3-77  某特殊脆性材料切削加工的数值模拟

李海峰  赵哓平  何铁宁  刘建波

切削加工是制造业中的关键技术之一。与一般金属塑性成形不同的是，切削加工是一个使被加工材料不断产生分离的过程。目前，有限元模拟切削过程主要分为两种形式：即更新的Lagrange形式和Euler形式。在实际模拟过程中，前者使用更为广泛。这种方式的有限元模拟需要有一定的分离准则使切屑从工件上产生分离。另外，在加工过程中，有的切屑可产生连续塑性变形，而有的切屑则会产生锯齿状断裂。所以还应该有相应的断裂准则来模拟切屑的断裂。

脆性材料的切削机理和力学分析模型都不同于金属材料，它们的切屑及脱落方式也大不相同，主要是二者的材料力学性能巨大差异造成的。利用LS-DYNA有限元程序，作者对某特殊脆性类材料三维非正交切削加工进行了数值模拟。在不考虑热效应情况下，分析了工件因切削而产生的变形和应力。

根据目前已有的金属材料切削模型参数及物理性能参数，并参照有关文献的研究工作，可以建立比较完善的可考虑材料失效的金属切削模型和数值模拟方法。利用非线性动力分析有限元程序LS-DYNA，采用更新的Lagrange方法，先对金属三维非正交切削做数值模拟计算来探索技术路线。

通过对金属材料切削的模拟，从中得到了为脆性材料切削模拟有借鉴意义的技术方法和技术路线。根据切削实验预计参数，建立详细的三维有限元模型。刀具模型的角度参数与真实刀具完全一样，建立三爪卡盘来夹持固定工件。在有限元模型中，切削加工部分的局部网格非常密（由于实际的切削每转进给量为0.3 mm，切削部位的网格单元尺寸必须在此数值以下。如果按照0.3 mm单元尺寸大小划分网格，将导致单元数量剧增，程序计算的时间步长在10^-9 ~10^-10 s，为了模拟较稳定的切削过程，计算时间将无法忍受。所以只有一小部分的网格非常密，模拟时只切削加工一小部分），其余部位相对稀疏。通过固连接触关系将细密网格部分与稀疏网格部分连在一起。

在此固定工件，让刀具既做进给运动，又同时做回转运动，这样可以避免工件旋转而出现较大的离心力。因为回转运动是不可忽略的。

通过速度控制刀具的运动存在的问题是刀具在运动过程中，受到了阻力作用，速度会减慢，但是这样并不能保证刀具在切削的过程中保持相同的速度。而采用强制位移来控制刀具的运动，就不会出现这样的问题了。

在接触关系定义中，借助了在模拟弹丸穿甲时广泛使用的侵彻接触算法，它是以某种物理量（如最大主应力、等效应力、剪切应变、最大主应变等等）作为失效依据，当刀具与工件接触后，如果变形较大，单元内部某个物理量或者某几个组合物理量达到了预先设定的失效值时，单元便从结构中被“抹去”，类似于在实际加工过程中所产生的切屑，通过这种方式来考虑材料（单元）失效。当接触面内的单元失效后，刀具与工件重新生成接触面，如此不断形成侵蚀的效果。此处选用等效应力作为失效判据。从模拟结果来看，这种方法在一定程度上还是可行的。图1为切削力变化曲线，A为刀具与工件触点。

从模拟计算结果与实验数据比较，可以看出：通过位移控制刀具的运动，切削力的变化趋势是一致的，数量级也保持一致。