1 前言

　　金屬切削過程是一個(gè)非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。在金屬切削過程中存在著金屬的彈塑性變形，切屑形成過程涉及到材料非線性、幾何非線性、狀態(tài)非線性問題。采用有限元法模擬金屬切削過程在切削參數(shù)對(duì)加工過程的影響、切屑的形態(tài)以及切削過程刀具與工件的接觸等方面都起到一定的作用。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了金屬切削加工模擬技術(shù)的進(jìn)步,有限元法應(yīng)用于加工過程的模擬，具有動(dòng)態(tài)性、高度非線性等特點(diǎn)。這使切削過程中刀具—工件—切屑三者的局部動(dòng)態(tài)變化更形象化、可視化，為分析金屬切削過程機(jī)理提供了有力的工具。切屑的分離準(zhǔn)是切削有限元模型的關(guān)鍵問題之一。本文采用Johnson-cook 本構(gòu)模型來實(shí)現(xiàn)金屬切削過程的仿真。

　　2 二維金屬切削有限元模型

　　2.1 幾何模型

　　在金屬切削機(jī)理的研究中，多采用二維正交切削模型，將金屬切削加工簡(jiǎn)化為二維平面應(yīng)變問題來研究切削過程中的力學(xué)特性。二維正交切削模型如圖1 所示。工件底部和側(cè)面下部固定約束，刀具約束Y 方向的自由度。

　　圖1 二維正交切削有限元模型

　　2.2 網(wǎng)格劃分

　　二維切削模型采用熱-位移耦合的模型，刀具和工件的網(wǎng)格劃分均采用縮減積分的四節(jié)點(diǎn)雙線性熱里耦合網(wǎng)格(CPER4RT)單元，如圖2。將工件中與刀具接觸部分的縱向采用非均勻的比例畫法加密網(wǎng)格，同時(shí)將刀具中刀尖區(qū)域網(wǎng)格網(wǎng)格細(xì)化，以避免刀具與切屑接觸產(chǎn)生切屑侵入刀體。

　　圖2 工件以及刀具的網(wǎng)格劃分

　　2.3 材料本構(gòu)模型

　　Abaqus 提供了多中材料的模型，有限元分析過程中應(yīng)根據(jù)分析問題考慮采用何種本構(gòu)模型。本構(gòu)模型的與否合理直接影響著分析結(jié)果的正確性和仿真的準(zhǔn)確性。本文采用適用于金屬大變形的、描述材料高應(yīng)變率下熱粘塑性問題的Johnson-cook 模型(J-C 模型)。模型中屈服應(yīng)力計(jì)算如下：

　　計(jì)算式有三項(xiàng)組成：第一項(xiàng)描述了材料的應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)，第二項(xiàng)反映了流動(dòng)應(yīng)力隨對(duì)數(shù)應(yīng)變率增加的關(guān)系，第三項(xiàng)反映了流動(dòng)應(yīng)力隨溫度升高指數(shù)降低的關(guān)系。A為準(zhǔn)靜態(tài)下的屈服強(qiáng)度，B，n為應(yīng)變硬化參數(shù)，為等效塑性應(yīng)變, 為等效塑性應(yīng)變率，C為應(yīng)變率強(qiáng)化參數(shù)，m為熱軟化參數(shù)，為非線性溫度，由材料熔點(diǎn)溫度與常溫之比。對(duì)于TC4 鈦合金取材料參數(shù)見表1：

　　表1 TC4 材料的Johnson-cook 本構(gòu)模型參數(shù)

　　2.4 模擬結(jié)果

　　對(duì)TC4 材料進(jìn)行加工模擬：工件尺寸6mm×1.2mm，切削厚度0.4mm，切削速度v= 300 m/min.采用Abaqus/Explicit顯式分析建立的二維切削模型，模擬加工后的效果見圖3 和圖4。圖3 給出了模擬后的應(yīng)力分布圖，圖4 給出加工后的溫度分布圖。由圖3 可知，切削過程中剪切第一變形區(qū)應(yīng)力最大;溫度的最大值也出現(xiàn)在刀尖前端的剪切區(qū)，最大值為616.5℃。

　　圖3 分析后的應(yīng)力分布圖

　　圖4 分析后的溫度分布圖

　　圖5 給出了切削過程中的主切削力的值。由圖5 可以看出x 方向的切削力成周期性的波動(dòng)，這與切削過程中產(chǎn)生的鋸齒節(jié)有關(guān)。切削力的平均值約為500N。

　　圖5 x 方向切削力

　　3 結(jié)論

　　(1)采用Abaqus/Explicit 顯式分析建立了二維金屬切削有限元模型。

　　(2)對(duì)TC4 鈦合金進(jìn)行切削仿真，獲得了切削過程的應(yīng)力、溫度的分布。

　　(3)仿真模型通過試驗(yàn)驗(yàn)證可對(duì)實(shí)際加工具有優(yōu)化的意義。