基于热力耦合的硬态车削过程有限元模拟及分析.pdf
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1、第 61 卷 第 8 期Vol.61 No.82023 年 8 月August 2023农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERING0 引言随着数控机床与高硬度切削材料的不断发展,淬硬钢作为一种新型金属材料,凭借其淬火后具有较高的机械强度和抗疲劳磨损能力被广泛应用于轴承、汽车、磨具等工业领域1-3。淬硬钢是一类具有代表性的难加工材料,其精加工方式主要是磨削,然而,磨削加工过程中存在着成本高、加工效率低、切削液污染严重等一系列问题4。利用硬态切削工艺可改变传统的切削-淬火-磨削工序,实现“精车代磨”,有效提高生产效率、减少环境污染、降低能
2、源消耗5。因此,研究硬态切削加工具有重要的现实意义。硬态切削是指采用立方氮化硼(CBN)、陶瓷、新型硬质合金、涂层硬质合金等超硬刀具,在少量或没有润滑的状态下对淬硬钢(HRC50)进行精密切削的加工工艺6-7。实验法研究硬态切削加工耗材多、成本高,也不易观察切削加工过程中工件表面温度及应力变化,很难对硬态切削机理进行深入研究。随着有限元技术的发展,通过有限元仿真掌握实验难以获得的物理力学数据,为深入研究硬态切削提供分析依据。目前,国内外学者对硬态车削仿真分析进行了一定研究。赵晶晶等8利用有限元分析软件 Deform-3D 构建了硬态切削加工模型,模拟了不同切削速度下淬硬钢 65Mn 的车削加工
3、过程,分析了不同切削速度下的切削力、切削温度以及应力变化情况;陈涛9通过有限元模拟和实验相结合的方法,研究了绝热剪切行为下的切削力动态特征,绝热剪切带切削热的分布特征、锯齿形切屑形成过程和切屑的变形特征,以及刀具刃口几何参数和切削参数对切削力、切削温度、切屑形doi:10.3969/j.issn.1673-3142.2023.08.014基于热力耦合的硬态车削过程有限元模拟及分析迟玉伦,范志辉,王国强,武子轩(200093上海市上海理工大学机械工程学院)摘要 为了探究热力耦合作用下不同切削参数对加工过程的影响,为优化工艺参数提供数据支撑,利用 Deform 有限元分析软件构建了热力耦合作用下的
4、正交切削有限元模型,模拟 GCr15 钢硬态车削加工过程,对车削加工中的切削力、温度场和应力场分别进行动态分析。结果表明:硬态切削加工过程中主切削力最大;工件表面的等效应力和应变随切削深度和切削速度的增加而增加;工件表面温度是一个快速升温和快速冷却的过程,并且工件表面温度最高,沿深度方向逐渐减小。关键词 热力耦合;硬态切削;切削力;切削温度;有限元分析 中图分类号 TG51;TG142.1 文献标志码 A 文章编号 1673-3142(2023)08-0067-06引用格式:迟玉伦,范志辉,王国强,等.基于热力耦合的硬态车削过程有限元模拟及分析 J.农业装备与车辆工程,2023,61(8):6
5、7-72.Finite element simulation and analysis of hard turning process based on thermal-mechanical couplingCHIYulun,FANZhihui,WANGGuoqiang,WUZixuan(SchoolofMechanicalEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China)AbstractUsingDeformfiniteelementanalysissoftware,theorthogon
6、alcuttingfiniteelementmodelunderthermalmechanicalcouplingwasconstructed,thehardturningprocessofGCr15steelwassimulated,thecuttingforce,temperaturefieldandstressfieldintheturningprocessweredynamicallyanalyzed,andtheinfluenceofdifferentcuttingparametersonthecuttingprocessunderthermalmechanicalcouplingw
7、asexplored,whichprovidedguidancefortheoptimizationofprocessparameters.Theresultsshowedthatthemaincuttingforcewasthelargestintheprocessofhardcutting.Theequivalentstressandstrainofworkpiecesurfaceincreasedwiththeincreaseofcuttingdepthandcuttingspeed.Thetemperatureofworkpiecesurfacewasaprocessofrapidhe
8、atingandcooling,andthetemperatureofworkpiecesurfacewasthehighestandgraduallydecreasedalongthedepthdirection.Key wordsthermalmechanicalcoupling;hardcutting;cuttingforce;cuttingtemperature;finiteelementanalysis收稿日期:2022-07-1168农业装备与车辆工程 2023 年态和工件表层残余应力的影响规律;Liu 等10利用有限元方法模拟研究了硬态切削加工表面残余应力的分布规律,与试验结果比
9、较,其变化趋势具有高一致性;李万钟等11根据热-弹塑性有限元理论,建立了热力耦合的二维正交硬态切削模型,通过有限元分析计算,得到了不同切削参数和刀具几何参数条件下已加工表面残余应力的模拟结果。硬态车削加工过程中如果不使用切削液,会产生大量的切削热,使得工件沿一定深度范围内产生变质层,影响工件表面质量和刀具使用寿命。目前,针对硬态切削仿真分析方面的研究主要集中于探究不同切削参数对工件表面切削力、切削温度、应力应变等的变化规律,对于工件沿深度方向上不同切削参数对切削加工的影响研究还不够深入。因此,通过模拟硬态切削过程,探究切削加工过程不同切削参数对切削力、切削温度和应力应变的影响规律,进一步研究沿
10、深度方向上切削温度随切削参数的变化规律,对于深入研究硬态切削机理、优化切削工艺参数、保证工件加工质量具有重要的指导意义。1 硬态车削过程有限元仿真1.1 硬态车削过程几何模型的建立在硬态切削过程中,工件直径远大于切削层的实际厚度,且刀具与工件间的运动相对恒定。假定工件材料具有各向同性,则切削刃各点在切削深度方向上的机械变化可以看作是等效的,从而将复杂的三维切削问题简化为二维切削问题12,简化过程如图 1 所示。当刀具主切削刃的刃倾角为 0时,即刀具的主切削刃垂直于切削速度方向,可称为正交切削,此时,在不考虑工件材料侧向流动的情况下,认为工件处于平面应变状态。1.2 工件材料本构模型的建立在实际
11、的硬态切削过程中,工件材料在高温升、大应变和高应变速率下会发生弹塑性变形,其行为是非线性的。因此,必须考虑各因素对工件材料流动应力的影响,建立正确合理的工件材料本构模型,提高有限元仿真的准确性。Johnson-Cook 模型13是描述金属在大应变、高应变率和高温条件下的模型,能更好地表达剪切面的剪切流动应力、剪切应变、剪切应变率 与温度 T 之间的关系,表达式为lnABCTTTT11nmrrm0vfff=+-oobchlm;E(1)式中:A,B,m,n 工件材料常数,因材料而异。在高温时,可采用 Andrate 和 Meyers 修正的JC 模型,即()lnABCTTTTH T11nmrrm0
12、vfff=+-oobchlm;E(2)H(T)为温度效应的修正系数,表达式为()(),()H Tu Tu TTTTT1101defrecffcc112vv=-=-hhF)3(3)本文选用的工件材料为经淬火和热处理的轴承钢 GCr15,硬度为 HRC62。GCr15 轴承钢的Johnson-Cook 模型参数如表 1 所示。表 1 工件材料 GCr15 的 Johnson-Cook 模型参数Tab.1 Johnson-Cook model parameters of workpiece material GCr15 A/MPaB/MPanCmT0/Tm/6731498.50.190.0270.6
13、6251572GCr15 作为一种高碳铬轴承钢,经淬火加回火后具有高且均匀的硬度、较好的耐磨性和抗疲劳性能,因此在轴承制造和模具制造等领域得到广泛应用。在硬态车削过程中,温度等因素的变化会导致工件材料的物理性能发生改变,因此,工件材料物理性能不同会直接影响切削过程中的温度等场变量的分布情况14。表 2 为材料 GCr15 的物理性能与温度的函数关系。表 2 工件材料 GCr15 的物理参数Tab.2 Physical parameters of workpiece material GCr15温度/杨氏模量/GPa泊松比热膨胀系数/(10-6K)热导率/(W/(m K)密度/(kg/m3)比热
14、容/(J/(kg/m3)温度Ac1/202010.27711.552.578124857502001790.26912.647.54001830.25513.741.56001030.34213.732.5800870.39615.326.01000670.49015.329.0图 1 三维模型向二维模型的简化过程Fig.1 Simplification process of 3D model to 2D model69第 61 卷第 8 期1.3 正交切削有限元模型的建立基于上述参数建立工件几何模型和正交切削的有限元模型,如图 2 所示。建模时采用负前角的PCBN 刀具,并设置前角为-6,刀
15、具为刚体,工件为弹塑性体,材料模型采用 Johnson-Cook 材料模型及失效模型。利用 Deform 有限元分析软件对工件和刀具进行网格划分,每个单元网格均为四边形单元,并通过建立细化窗口对切削接触区的网格进行局部细化,使工件切削变形区附近的网格较密,而远离切削区的网格较疏。在模拟仿真过程中,选择 SI(mm)单位制,设置库伦摩擦模型的平均摩擦因数为 0.35,通过固定工件底端和工件左侧来限制工件的移动,假设刀具切削过程中不发生变形,并沿 X 轴负方向以切削速度 V 运动,设置初始环境温度为 20。为了研究切削速度和切削层厚度对硬态车削加工过程的影响,设置切削速度 V 为 210、274、
16、360m/min,切削层厚度 a 为 0.127、0.150、0.180mm。2 硬态切削过程仿真结果分析为实现对硬态车削加工过程的模拟分析,基于建立的正交切削有限元模型,对达到稳态过程的切削力、切削温度、应力应变的分布规律进行研究。2.1 硬态切削表面切削力分布切削力直接影响工件质量和刀具寿命,有必要对切削力进行分析。切深为 0.127mm、速度为274m/min 时,硬态切削过程中 X 方向主切削力、Y 方向切深抗力随时间变化的曲线如图 3 所示。从图 3 可知,当刀具切入工件时,切削力会在极短时间内达到最大值,并逐渐趋向平稳,其中,X 方向切削力比 Y 方向的值要大。图 3 中存在的一些
17、波动点是因为刀具与切屑之间的不断接触、分离或断裂产生。2.2 硬态切削表面应力应变分布在硬态切削过程中,在切削力作用下工件加工表面形成了比较大的应力应变。图 4 给出了切深为 0.127mm、切削速度为 274m/min 时,高速硬切削加工过程中工件有限元模拟等效应力和等效应变分布云图。由图 4(a)可知,等效应力最大值出现在第 1变形区内,约为 1610MPa,在第 2 变形区内工件应力比第 1 变形区小,大约为 1000MPa;等效应变最大值出现在第 2 变形区,如图 4(b)所示。迟玉伦等:基于热力耦合的硬态车削过程有限元模拟及分析图 2 正交切削有限元模型Fig.2 Orthogona
18、l cutting finite element model(a)(b)图 3 X、Y 方向切削力图Fig.3 Cutting force diagram in X and Y directions(a)X 方向切削力(b)Y 方向切削力(a)(b)图 4 工件有限元模拟等效应力和等效应变分布云图Fig.4 Equivalent stress and equivalent strain distribution cloud map of workpiece finite element simulation(a)等效应力云图(b)等效应变云图切屑第 2 变形区第 1 变形区工件16101070
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