0 引言
切削加工就是通過刀具的剪切擠壓， 使工件產(chǎn)生彈性變形、塑性變形，最終撕裂形成切屑，形成工件上已加工表面的過程。是一個復雜的物理化學過程。以往通常用側面方格變形觀察、光彈、光塑性試驗和掃描電鏡、顯微觀察等方法進行研究，但這些方法不是由于技術復雜就是由于費用昂貴，實驗周期長、人力物力消耗大、綜合成本很高。隨著計算機技術的不斷發(fā)展,幾何建模和計算的能力越來越強，使得大型商業(yè)有限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，其在切削加工中的應用越來越廣泛。運用有限元分析切削加工過程，成本較低，使用方便，操作時間短，實驗結果豐富：如切削溫度、切削力、應變率、應變和應力等。
1 模型的建立
采用Marc 建立金屬直角車削的仿真模型。
（1）在Marc 中建立刀具和測試樣品的實體模型， 工件材料采用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。刀具的后角固定，在仿真過程中根據(jù)需要采用不同前角。為保證足夠的切削長度，工件長度應大于切削深度的10 倍，這樣可以使切削持續(xù)到穩(wěn)定狀態(tài)，如圖1 所示；
（2）在特性模塊中定義樣品的材料屬性，假定試件為VonMises 屈服各向同性彈塑性材料，材料特性以實際實驗中所獲取數(shù)據(jù)輸入；
（3）在網(wǎng)格模塊中采用4 節(jié)點實體單元對其進行網(wǎng)格劃分并定義單元類型；
（4）在相互作用模塊中定義接觸相關的屬性：切削過程中的摩擦是剪切摩擦，為使在數(shù)值上具有連續(xù)性，Marc 中采用了一個修正的剪切摩擦模型
（5）仿真時對刀具和工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；
（6）其他條件不變，改變不同前角進行模擬仿真。
2 切屑與工件的分離準則
在金屬切削加工有限元仿真模擬技術中，切屑與工件如何分離是一個關鍵技術。目前主要有兩大類型：幾何準則和物理準則。
幾何準則的模型很簡單，它首先需要對加工路徑進行設定，然后通過在路徑上刀尖與刀尖前單元節(jié)點的距離變化來判斷分離與否，它是基于幾何形狀的變化，而非物理性質，而在實際切削加工中，切屑的形成主要是由物理量的變化引起的，這樣就與實際加工不符合，難以適應實際加工中不同的加工工藝以及不同的材料的變化要求。物理準則更接近實際加工情況， 它是基于刀尖前單元節(jié)點的應力、應變等物理量的變化來判斷分離的, 首先設定物理量的極限值，在仿真過程中,通過分析其是否超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、基于應變能密度準則和斷裂應力準則。
本文中采用等效塑性應變分離準則， 即Marc中的重劃分準則：在仿真過程中，劃分好的網(wǎng)格受到力的作用發(fā)生畸變， 系統(tǒng)對畸變程度進行分析，當其達到設定值時， 程序就會自動重劃分網(wǎng)格，也可以稱為單元畸變準則。這種分離準則對切屑分離時刃口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(wǎng)格的自動劃分來實現(xiàn)的，其畸變過程如圖2 所示。如果Xn是開始步的坐標系，ΔXn是增量過程的位移，其有以下關系:
3 有限元仿真結果
切削過程的有限元仿真功能強大， 它能夠反映出很多結果，例如：應力和應變在切削過程中的變化、切削變形的過程，切削溫度的變化、已加工表面的殘余應力。下面列舉幾個仿真的分析結果供參考。
圖2 顯示了切屑的形成過程和等效應力分布。從仿真中可以看出切屑的形成過程： 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(wěn)定的連續(xù)切屑。
圖3 為仿真出來的應力云圖，可以看出：切削變形有3 個變形區(qū)，分為第1 變形區(qū)、第2 變形區(qū)和第3 變形區(qū)， 其中變形應力在第1 變形區(qū)時最大， 并且可以發(fā)現(xiàn)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 為不同前角在同樣狀態(tài)下的等效應力云圖，由圖可知，切削力與前角有著緊密的關系：負前角越大，切削力明顯增大，這是由于負前角越大，靜壓力面積越大，刀具越不鋒利；同樣可知：切屑的形成也與前角有關，負前角變大，這時剪切角越小，切屑分離越難。
將溫度的變化規(guī)律加入仿真，可以得到切削溫度的變化規(guī)律如圖5 所示。圖5（a）為用云圖的形式顯示的切削溫度圖，圖5（b）為其局部放大圖，由圖可知：切削時最高溫度在刀尖附近，但并不在刀尖，同時切屑上的溫度較高， 而刀具前刀面的溫度較低，這是由于切屑發(fā)生了大部分的切削變形，而且切屑還與前刀面發(fā)生了滑動摩擦.
4 結語
討論了切削加工的仿真過程，并對相關結果進行了分析。通過分析發(fā)現(xiàn)切削加工的仿真結果與切削原理具有較高的吻合性，這說明有限元仿真具有較高的可靠性，對其進行研究是很有必要的，這也是今后切削加工的研究方向之一。
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