金属切削毛刺形成的有限元模型及机理分析

文章编号:1005 0930(2005) 02 0180 05 中图分类号:TG501.1 文献标识码:A y金属切削毛刺形成的有限元模型及机理分析朱云明, 王贵成, 王 志, 樊曙天(江苏大学机械学院,江苏镇江212013)摘要:金属切削毛刺是影响精密零件棱边质量及使用性能的主要因素之一.本研究建立了毛刺形成的有限元模型,并根据其模拟结果分析了毛刺形成的机理,由此将毛刺形成分为三个不同形成机理的阶段.提出了负剪切角及负变形区的概念.在本有限元模型中提出并应用了基于材料失效的切屑分离准则.模拟结果与试验结果进行了比较,取得了教好的吻合.本模型的建立为分析毛刺的形成机理及定量预报提供了一种有意义的探索途径.关键词:切削毛刺;有限元模型;切屑分离准则;预报金属切削加工时在工件的棱边上常常产生毛刺.毛刺的存在不但降低了工件的加工精度、增加了加工成本,而且也影响了工件的使用性能.因此,在生产加工中常需增加一道去除毛刺工艺,严重影响和制约了精密与超精密加工、柔性制造系统和其他自动化加工技术的发展.这就迫切需要对毛刺形成的机理展开深入的研究,为有效减少及抑制毛刺的生成、为控制毛刺形成的技术开发提供理论基础.近年来,国内外学者相继对金属切削毛刺生成及控制技术进行了研究,取得了若干重要成果[1 3].但迄今为止,在建立毛刺形成的有限元模型的研究上尚不多见,国内尚属空白.本研究建立了金属切削毛刺形成的有限元模型,从数学力学及材料特性的角度分析了毛刺形成的机理,同时结合金属切削实验,运用有限元模型的模拟结果对毛刺的形成进行了预报.1 金属切削毛刺的形成图版 所示为在切削黄铜时毛刺的形成过程.当刀具接近工件终端面时,在切削力的作用下工件终端部产生挠曲变形,随着刀具的继续推进,工件终端部的支承刚度逐渐减小,处于剪切滑移变形区域内的切削层金属沿着剪切滑移方向移动,使实际切削厚度小于理论切削厚度,同时在切削线以下刀尖附近形成了剪切变形区,为与第 、 、!变形区相对应,我们将之称为第∀变形区(负剪切变形区),该区由刀尖逐渐向工件终端部扩展,其变形如图版 SE M 照片所示,使得在工件终端部被切削层附近材料绕某一支点转动,从第13卷2期2005年6月 应用基础与工程科学学报J OURNAL OF B AS I C SC I E NCE AND ENGI NEER I N G Vo.l 13,No .2J une 2005y 收稿日期:2004 11 17;修订日期:2005 04 11基金项目:国家自然科学基金资助项目(59775071,50275066)作者简介:朱云明(1974#),男,讲师.而偏离了理论边界,最后有部分材料残留在工件的边、角、棱上形成了毛刺.2 毛刺形成的有限元模型假定切削宽度远大于切削深度(W ∃5a c ),被切削材料各向同性,在此条件下,假设为平面应变状态.因此,在ANSYS /LSDYNA 下建立如图版!所示的二维切削有限元模型.为简化模型,在本模型模拟毛刺形成的过程中尚不考虑刀具几何参数的影响.假设刀具为刚体,具有Y 和Z 轴的平动及X 、Y 、Z 轴的转动自由度约束,即刀具只能沿X 轴平动.被切削工件材料的自由度约束为:在离切削线足够远处的CD 线具有X 和Y 轴的平动约束;其他边界无自由度约束,以利于切屑及毛刺的生成.模型中采用平面的PLANE162单元,被切屑层材料及切削线以下离刀尖附近的工件材料的有限单元大小为20 m %20 m.为有效模拟刀具表面和工件材料间的相互作用,本处采用了单面接触模型,在该接触模型中,有限元程序根据刀具的运动能自动搜索刀具表面和工件材料的接触区域,并且能模拟多种摩擦类型[4].在此条件下,毛刺形成模型的接触形式采用了ASS2D 的接触模型,其中FS(static friction con ficient)为0.25;FD (dyna m ic friction con ficient)为0.20.3 切屑分离准则的建立在毛刺及切屑形成模拟的过程中最为关键的是切屑分离准则的建立.到目前为止,国外学者建立了两种有限元模型的切屑分离准则:几何模型和物理模型[5 6].如图版∀所示,当以刀尖点a 与刀尖前一单元A 结点的距离D 为判断条件时即为几何准则.即:切削线上的单元通过结点i 与j 、i+1与j +1&连接在一起,当D 小于某一阈值时,刀尖前一单元A 与工件分离,随着刀具的运动,模拟切屑的形成;物理模型中,判别单元是否分离的参数是刀尖前一单元A 的物理特性参数,如应力、应变、应变能等.当其物理参数达到某一阈值时,连接的两个单元开始分离.结合ANSYS,毛刺形成有限元模型中采用了材料失效模型作为切屑的分离准则,如式(1)所示.y =1+∋C1/P ( 0+!E p eff p )(1)其中: y 为屈服应力; 0为初始屈服应力; ∋为应变率;C,P 为Co w per Sy m onds 应变率参数; e ffp 为有效塑性应变;E p 为塑性硬化模量.当被切削材料单元满足失效准则时,该单元从网格中自动删除,从而达到模拟切屑分离的目的.因此,该准则综合了被加工工件的材料物理特性、切削条件(切削速度)等因素对毛刺形成的影响.4 有限元模型的求解模型中物体的运动方程采用了显式中心差分法则:181N o .2 朱云明等:金属切削毛刺形成的有限元模型及机理分析U ∋(i+12)=U ∋(i-12)+∀t i+1+∀t(i)2U ((i)(2)U∋(i+1)=U ∋(i)+∀t (i+1)U ∋(i+1)(3)其中:U ∋为速度矢量;U (为加速度矢量;∀t 为时间增量;i 为增量数.由式可知,物体的运动状态可以由前一时间的状态求解得出.物体的初始加速度可以由下式给出:U((i)=[M ]-1∋(F (i)-F (i)nr )(4)其中:M 为质量矩阵;F (i)为外力矢量;F (i)nr 为内力矢量.5 模拟结果及分析根据模拟结果,将毛刺的形成模型分为三个阶段:稳态切削阶段、支点阶段、最后形成阶段.5.1 稳态切削阶段图版)所示为模拟结果的应力分布及网格变形图版)a 及主变形区的SE M 图版)b.稳态切削阶段的模拟是必须的,从该阶段的模拟结果如:剪切角、应力分布、切削力等可以检查和调整参数设置,从而使毛刺形成模型更趋合理化.5.2 支点形成阶段图版∗所示为该阶段的应力分布模拟结果.从图中可以看出,随着切削的进行,刀尖点附近的弹塑性变形区逐渐向工件的棱边扩展,当刀具推进到某一点时,在工件棱边如图版所示的B 点产生塑性变形区.随着刀具的继续推进,刀尖点附近的弹塑性变形区扩展到了B 点,在这过程中切屑开始绕支点B 转动,使被切削材料的边角部分伸出了理想边界,从而形成了毛刺.在刀具继续切削的同时推动切屑的转动.图版+所示为支点区域的变形SE M.在本阶段,将该塑性变形区称为第四变形区也称负剪切区,将B 点与刚形成B 点时刀尖点的连线与切削线所成的角度称为负剪切角.负剪切区的产生是影响毛刺形成的重要因素.5.3 毛刺最后形成阶段随着刀具继续逼近工件终端面,工件终端部的支承刚度越来越小,致使被切削层金属在沿剪切滑移方向变形的同时与工件终端面发生了断裂分离,由于塑性变形使得部分材料超出了工件的理论边界,形成了毛刺.图版,所示为模拟结果.需要说明的是,随着加工条件的变化,将产生毛刺和亏缺(负毛刺)两种形态[7],在此次的模拟结果中,由于所选参数的关系,未形成亏缺.为验证毛刺形成的有限元模型的可靠性,将试验结果[8]与模拟结果在毛刺厚度上进行了比较,结果如表1所示.该模拟结果是根据试验条件中的切削参数而改变切削厚度参数后得到的.由表1得出,模拟结果与试验结果取得了较好的吻合.182应用基础与工程科学学报 V o.l 12表1 试验结果与模拟结果比较T able 1 Si m ulation resu lts compare to exper i m enta l results切削参数试验结果B / m 模拟结果B / m 工件材料:6 4黄铜 刀具材料:高速钢38.536切削速度V (m /m i n ):2;进给量f (mm /d ∋str):0.142.343切削深度a p (mm ):0.4;0.45;0.548.247刀具前角#0(−):0;主偏角k r (−):45刀尖圆弧半径r (mm ):0.56 结论本研究在ANSYS /LSDYNA 下建立了毛刺形成的有限元模型,模拟并分析了毛刺形成的机理,提出将毛刺形成分为三个不同的阶段,验证了负剪切区的存在,提出了负剪切角的概念.该模型能体现材料特性、加工条件及切削参数的影响.模拟结果与试验结果比较表明,毛刺形成的有限元模型在毛刺定量预报上具有一定的价值和理论研究意义.参考文献[1] 王贵成.金属切削毛刺生成机理的研究及发展[J].中国机械工程,1995,5(6):7 8W ang Gu ic h eng .The study and devel opm en t on t he m echan is m ofm et al cu tti ng bu rr[J].C h i nese Journ alofM echan ical Engi n eeri ng ,1995,5(6):7 8[2] Sung Lin K o ,Dornfel d D A.A study on burr for m ati on m echan is m [J].ASM E,1991,113(1):74 87[3] G ill es p ie L K ,B l otter P T.The for m ation and prop erties ofm ach i n i ng bu rrs [J].ASM E,1976,98(2):66 74[4] 李皓月.ANSYS 工程计算应用教程[M ].长沙:中国铁道出版社,2001:193L iH aoyue .Appli cati on tutori al forANSYS engineeri ng num eration[M ].C hangs ha :P ress of Ch i na Railroad ,2001:193[5] U s u i E ,Sh i rakah iT .M echan i cs ofm ach i n i ng f ro m .d escripti ve /t o .Pred icti ve /t h eory on t he art of cutti ng m etal s 75years l ater[J].AS M E Pub li cati on PED,1982(7):13 35[6] I w at a K ,Osakada K ,T eradaka Y .Proces s m odeli ng of ort hogonal cu tti ng by t he ri g i d plas tic fi n ite ele m entm et hod[J].ASM E Jou rnal of Engi n eeri ngM aterial s and Technol ogy ,1984(106):132 138[7] 王贵成.二维切削中切削方向毛刺与亏缺的界限转换条件[J].中国机械工程,1994,30(3):71 76W ang Gu i cheng .S t udy on the li m it transfor m ati ve cond i ti on of for w ard burrs and fract u res i n ort hogonal cu tti ng[J ].Ch i nese Journal ofM echan i calEng i neeri ng ,1994,30(3):71 76[8] 王贵成.金属切削毛刺[M ].吉林:吉林科学技术出版社,1997:117 118W ang Gu i cheng .M et al cutti ng burr[M ].Jili n :Press of Technol ogy at Jili n ,1997:117 118183N o .2 朱云明等:金属切削毛刺形成的有限元模型及机理分析184应用基础与工程科学学报 V o.l12 The Fi nite Ele m entM odel andM ec hanis mAnalysis for Burr For m ation i n M etal Cutti ngZ HU Yunm ing, WANG Gu icheng, WANG Zh,i FAN Shu tian(School ofM echan ical Engi n eeri ng,J i angSu Un i versity,Zhen jiang212013,C h i na)Abst ractM eta l cutti n g burr is an i m portant factor o f infl u ence to edge quality and perfor m ance o f prec ision parts.A burr f o r m ation FE M has been presented in this paper.Fro m the si m ulation resu lts o f strai n and stress d istri b uti o n,the m echanis m o f the burr for m ati o n process is analyzed.A lso,three d ifferent stages i n burr for m ati o n processw hich have differentm echan is m have been stud ied.A chip separation criteri o n based on t h e critical va l u e o f t h e stra i n fail u re is i n troduced i n to the analytical m ode.l The concept o f negative shear zone and negati v e shear ang le are proposed in st u dy.Results of si m u l a ti o n are close to that/s o f experi m en.t F i n ite ele m en tm odel generated here prov i d ed a num erica l analysis m ethod to solve the pred icti o n o f burr fo r m ation and physica l i n sight i n to the f u nda m ental burr for m ation m echan is m.K eywords:cutti n g burr;FE M;chip separati o n criteri o n;predicti o n。