容易，精度略低，产量大，用于普通车床、钻床及攻丝机的螺纹加工，切削速度较慢;螺旋槽丝锥 多用于数控加工中心加工盲孔，加工速度较快，精度高，排屑较好，对中性好;螺尖丝锥前部有容屑槽，可用于加工通孔。工具厂提供的丝锥大都为涂层丝锥，使用寿命和切削性能都有很大提高。不等径设计的丝锥切削负荷分配合理，加工质量好，制造成本 高，而梯形螺纹丝锥常采用不等径设计。 [5]
- 刀具前后角的变化对切削力的影响规律
当切削速度v=200 m/min，进给量f=0. 15 mm/r，背吃刀量ap =0. 35 mm，后角alpha;0 =6°，随着前角gamma;0 角 度的改变，主切削力 Fx 的变化趋势， 观察可发现前角角度变大时，主切削力 Fx 下降明 显，主要由于前角变大时切削过程剪切角 Phi; 也会变大。从而更容易切削加工工件，同时切削过程切屑变形的减小，也会导致主切削力下降。因此，选用较大的前角角度有利于减小切削力，从而使刀具磨损减少并提升工件的加工质量。当切削速度v=200 m/min，进给量f=0. 15 mm/r， 背吃刀量 ap =0. 35 mm，前角 gamma;0 =－6°，随着后角 alpha;0 改变角的改变，主切削力 Fx 的变化趋势，观察发现当后角 alpha;0 增大时主切削力 Fx 稍有下降趋 势，但变化程度比较小。当后角 alpha;0 较小时，刀具与已加工表面的摩擦力较大，会使刀具的后刀面磨损严重， 已加工表面的质量较差。后角 alpha;0 过大时，会降低切削过程楔角beta;0 角度，导致切削刃的强度下降，从而减少了刀具的使用寿命。因此使用 PCBN 刀具切削 300M钢过程不宜选用较大的刀具后角。[6]
- 刀具结构选择及特点
攻丝加工按照底孔方式的不同分为通孔攻丝和盲孔攻丝，因而攻丝排屑的方式就有所不同。通孔攻丝希望切屑向着攻丝进给方向排出，这样可以减少切屑堵塞和切屑对已加工表面的划擦和挤压,提高攻丝加工精度；而对于盲孔攻丝，则希望切屑沿丝锥柄部方向排出，防止切屑堵塞在容屑槽内和掉在孔底部，造成切削力增加对于难加工材料攻小深孔内螺纹，如何减小攻丝切削力是应考虑的首要问题。因此，针对不同的攻丝条件，需要解决问题的侧重点也不同，所用的丝锥结 构也有所不同。 [7]
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