0 引（yǐn）言

      切削（xuē）加工就（jiù）是通過刀具的剪切（qiē）擠壓（yā）， 使（shǐ）工件產生彈性變形、塑性變形，最終撕（sī）裂形成切屑，形成（chéng）工件（jiàn）上已加工表麵的過程。是一個複雜的物（wù）理化學過程。以往通常用側麵方格變形觀察、光彈、光塑性試（shì）驗和掃描電鏡、顯（xiǎn）微觀察等方法進行研究，但這些方法不是由於技術複雜就是由於費用昂貴（guì），實驗周期長、人力物力消耗大、綜合成本很高。隨著（zhe）計算機技術的不斷發展,幾何建模和計算的能力越來越強，使得大型商業有限（xiàn）元的功能也越來越強大， 仿真結果也越來越接近實際加工情況，其在切削（xuē）加工中的應用越來越廣泛。運用有限元分析切削加（jiā）工過程，成本較低，使用方便，操（cāo）作時間短，實驗結果豐富：如切削溫（wēn）度、切削力、應變率、應變和應力等。

      1 模型的建立

      采用Marc 建立金屬直角車削（xuē）的仿真模型。

      （1）在Marc 中建立刀具和測（cè）試樣品的實體模型， 工件材料采（cǎi）用45 鋼， 其在模型中假定為長方體，采用金剛石車刀進行仿真，其硬度遠超過工件，所以將其定位為剛體，設定其刃口半徑為0.11 μm。刀具的後角固定，在仿（fǎng）真過程中根（gēn）據需要采用不（bú）同前角。為保證足（zú）夠的（de）切削長度，工件長度（dù）應大（dà）於切削深度的10 倍，這樣可以使切削持續（xù）到穩定狀態，如圖1 所示；

      （2）在特性模塊中定義樣品的（de）材料屬性，假定試件為VonMises 屈服各向同性彈塑性材料，材料特性（xìng）以實（shí）際實驗中所獲取數據輸入；

      （3）在網格模塊中采用4 節點實體單元對其進行網格劃分並定義單元類型；

      （4）在（zài）相互作（zuò）用模塊中定義（yì）接觸相關的屬性：切削（xuē）過程中的（de）摩擦是剪切摩擦，為使（shǐ）在數值上具有連（lián）續性，Marc 中采用了一個修正的剪切摩擦模型

      （5）仿真時對刀具和（hé）工（gōng）件施加的邊界條件如下：工件固定，刀具沿X 軸方向進行運動，其他方向固定（dìng）；

      （6）其他條件不變，改變不同前角（jiǎo）進行模擬仿真。

      2 切屑與工件的分離準則

      在金屬切（qiē）削加工有限元仿真模擬技（jì）術（shù）中，切屑與（yǔ）工件如何分離是一個關鍵技術（shù）。目前主要有兩大類型：幾何準則和物理準則。

      幾（jǐ）何準則的模型很簡單，它首先需要對加工路（lù）徑進（jìn）行設定，然後通過在（zài）路徑（jìng）上刀尖與刀尖前單元節點（diǎn）的（de）距離變（biàn）化來判斷分離與（yǔ）否，它是基（jī）於幾何（hé）形狀的變化，而非物理性質，而在（zài）實際切削加工中，切屑的形成主要是由物理量的變化（huà）引起的，這樣就與實際加工不符合，難以適應（yīng）實際加工中不（bú）同的加工工藝（yì）以及（jí）不（bú）同的材（cái）料的變化要（yào）求。物（wù）理準則更接近實際加工情況， 它是基於刀尖前單元節點的應力、應變等（děng）物理量的變化來判斷分離的, 首先設定物理量的（de）極限（xiàn）值，在仿真過程中,通過分（fèn）析其是否超（chāo）過極限值來判斷切屑分離與否, 其主要有等效塑性應變準則、基於應變能密度準則和斷裂應力準則。

      本文中采用等（děng）效塑性（xìng）應變分離準則， 即Marc中的重劃分準則：在仿真過程中，劃分好的網格受到力的（de）作用發生畸變（biàn）， 係統對畸變程度進（jìn）行分析，當其達到設定值時， 程（chéng）序（xù）就會自動重劃分網格，也可（kě）以稱為單元畸變準則。這種分離準則對切屑分（fèn）離時刃口（kǒu）半徑的影響也進行考慮，同時切屑的流向不需要設定，是由網格的自動劃分來實現的（de），其畸變過程如圖2 所示。如果Xn是開始步的坐標係，ΔXn是增量過程的位移，其有以下關係:

      3 有限元仿真（zhēn）結果

      切（qiē）削過程的有限元仿真（zhēn）功能強大， 它能夠反（fǎn）映出很多結果，例如：應力和應變在切削過程中的變化、切削變形的過程，切削溫度（dù）的變化、已加工表麵的殘餘應力。下麵列舉幾個仿真的分析結果（guǒ）供參考。

      圖2 顯示了切屑的形成過（guò）程和等效應（yīng）力分布。從仿（fǎng）真中可以看出切屑的形成（chéng）過（guò）程： 彈性變形-塑性變形-刀尖處的切屑開始堆積-形成切屑-形成穩定的（de）連續（xù）切屑（xiè）。

      圖3 為仿真出（chū）來的應力雲圖，可以看出（chū）：切削（xuē）變形有3 個變形區，分為第（dì）1 變形區、第2 變形區和第3 變形區， 其中變形應力在第1 變形區（qū）時最大， 並且可以發現在刀尖附近的變形應力集中，這與切削加工原理一致。

      圖3 與圖4 為不同前角在同（tóng）樣狀態下的等效應力雲圖，由圖可知，切（qiē）削力與前角有著緊密的關（guān）係：負前角越大，切削力明顯增大，這是由於負前角越大，靜壓力麵積越大，刀具越（yuè）不鋒利；同樣可知（zhī）：切屑的形成（chéng）也與前角有關，負前角變大，這時剪（jiǎn）切角越小，切屑分離越難（nán）。

      將溫度的變化規律加入（rù）仿真，可以得到切削溫度的（de）變（biàn）化（huà）規律如圖5 所示。圖5（a）為用雲圖的形（xíng）式顯示的切削溫度圖，圖5（b）為其局部放大圖，由圖可知：切（qiē）削時最高溫度在刀尖附近，但並不在刀尖，同時切屑上的溫度較高， 而刀具前刀麵的溫度較低，這是由於切（qiē）屑發生了大部分（fèn）的切削變形，而且（qiě）切屑還與前刀麵發生了滑動摩擦.

      4 結語

      討論了（le）切削加工的仿（fǎng）真過程，並對相關結果進行（háng）了分析。通過分（fèn）析發現切削加工的仿真結果與切削原理具有較高（gāo）的吻合性，這（zhè）說明有限元仿真具有較高的可靠性，對其進行（háng）研究是很有必要（yào）的，這也是今後（hòu）切削加工（gōng）的研究方向之一。