第33卷第3期2007年6月东华大学学报(自然科学版)J OU RNAL O F DON GHUA UN IV ERSIT Y (NA TU RAL SCIENCE )Vol 133,No.3J un.2007 文章编号:16710444(2007)03028703切削过程仿真及工艺参数优化3李蓓智,黄　昊,王胜利(东华大学机械工程学院,上海201620)摘　要:加工工艺及其相关参数优化是协调加工质量、效率和成本等目标的主要途径之一.以切削过程为对象,研究基于有限元法(FEM )的切削过程建模与分析方法,考察了切削工艺参数对切削力的作用及其优化策略,根据切削力计算、仿真和实验对比结果,指出现有切削效应分析方法及相关仿真软件的应用尚有一些值得进一步深入研究的内容.关键词:有限元法;切削过程仿真;工艺参数优化;切削力中图分类号:T G 501.1;TP 391.9 文献标志码:AC u t t i n g P r o c e s s S i m u l a t i o n a n d P a r a m e t e r O p t i m i z a t i o nL I B ei 2z hi ,HUA N G H ao ,W A N G S heng 2li(College of Mech anical E ngineering ,Donghu a U niversity ,Sh angh ai 201620,China)Abstract :Machining process and it s parameter is one of t he main ways t hat harmonize t he target s on t he quality ,t he efficiency and t he cost.The modeling and analysis met hod of t he cutting process are st udied based on t he finite element met hod (FEM ).The effect of t he cutting process parameter on t he cutting force is investigated and t he optimization met hod is given.According to t he co nt rast result of t he cutting force simulation and calculatio n based t he experiment ,it can be pointed out t hat t here is still a lot of research on t he cutting effect analysis met hod and t he applicatio n of t he simulation software.K ey w ords :finite element met hod ;cutting process simulation ;p rocess parameter optimization ;cutting force 机械加工是最广泛应用的机械零件制造工艺,随着科学技术的飞速发展和全球市场的形成,高性能加工问题已成为越来越多企业家和专家学者的关注重点[1].高性能加工是在保证和提高产品制造质量前提下,使效率最高、成本最低的加工优化问题.国内外的相关研究包括:高速、高精度加工机理研究[2,3];刀具材料研究、刀具几何参数及其结构的优化设计[46];加工工艺及其参数优化设计[79];工艺系统故障诊断与加工过程监控[4,10,11];基于有限元法的加工过程建模与分析方法[1214]等.在已确定的加工环境下,优化加工工艺及其相关参数是协调加工质量、效率和成本目标的主要途径之一.为此,本文将以车削过程为对象,研究基于有限元法的加工过程建模与分析方法,建立切削加工工艺参数优化策略及其条件,并探讨现有切削过程分析方法尚存在的不足及其解决方法.3 收稿日期:20070110作者简介:李蓓智(1953),女,上海人,教授,博士,研究方向为先进制造工艺与装备、现代集成制造方法与系统.E 2mail :lbzhi @dhu.288　东华大学学报(自然科学版)第33卷1　基于有限元的切削过程建模与仿真 切削力是估算机床功率和工件受力变形等的重要依据.以可转位车刀车削外圆过程为对象,应用D E F O R M软件的切削模块(M a ch in in gW iz ard)进行车削过程的建模与仿真.D E F O R M不支持创建刀具的三维几何模型,因此,通过ST L格式文件,将C A D软件建立的三维模型导入D E F O R M.影响实际加工的因素很多、各因素对切削加工的耦合作用非常复杂,因此,建立仿真模型需要进行理想化或简化处理,如刀具只选取刀尖部分作为研究对象,而省略刀杆等其他部分;工件选取刀尖附近的一部分加工表面.一般可取5倍的切削深度为工件的法向厚度,取10倍的主、副切削刃在进给方向上的投影长度为工件的切削长度;边界条件处理为:给工件的内表面施加全约束,刀具作旋转运动和进给运动.图1给出了三维切削实体模型与有限元模型,其中刀片材料为硬质合金,工件材料模型使用的D E F O R M材料库中的AI SI1045(相当45#钢),数据采集的范围分别为:温度20～2200℃、应变率0.1～500000、应变0.05～5,温度和应变率均有7个水平[4].两种材料间的热交换率为50N/S E C/m m/℃.刀屑间的摩擦因数对车削仿真结果影响很大,是建立真实边界条件的重要参数,选剪切摩擦因数为0.6.车削过程中,金属变形主要为大塑性变形,而刀片变形很小,故仿真中将工件视为刚塑性体(忽略其弹性变形),刀片视为弹性体.刀具的主要几何参数为:主偏角75°、前角12°、后角8°、刃倾角-5°.仿真模型中选择的对应角度为切削角(S C)为15°、纵向前角(B R)和副切削刃前角(S R)均为-5°,工件直径为Φ45m m,仿真时取圆心角20°或更多的扇形体部分,以减少计算时间.考虑到计算性能,网格划分数分别为刀具20000、工件80000,仿真步数为2000步,每25步存储数据一次.图1　三维切削实体模型和有限元Fig.1　3D cutting entity mod el and f inite elem ent mod el 2　基于切削力分析结果的工艺参数优化方法 表1给出了两组用以分析切削速度和切削深度对切削力作用的工艺参数,图2给出了基于D E F O R M软件的切削速度(图(a))和切削切深(图(b))对切削力作用的仿真结果,其中,F z,F y, F x分别为主切削力、径向切削力和轴向切削力.仿真结果表明:(1)通常情况下F z比F y,F x大得多;(2)切削速度增加,切削力均具有下降趋势,尤其是F z和F y;(3)切削深度增加,切削力均具有明显上升趋势,尤其是F z;(4)通常较小的切削力可以具有较高的加工质量.因此,为了既提高加工质量,又提高加工效率,应该在一定的切削力限制条件下,选择高的切削速度和小的切削深度.如精加工要求情况下,允许的径向切削力为100N 或以下,那么只要机床条件允许,可选择速度为350m/m in、进给量为0.1m m/r、切削深度为1m m 的工艺参数组合.表1　切削工艺参数T able1　Cutting process parameters分析因素切削速度v/(m・min-1)进给量f/(mm・r-1)切削深度t/mm速度50,100,150,200,250,300,3500.10.5切深1500.10.5,1,1.5图2　工艺参数对切削力作用效果的仿真示意图Fig.2　Cutting force simulation under the variationprocess parameters第3期李蓓智,等:切削过程仿真及工艺参数优化2893　切削力仿真与经验公式计算结果的对比分析 为了进一步验证D E F O R M关于切削力仿真结果的准确性,采用经验公式计算结果并进行对比.根据文献[15]推荐的相关公式.工件、刀具材料和刀具几何参数等,确定公式中的相关系数.结果表明,仿真结果与基于经验公式的计算结果具有较大的差距,其中,切向力和径向力均为仿真结果大于计算结果,而轴向力则相反.公式(1)给出了计算两种切削力分析方法给出的结果差异,表2给出了部分仿真结果、经验公式计算结果及其他们的结果差异.由表2可知,结果至少有10%以上的差异,最大的差异达到80%.因此,与一些研究给出的结论[16,17]不同,笔者认为,应用有限元分析法及其相关软件,还有许多值得深入研究的内容,如切削模型的构造、仿真参数的选择、仿真数据的处理方法等.结果差异=仿真值-理论值理论值(%)(1)表2　切削力仿真与经验公式计算结果的对比分析T able2　Compare and analysis on cutting force simulation and calculation b ased experience 仿 真 结 果经验公式计算结果计算与仿真结果的差值百分比/%F z′F y′F x′F z F y F x切向径向轴向201.478895.568832.4206129.9462.08105.725554-69 198.796964.035431.0861110.1544.6268.168044-54 143.579640.921126.941699.3536.2951.584513-484　结论与展望基于有限元仿真技术和经验公式对切削力的分析结果表明,优化工艺参数可以有效地协调加工质量、效率和成本等目标要求.用有限元软件工具辅助进行加工状态分析,可以大大提高分析计算效果,但是,由于仿真结果与经验公式计算结果存在较大差异,故期待进一步的深入研究成果,如切削模型的构造、仿真参数的合理设置、仿真数据的处理方法、仿真软件的不断发展等.参　考　文　献[1]　K OP ACJ,K R A JNIKP.H igh2P er form ance G rind ing—AR ev iew[J].Journal of M aterials Process ing T echn ology,2006,175:278284.[2]　王先逵.超精密加工切削和磨削机理研究[J].焦作大学学报,2002,(2):1 5.[3]　张志军,贾春德.超高速切削机理的研究[J].沈阳工业学院学报,1999,18(1):4145.[4]　H UA NGSN,T A N K K,W O NG Y S.T ool W earD etection and F ault D iagn os is Based on C utting F orceM on itoring[J].I nternational Journal of M achine T ools&M anu facture,2007,(47):444∃451.[5]　刘战强.先进刀具设计技术:刀具结构、刀具材料与涂层技术[J].航空制造技术,2006,(7):3842.[6]　方　斌,黄传真,许崇海.新型粉末涂层刀具材料的研制[J].机械科学与技术,2005,24(12):14521454,1509. 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