刀具技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高速切削加工的關(guān)鍵技術(shù)之一，刀具的耐用度、幾何角度及其整體結(jié)構(gòu)是高速切削刀具研究的重要方向。高速切削刀具材料要求在高溫下既要有較高的硬度和耐磨性，又要有較高的強(qiáng)度和韌性[1-2]。因此，高速切削中切屑的形成過程、刀具的磨損機(jī)理及其溫度分布，以及刀具的結(jié)構(gòu)特性將是高速切削刀具研究中的重點(diǎn)。

 

目前，高速切削刀具研究中理論研究和試驗(yàn)方法并重，理論研究主要集中在理論建模與計(jì)算以及有限元模擬2方面，而有限元模擬方法比較直觀，更接近真實(shí)的切削過程，研究周期也較短，成本較低，因此近年來得到了快速的發(fā)展。

 

刀具研究中常用有限元軟件

 

應(yīng)用有限元方法對切削過程進(jìn)行仿真研究具有周期短、成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此在刀具磨損、刀具溫度分布和切屑形成等問題的研究中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。目前，常用的有限元軟件有ABAQUS、DEFORM、MARC、ANSYS和ADVANTEDGE等。

 

 

1 ABAQUS

 

ABAQUS 能解決大量結(jié)構(gòu)（應(yīng)力/位移）問題，還可以模擬其他工程領(lǐng)域的許多問題，例如熱傳導(dǎo)、質(zhì)量擴(kuò)散、熱電耦合分析、聲學(xué)分析、巖土力學(xué)分析等。ABAQUS有ABAQUS/Standard 和 ABAQUS/Explicit兩個(gè)主求解器模塊[3]，對某些特殊問題還提供了專用模塊來加以解決，建立模型時(shí)可以參數(shù)化，非線性分析[4]非常完善，但ABAQUS是基于裝配思想建立有限元模型的，對于建立復(fù)雜的模型來說顯得很繁瑣。同時(shí)ABAQUS沒有流體模塊，所以不能做流體計(jì)算。

 

目前，在高速切削刀具研究中，ABAQUS能夠很好地模擬帶狀切屑和鋸齒狀切屑的形成過程，還可以改變刀具角度來模擬不同切削參數(shù)對切屑變形的影響。

 

2 Deform

 

Deform是金屬成形分析軟件，屬于專用有限元軟件。Deform系列軟件包括Deform-2D、Deform-3D、Deform-PC、Deform-PC Pro和Deform-HT（熱處理）。Deform系列所有產(chǎn)品在金屬成形分析中都可以對冷、溫、熱鍛的成形、熱傳導(dǎo)耦合及正火、退火、淬火、回火、滲碳等工藝過程進(jìn)行模擬研究。

 

目前經(jīng)常使用的Deform-2D有限元分析軟件盡管能比較方便地模擬切削過程，但由于這種軟件處理非線性問題的能力不強(qiáng)，造成模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較大差異[5]。

 

目前，在高速切削刀具研究中，Deform主要用來模擬鋸齒狀切屑和螺旋狀切屑的形成過程、刀具溫度場的分布以及不同的切削介質(zhì)下刀具的磨損形式和刀具的壽命。

 

3 MARC

 

MSC.Marc是功能齊全的高級非線性有限元軟件的求解器，可以處理分析各種線性和非線性結(jié)構(gòu)[6]，如線性/非線性靜力分析、模態(tài)分析和破壞分析等。對非結(jié)構(gòu)的場問題如包含對流、輻射、相變潛熱等復(fù)雜邊界條件的非線性傳熱問題的溫度場，以及流場、電場、磁場也提供了相應(yīng)的分析求解能力。

 

為了滿足高級用戶的特殊需要和進(jìn)行二次開發(fā)，MSC.Marc提供了方便的開放式用戶環(huán)境[7]。Marc對于復(fù)雜的圖形建模比較困難，另外，Marc的版本也有較大變化，并對與之連接的FORTRAN 版本也有要求，對于初學(xué)者來說有諸多弊端。目前，在高速切削刀具研究中，Marc 主要用來研究刀具溫度場的分布。

 

4 ANSYS

 

ANSYS 軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件[8]，其軟件包是一個(gè)多用途的有限元法計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序，可以用來求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場及碰撞等問題。

 

ANSYS各版本比較穩(wěn)定，在結(jié)構(gòu)分析、建模和編程方面很完善，在解決常規(guī)的線性及耦合問題時(shí)，具有較好的性價(jià)比，但對于非線性分析方面還存在缺陷。

 

目前，在高速切削刀具研究中，ANSYS主要用于刀具的模態(tài)、瞬時(shí)動態(tài)及刀具系統(tǒng)靜力學(xué)分析，也用于模擬研究刀具的磨損機(jī)理。

 

5 ADVANTEDGE

 

AdvantEdge FEM是一款用于優(yōu)化金屬切削工藝的CAE 軟件, 適用于提高零件質(zhì)量, 增加材料去除率，延長刀具壽命等。

 

利用AdvantEdge FEM可以減少試切次數(shù)，通過方案比較能夠獲得優(yōu)化的切削參數(shù)及刀具選擇。AdvantEdge FEM可以分析車削、銑削( 含插銑、玉米銑)、鉆孔、攻絲、鏜孔、環(huán)槽、鋸削、拉削等的工藝，對于進(jìn)給在10nm以上1μm以下的微切削目前只支持2D車削仿真，還能夠?qū)崿F(xiàn)車削刀具和環(huán)槽刀具磨損以及車削、3D銑削殘余應(yīng)力仿真。后處理可以得到切削力、溫度、應(yīng)力、應(yīng)變率等結(jié)果[9]。

 

目前，在高速切削刀具研究中，AdvantEdge主要用于研究刀具溫度場的分布情況，還可以模擬車削刀具和環(huán)槽刀具磨損情況。

 

有限元法在刀具研究中的主要應(yīng)用

 

1 切屑形成過程模擬

 

謝卿陽[10]通過大型商用有限元軟件ABAQUS建立H13鋼高速正交切削有限元模型，模擬了帶狀切屑和鋸齒狀切屑的形成過程，重點(diǎn)研究了鋸齒狀切屑內(nèi)的絕熱剪切現(xiàn)象，通過改變刀具角度來模擬不同切削參數(shù)對切屑變形的影響。刀具角度的減小促進(jìn)了鋸齒狀切屑的產(chǎn)生。

 

Bäker等[11-15]利用ABAQUS軟件，采用規(guī)則的四邊形網(wǎng)格模擬二維高速切削剪切區(qū)的鋸齒狀切屑的形狀；隨后又研究了刀具熱傳導(dǎo)對切屑變形的影響，熱傳導(dǎo)系數(shù)增加，切屑片段減小，切削力增加，在剪切帶處，對切屑影響最顯著。

 

魯世紅[16]采用有限元 ABAQUS軟件，對Ti6Al4V鈦合金高速正交切削過程進(jìn)行了有限元仿真研究，通過有限元分析得出了鋸齒形切屑的形成機(jī)理，并驗(yàn)證了有限元仿真關(guān)于鈦合金鋸齒形切屑形成機(jī)理為熱塑性失穩(wěn)的結(jié)論。

 

Özel等[17-18]基于DEFORM-2D軟件，采用未涂層的WC刀具模擬了HRC30的P20模具鋼的切削過程，2-D的切屑形狀呈標(biāo)準(zhǔn)的鋸齒狀形狀，3-D的切屑形狀呈螺旋狀。

 

2 刀具磨損機(jī)理的研究

 

趙威[19]通過高速摩擦磨損試驗(yàn)、切削加工試驗(yàn)、刀具磨損試驗(yàn)以及有限元模擬等試驗(yàn)與理論，分析了氮?dú)饧翱諝饨橘|(zhì)下硬質(zhì)合金刀具在高速切削鈦合金時(shí)的主要磨損形式和刀具壽命；揭示了氮?dú)饧翱諝饨橘|(zhì)下高速切削鈦合金時(shí)硬質(zhì)合金刀具的脆性破壞和磨損機(jī)理以及影響硬質(zhì)合金刀具壽命的主要因素。

 

李一民等[20]應(yīng)用有限元軟件Deform-2D, 對航空用鈦合金Ti6Al4V進(jìn)行了不同冷卻潤滑條件下的正交切削有限元模擬，結(jié)果表明切削介質(zhì)的潤滑作用對刀具前刀面的擴(kuò)散磨損率具有較大影響, 而切削介質(zhì)的冷卻作用則對刀具前刀面擴(kuò)散磨損率無顯著影響。

 

李龍濤[21]應(yīng)用大型有限元軟件ANSYS對金屬切削過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了前刀面與切屑的摩擦情況。通過對最大等效應(yīng)力和應(yīng)變發(fā)生的位置及其變化分析，得出刀具后刀面磨損最嚴(yán)重的結(jié)論。

 

3 高速切削過程中刀具溫度分布的模擬

 

杜美憬[22]使用有限元分析軟件Deform模擬了AISI-1045鋼的高速切削過程，得到了刀具溫度場的分布情況及切削熱的分配情況，并對刀具的熱應(yīng)力進(jìn)行了分析。

 

趙云峰等[23]運(yùn)用AdvantEdge軟件模擬了鋁合金A12024的銑削過程，分析得到了銑削加工中工件和刀具上的溫度分布規(guī)律。刀具上的最高溫度分布在前刀面與切屑接觸區(qū)；切屑的溫度高于刀具溫度大約25℃。這與高速加工過程中切削溫度的分布規(guī)律以及切屑帶走大部分熱量的實(shí)際情況相吻合。

 

楊振朝等[24] 利用專業(yè)金屬切削加工有限元軟件AdvantEdge，對TC4鈦合金高速銑削過程進(jìn)行了二維模擬仿真，獲得了銑削速度對刀具前后刀面切削溫度的影響規(guī)律。

 

盆洪民[25]利用有限元軟件MSC.Marc建立了適于硬態(tài)切削的二維平面應(yīng)變有限元模型，仿真運(yùn)算得到了切削厚度為0.1mm，切削速度為120m/min時(shí)倒棱和倒圓刀具以及工件上的溫度分布（圖1），從仿真結(jié)果對照中可以得出2 種切削切削刃附近是熱量的主要聚集區(qū)，熱量主要來源于材料的塑性變形和刀具與切屑、刀具后刀面與工件的摩擦。所不同的是圓弧刃刀具的最高切削溫度在刃前區(qū)，而倒棱刀具的最高切削溫度在切屑流經(jīng)第一變形區(qū)之后，此種切削溫度的分布情形是有利于刀具壽命和已加工表面完整性的。在刀具與切屑接觸區(qū)，刀具上的溫度略低于切屑的溫度。

 

4 高速切削過程中刀具的結(jié)構(gòu)特性分析

 

杜小東[26]利用UG建立了立銑刀的實(shí)體模型，再導(dǎo)入ANSYS建立了相應(yīng)的立銑刀有限元模型，然后提取前5階固有頻率，進(jìn)行了立銑刀有限元模型的模態(tài)分析；并用階躍響應(yīng)的方法計(jì)算出立銑刀的基頻和相應(yīng)阻尼系數(shù)，進(jìn)行了立銑刀有限元模型的瞬態(tài)動力分析。

 

高速切削時(shí), 由于刀具系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速很高, 離心力引起刀具系統(tǒng)的變形, 從而影響刀具的壽命, 謝黎明等[27]運(yùn)用ANSYS軟件對其進(jìn)行了靜力學(xué)分析, 并提出了改善刀具系統(tǒng)動平衡的技術(shù)方案。

 

結(jié)束語

 

本文介紹了高速切削刀具中常用的有限元軟件，對目前切削過程仿真已取得的成果進(jìn)行了論述。

 

研究結(jié)果表明，應(yīng)用有限元方法可以模擬帶狀切屑、鋸齒狀切屑和螺旋狀切屑的形成過程，研究切削參數(shù)和刀具角度對切屑變形的影響，并由此對切削的形成機(jī)理進(jìn)行分析。同時(shí)，可以對切削區(qū)的溫度分布、刀具的破損和磨損過程進(jìn)行模擬，并分析以上過程的主要影響因素。另外，還可對切削刀具的幾何角度、材料結(jié)構(gòu)及切削用量等進(jìn)行結(jié)構(gòu)特性上的綜合分析。以上研究可對高速切削刀具材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供重要的理論支撐。