基于DEFORM-3D的高速车削加工仿真【文献】

武文革，黄美霞

(中北大学机械工程与自动化学院，太原 030051)

播要:DEFORM-3D 是应用有限元方法(FEM)分析三维复杂加工过程的模拟工具，它不仅鲁棒性好.而且易于使用。借助于该模拟分析环境.能够对切削过程中刀具几何参数、切削条件以及加工过程中的其他因素产生的影响进行研究。应用DEFORM 自带的切削仿真模型，模拟高速车削加工中工件及刀具的温度分布、切屑流动、应力、应变和切削力等。模拟结果对减少产品试验、降低开发成本、缩短开发新产品及新工艺的时间等方面都具有重大意义。DEFORM-3D 对于研究刀具几何模型、切屑形成以及切削参数控制的刀具制造者和使用者来说，是一个较理想的工具。

关俵词:高速车削;有限元;DEFORM 软件:仿真

中图分类号:TP391 文献标识码:A 文章编号：1671—3133(2009)11-0091-05

Finite element simulation of high-speed turning using DEFORM-3D

WU Wen-ge,HUANG Meiria

(College of Mechanical Engineering and Automatization,North University of China,Taiyuan 030051,CHN) Abstract：DEFORM-3D is a poweriiil robust simulation tool that uses the Finite Element Method (FEM) to an alyze die three-di¬ mensional complex machining processes. It provides a virtual testing environment in which engineers can study the influence of tool geometry ,cutting conditions,and other fsctors on machining process perfbnnance. The high-speed turning process modeled u- ses DEFORM. With the help of model,the luming cutting fbrcea prediction and the temperature distribution in the work piece and cutting tool,chip flow ,stress and force or power requirements are simulated. TYie result of the simulation is crucial meaning to reducing the need for production trials, lower deveiopmenl costs and shorter lead times for new products and processes. DE- FORM-3D is an ideal tool for both cutting tool manufacturers and users who wish to study the effects of insert geometry and cut¬ 

ting parameters on chip ibnnation and control. Key words；high-speed turning；FEM；DEFORM；simulation 

0 引言

基于工艺的有限元法(FEM) 广泛应用于高速加工过程，以实现刀具切削力、应力和温度分布、刀具磨损和残余应力等的模拟分析，刀具切削模型和切削条件等因素的优化比2)。

在切削加工领域，对大部分的工件材料而言，其流动应力和摩擦特性的获得是很困难的供)。工件材料初始阶段的塑性变形或流动中产生的流动应力和瞬时屈服强度主要受温度、应力和应变等因素的影响。在高速切削加工中.确定精确可靠的流动应力模型成为研究工件材料加工特性的首要工作。

DEFORM 软件系列是 SFTC 公司的产品，采用有限元方法对金属成形和加工过程进行模拟分析，在 2D 和3D 的模拟成形和加工过程中都应用相似的程序。 DEFORM 采用成熟的数学理论和分析模型，并在许多 方面得到可靠的应用效果。许多通过实验不易获得 的信息，借助 DEFORM 软件可以实现，例如，在材料大 变形中，要得到加工过程中切屑形成或模具变形的分 析结果是很困难的，采用 FEM 仿真正是这些问题的解 决途径。总之，通过完善刀具模型、优化刀具切削轨 迹、缩短模拟时间以减少容错信息等措施，并有效地 运用DEFORM 软件，可以达到优化工艺参数的目的。 

DEFORM 集成仿真系统能够模拟从原材料的成 形、热处理、加工到产品组装的整个过程，程序在 Win- dows XP/2000 或流行的UNIX 界面下均可运行，其直观的图形用户界面为软件的使用和培训提供了极大的便利。

1DEFORM 的建模理论

DEFORM 可以采用多种网格类型方法来划分3D 有限元模型。目前，两种标准的FEM 网格划分方法是 欧拉法和拉格朗日法，也有组合法比如拉格朗日-欧拉 法（ ALE）和欧拉求格朗日综合法（CEL）l"。DE- FORM 车削模拟中一般多采用拉格朗日法来划分网格。DEFORM 中还采用迭代法来优化拉格朗日网格, 用以加快模拟速度。 

DEFORM 最大的优势之一是复杂几何模型的网 格划分技术。但加工仿真中容易产生大变形,这也是 拉格朗日法仍在解决的难题。对于模型在每个步长 后都重划网格的情况，拉格朗日法依然是观察粗变形 的最佳选择。deform 在复杂几何模型生成和重划 网格上的强大功能使它成为车削仿真分析的理想软件。 

车削加工仿真中，切削刃高速剪切工件,通过切 屑成形来分离工件材料,材料分离准则成为有限元仿 真切削加工过程的关键之一，最初的分界线模型被假 定用来简化仿真过程，该模型假定其材料内部有一裂 缝，当材料的最大等效塑性应变达到临界值时，切屑 从工件上被分离出来，得到等效般性应变准则模型， 且这一推则已被大多的有限元法采用。 

1.1 工件和刀具的网格划分

工件和刀具的网格划分在高速车削加工仿真中是一项关键技术。网格划分越精密得到的结果也就越精确，但是模拟时间会随单元网格数的增加成指数关系地提高。网格划分数量的多少也受限于软件的功能和计算机的计算能力。

本文建立的有限元切削模型如图1 所示。采用四 个节点组成的四面体单元来划分刀具网格。单元尺 寸以35000 个相对网格数来表示，为提高精度，还可以 在刀尖处设定4：1 的尺寸比例来细化网格，也就是将 刀尖处的网格在刀具网格粗划分的基础上再细化 25% 0 在本模拟实例中由 37953 个单元网格、8731 个 节点建立起车削刀具的精确模型。 

工件被刀具切削发生塑性变形，所以工件设置成塑性。网格形成以后，通常在切削过程中的每个时间步长里它会被不断地重新划分,网格重生成技术是拉格朗日网格法的功能之一。由于切屑模型有时只能在一定精度的网格单元下才能得以实现，所以工件网格的划分要比刀具网格更为细密。由于工件各单元上的应力、应变和温度分布都有很大的梯度，且跨过整个单元网格一般从一个节点到另一个节点上呈线性或二次曲线变化。为了精确地达到模拟效果，必然需要足够精格的网格。由于刀具设为刚性，可以用节点来分离。考虑到刀具和T.件之间的接触和分离关系相当复杂而且易于出错，在完成一次有效的模拟中，DEFORM 系统设定T.件上单元相对网格尺寸的数量不能超过80000 个。根据经验，本模拟实例使用相对网格尺寸类型并设置 60000 个网格数，即包含了步研究。刀具和未变形T.件的网格划分效果如图2 所 示（某些局部用高网格密度标示）。 

1.2 材料属性

DEF0RM-3D 自带丰富的材料库,并且还可以根据需要添加自定义材料。通过实验的方法获得材料的信息需要做大量的工作，许多材料模型都是在多项测试和模拟后才确认被应用的。定义某种新材料的关键任务就是对比它的应力、应变率和温度模型之间的相互联系，以及确定泊松比、热膨胀、传导率、热容量和温度等参数特性。DEFORM-3D v6. 1 版所带材料数据库包含以下种类:铝合金、beta 材料、模具材料、铜材料、不锈钢、钢材、超耐热合金、钛合金，以及刀具材料，这些数据库与生产实际中的工程材料相匹配，这也是 DEFORM 相对于 ABAQUS 或 AdvantEdge 这些商业软件的一大优势。本实例选用 WC 基硬质合金刀具加工 AISMO45 材料，材料的非线性塑性行为采用Johnson-Cook 模型描述：

式中：3 为等效应力,MPa「为等效应变京为应变率;7、 分别为变形温度、室温（20七）和材料熔点4为材料的屈服应力，MPa；B 为应变硬化常数. MPa；C、n、m 分别为材料特性系数，可通过材料实验或 切削实验方法获取。本例中工件材料为 AIS1-1045,取 4 = 553. lMPa、B =600. 8MPa、C =0.0134、" =0.23、m =l 

1.3 边界与接触条件

车削加工中的边界条件比较简单,工件的所有棱边都被固定,在刀具上给定表面切削速度、进给量和背吃刀量，并设置环境温度、传热系数、摩擦因数和热传导系数等其他参数值，见图 1。

接触条件用于控制刀具和工件之间的摩擦、热传导以及它们的主-从关系。定义刀具为主动件,工件为从动件，表明工件将随刀具运动产生变形，即工件网格是不可能运动到刀具体内的。设置环境温度为20

℃、传热系数为O.dm2 •- K、摩擦因数和热传导系数分别为0.6 和45m2

1.4 模拟参数

DEFORM 模拟参数可以有多种设置，不同的设置将获得不同的模拟结果。对于大多数的模拟有一些参数是不需改变的。时间的步数和步长可以改变，但由于时间步数只需给定任意大小就可保证刀具顺利通过工件。时间步长的设定通常由网格尺寸的大小来决定，单元网格越小、步长也越小。当然也可以采用网格重划标准或改变停止条件的方法，通常情况下用默认缺省值即可。

2 模拟分析

完成刀具和工件的建摸与网格划分，确定边界、 接触条件等设置后，第一阶段的模拟数据库就可以生 成。在 DEFORM 下核对数据库并确认所有必要参数 设定完后即可生成•DB 文件，接下来的工作便是在模拟器中完成模拟运算，运算时间的长短与参数的设置以及计算机硬件配置有关。

车削模拟的最终目的是为了生成后处理分析所 需的有用信息。DEFORM 的后处理器存储了包含材 料流动特性、切削力、工件温度、应力、应变以及应变 率等所有信息，涉及工件网格的每一个节点,也可以 重建各交叉部分，亦或根据分析的需要导出所有数据。与许多FEM 后处理器一样，在 DEFORM 环境下 可以动态演示模拟过程中的各项运动,从这些演示可以观察材料到流动时的温度和应力等状态的变化。 本文在后处理器中截取了部分模拟状态结果，如图 3 所示，包括切削力、工件温度分布、工件应力及应变、 刀具的温度分布及应力。 

由于某些随机误差和FEM 应用理论需要不断改 进的原因，DEFORM 的分析结果尚存在一定的误差, 需要进一步加以分析，而无法直接被引用。材料流动 特性分析的误差比温度及应力分析的误差更为普遍， 主要原因可能是由于在模拟过程中采用了等效应变 准则，实际上切削加工内部还有许多的机理需要研 究，因而模型随时都有产生错误的可能。但是通过将 实验结果和FEM 仿真结果进行对比分析，从而获得最 后的修正模型，就可以进一步对这些误差加以修正。 

3 仿真结果及分析

仿真结果如图3 所示，图 3a 为X 向切削力随时间 的变化曲线,当刀具刚切入工件时，切削力逐渐上升, 进入稳态切削后，切削力在一定范围内波动，原因是 切屑与前刀面的接触、分离、卷曲或断裂，都会使切削 力发生一些变化。 

图3b 为切削温度分布图，可以看出：

1）前刀面和后刀面的最高温度都不在刀刃上，而是离刀刃有一定距离的地方，这是由于摩擦热沿着刀面不断增加的缘故。

2）在切屑靠近前刀面的地方温度梯度很大，说明摩擦热主要集中在仞屑的底层,因此对切屑底层金属的剪切强度影响很大，进而影响到前刀面的摩擦因

数。

3）在切削速度为80Qm/min 时，刀与屑接触区以及工件表面的最高切削温度达到848t。

图3c 和图 3d 是切削速度为800m/min 时，切削进入稳态后，切屑、工件中的等效应力和等效应变分布图。从图3c 可以看出,主剪切区的等效应力是最大的,并且形成了具有一定宽度的剪切带，该剪切带与水平方向的夹角即为剪切角。从图 3d 可以看出，等效应变的最大值则分布在切屑即将离开前刀面的位置。

图3e 和图 3f 为刀具的切削温度和应力，对理解刀具的工作状态具有一定的指导意义。

为了验证仿真结果，在改装的无级变速车床 CA614O 上进行切削实验，切削力的测试采用压电晶 体车削测力仪，利用 PC1216-K 数据采集卡采集数据, 计算机对数据进行处理。取切削速度为800m/min,刀 具主偏角为90。、前角为0。,背吃刀量 %=0. 5mm,进给量为0.3mm/r,与模拟条件相同，对各向切削力进 行测晨.并与模拟值进行比较,比较结果如表 1 所示, 结果表明相对误差为"%左右，在可接受的范围之 内，证明所建有限元模型预测结果具有有效性。

金属切削加工是一个食杂的强热力耦合的动态 物理过程，切屑的形成过程具有高温和大变形的特 点。通过基于DEFORM 高速车削加工的模拟过程，获 得许多重要的参数，可以进一步研究多种不同刀具、 工件的切削加工特征，了解切削过程中所产生的最大 应力、最高温度以及切屑流动的情况，以期对刀具的 设计和工艺参数的确定提供参考，实现加工过程的优 化和生产成本最小的目的。但是，目前金属切削加工有限元模拟中的一些关键技术,如能够真实反映切削加工中材料的高温、大应变和大应变率的流动应力本构模型.切屑与工件的分离、断裂准则，刀屑间复杂的摩擦情况和生热等，还没有得到有效的解决,从而使模拟值与真实值之间还有一定的误差,这些关键技术的解决将成为今后研究的重点。

2)延伸产业链。由于煤炭企业产业链过短，过窄等原因，导致矿区面临经济效益差和环境污染严重等基本问题,对煤炭企业产业链进行扩展和延伸，能够使单一的产业结构多样化，从而提高煤炭矿区抵御市场风险的能力 如今我国洁净煤技术热点集中在煤气化上，煤气化为企业生产多种化工原料及有效实现污染零排放提供了更有效的途径。企业可以将传统的产业链条向"煤-油-化”和“煤-焦-化”方向延伸，奠定以煤炭为主，煤化工及煤基多联产共同发展的多元化格局，使煤炭企业走向新型工业化的道路。

3)加大环保投资。煤炭工业是污染最严重的行业之一，目前许多煤炭企业都致力于环境保护与恢复工作，这需要政府的大力监督和促进。具体实施过程

中,可以制定各项标准来考核企业资源减量化利用和恢复情况,如果达不到标准可对其进行一定的处罚;也可对煤炭开采企业生产的原煤按比例征收矿山环境恢复治理保证金，保证金具体用于矿区生态环境和水资源保护，矿区废水、废气、废渣等污染源治理，废弃物综合利用，采矿引发的地质灾害治理和矿区生态环境的恢复等。

原资料见附件

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