基于Abaqus有限元模拟仿真的金属切削力分析

摘要：本文针对S-06钢材的切削加工性能，基于Abaqus有限元模拟仿真进给速度、切削深度、刀具-切屑摩擦系数对切削过程中切削力的影响：进给速度越大，切削力越小；切削深度越大，切削力越大；刀具-切屑摩擦系数越大，切削力越大。

关键词：切削加工；有限元仿真；切削力

1 引言

随着科技的不断发展，工程仿真软件应用的场合越来越广泛，仿真软件的应用，可以指导设计生产制造等，节约成本，提要效率。

朱[1]基于ABAQUS研究了金属A6061切削过程中刀具前角、刀-摩擦系数、切削深度对应力应变和残余应力的影响，结果表明：仿真结果和试验结果吻合。江[2]研究了金属30CrMnSiA切削过程中刀具前角、后角等参数对切削力和切削温度的影响，并分析了划分网格的质量对切削过程的影响。黄[3]基于理论分析和实际仿真过程中出现的问题，研究了Abaqus中分离准则、自行应网格、表面接触准则等对金属切削过程的影响。王[4]基于有限元仿真切削过程，分析了建模方式、工件材料模型、热传导等关键问题对仿真的影响。

2 金属切削理论分析

2.1 本构关系

在切削过程中，刀具和工件相对运动实现毛坯的去除，刀具和工件的相互作用产生高温、大变形等，金属材料发生弹塑性变形，产生剪切变形，因此建立合理的本构模型变得非常重要。为了考虑各种切削参数对材料性能的影响，本文采用Johnson-Cook表述材料的本构关系。

Johnson-Cook本构模型一般形式：

式中-Mises屈服应力；-等效塑性应变；-相对等效塑性应变率，，取；-无量刚温度，；-材料熔点和室温。

2.2切屑分离准则

切削加工是刀具与工件相对运动不断产生切屑的过程，有限元仿真模拟提出了各种切屑分离准则，主要分为两类：几何准则和物理准则。本文采用Johnson和Cook提出的物理准则，该准则能表述在切削过程中变形、温度、压力等关系，且与实验相互结合，形式简单，可靠性高[4]。单元破坏定义：

式中-每步积分的等效塑性应变增量；-等效断裂应变。当D等于1时，材料发生断裂，被破坏的网格就要被新的网格取代。一般形式：

从式（3）中可以看出主要由、、T所决定，无量纲压力-应力比，是各垂直应力的平均值，是Mises等效应力，常数D1、D2、D3、D4、D5可通过单拉试验得到。

2.3表面摩擦分析

在金属切削过程中，刀具前刀面-切屑、刀具后刀面-工件存在着摩擦、挤压等，根据研究表明，刀具-切屑接触分为粘结摩擦和滑动摩擦，选择正确的摩擦模型对于正确仿真模拟切削加工就变得尤为重要，本文采用罚函数发来模拟接触过程。

3 有限元模拟仿真关键技术处理

3.1模型建立

根据相关研究表明[1]：当切削宽度是切削深度的5倍以上，三维切削过程表现为明显的平面特征。为了简化模型，本文研究的工件长度70mm，宽度20mm，高度40mm，其中切削宽度20mm，切削深度3mm。

3.2 创建分析步和接触准则

在切削加工过程中，刀具前刀面-切屑摩擦，刀具后刀面-工件摩擦，所以选择温度位移场，在F-Output选择STATUS；为了输出切削力，在H-Output中给刀具参考点RP-1设置RF。

刀具和工件建立面-面接触，接触形式选择罚函数。

3.3 加载形式

在切削加工过程中，刀具相对工件运动，仿真过程中把工件设置成完全固定；设置刀具沿着X轴负方向运动。

3.4网格划分

为了提高计算速度，在划分工件网格时，切削区域划分密，非切削区域划分疏，工件和刀具采用C3D8RT网格类型。

3.5 仿真结果分析

3.5.1等效应力应变分布

等效应力应变如图5所示，切削区域可以划分三个变形区，第一变形区为切削刃前面的切削层区域；第二变形区为刀具前面与切削层接触的区域，第三变形区为后刀面与已加工表面接触的区域。从图5可知：最大应力分布在第一变形区，该区域将产生大量的切削热，并消耗大量的能量；第三变形区即后刀面和工件已加工表面产生摩擦和挤压变形，对已加工表面质量产生一定的影响。

3.5.2进给速度对切削力的影响

影响切削三要素之一的进给速度对切削质量用很重要的影响，不同的切削速度对切削力、表面质量等有着不同的作用，本文研究进给速度0.1mm/s、0.2mm/s、0.3mm/s和0.4mm/s对切削力的影响，如图6所示。

从图6可得：刀具接触工件开始加工，切削力会急速增大。当进给速度为0.1mm/s，切削力约为62000N；当进给速度为0.2mm/s，切削力约为68000N；当进给速度为0.3mm/s，切削力约为72000N；当进给速度为0.1mm/s，切削力约为76000N。随着进给速度不断增加，切削力不断减小，这与实际加工过程相符合。

3.5.3切削深度对切削力的影响

如图7所示，切削深度也是切削三要素之一，对切削过程有着重要的作用，本文研究不同的切削深度3mm、2.5mm、2mm、1.5mm对切削力的影响：当切削深度为3mm，切削力约为76000N；当切削深度为2.5mm时，切削力约为65000N；当切削深度为2mm时，切削力约为58000N；当切削深度为1.5mm时，切削力约为48000N。随着切削深度的增大，切削力不断的增加，这与实际加工过程相吻合。

3.5.3 刀具-切屑摩擦系数对切削力的影响

在切削过程中，摩擦对刀具寿命和工件加工质量有着重要的影响，本文研究刀具-切屑摩擦系数分别为0.15、0.2、0.25和0.3时对切削力的影响，如图8所示：当摩擦系数为0.15时，切削力约为71000N；当摩擦系数为0.2时，切削力约为76000N；当摩擦系数为0.25时，切削力约为81000N；当摩擦系数为0.3时，切削力约为85000N。随着刀具-切屑摩擦系数的不断增大，刀具受到的切削力不断增大，并且系数越大，切削产生的热量越高，对工件加工质量有着很大的影响，所以应避免生成过高的热量。

4 总结

本文基于Abaqus有限元仿真，分析了进给速度、切削深度和刀具-切屑摩擦系数对切削力的影响：进给速度越大，切削力越小；切削深度越大，切削力越大；刀具-切屑摩擦系数越大，切削力越大。

但是在数控切削过程中，切削力的计算涉及热、材料、加工方式等，还没有一种形式能完全表述切削力。在实际使用切削力存在两种经验公式：一种是指数形式；一种是单位切削力。但是这些计算方式过程繁多，计算量大，比较复杂。所以依据Abaqus有限元仿真为切削力计算提供了一种方式，对实际机床加工工件具有一定的指导作用。

参考文献：

[1] 朱江新，夏天，范威.基于ABAQUS的金属切削过程模拟，国防工艺出版社，2008年8月

[2] 江道银，张莉. 基于ABAQUS的切削仿真加工研究. 科技展望，2016（04）.