高速金属切削的摩擦分析及有限元模拟

２００７年１月

第３２卷第１期

润滑与密封

ＬＵＢＲＩＣＡＴｌ０ＮＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ

Ｊａｎ．２００７

Ｖ０１．３２Ｎｏ．１高速金属切削的摩擦分析及有限元模拟

王霄卢树斌高传玉

（江苏大学机械工程学院江苏镇江２１２０１３）

摘要：基于更新的拉格朗日方程，模拟了高速条件下金属正交切削的加工过程，并在刀．屑接触表面上分别建立了库仑摩擦模型和粘结一滑移摩擦模型，通过将切削力、吃刀抗力、切屑厚度和刀一屑接触长度的模拟预测值与相关文献的试验结果比较表明，粘结－滑移摩擦模型更符合实际的摩擦模型，即在金属切削过程中，刀一屑接触表面上同时存在滑移摩擦和粘结摩擦。

关键词：高速切削；有限元模拟；粘结一滑移；摩擦模型

中图分类号：ＴＧ５０ｌ文献标识码：Ａ文章编号：０２５４

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在机械制造的研究领域中，对金属切削过程的研究一直是国内外研究的热点和难点。有限元法在求解非线性和多场耦合方面的强大功能日益明显，从而在切削加工过程的研究中得到了广泛的应用¨“１。用有限元方法模拟金属切削加工过程，其预测结果主要受到２个因素的影响：（１）切削区材料的流动应力特性；（２）刀．屑接触表面的摩擦特性。当通过大应变速率和温度变形试验获得了工件材料的本构模型，那么材料流动应力的不确定性对有限元模拟的影响就会大大降低。在此前提下，正确地模拟刀－屑接触表面的摩擦状况是对金属切削过程进行数值模拟的关键。本文作者利用有限元通用软件ＤＥＦＯＲＭ－２Ｄ在高速条件下，模拟Ｐ２０模具钢的切削过程，对刀一屑接触表面的摩擦建立不同的摩擦模型。本文的一个特点是通过定义摩擦窗口，实现在一个摩擦模型中应用２种不同的摩擦条件，模拟出更符合实际的摩擦模型。

１刀．屑接触表面的摩擦分析

收稿日期：２００６—０６一１９

作者简介：王霄（１９６４一），男，博士研究生，副教授，主要研究方向：微造型及性能数值模拟，ｃＡＤ／ｃＡＥ／ｃＡＭ，虚拟样机技术等．Ｅ—ｍａｉｌ：ｗｘ＠ｕｊｓ．ｅｄｕ．ｃｎ．

在早期的切削加工分析中，普遍采用传统的库仑摩擦理论，其认为前刀面上摩擦剪切应力与正应力成正比，数学公式如下：

．ｒｆ＝妒。（１）式中：ｆ，为摩擦剪切应力；矿。是正应力；肛是摩擦因数。

图１前刀面的摩擦模型

在高速切削中，前刀面上的正应力和温度会迅速增加。当前刀面上的正应力超过一定的极限值后，用传统的库仑摩擦理论所得出的摩擦剪切应力已经远远大于实际的值，这时方程（１）就不能很好地反映工件与刀具之间的摩擦剪切应力与正应力的关系。根据以刘、

万方数据