橢圓活塞切削力的影響因素研究

趙金泉

摘 要：文章對(duì)不同刀具前角、不同切削速度、不同切削深度、不同刀具刃口鈍圓半徑以及不同頻率對(duì)工件應(yīng)力應(yīng)變及切削力的影響進(jìn)行了仿真研究，分析了在不同參數(shù)影響下主切削力和背吃刀力的變化情況。

關(guān)鍵詞：切削力；影響因素；橢圓活塞

橢圓振動(dòng)切削（Elliptical Vibration Cutting，EVC）作為一種特殊的加工方式，得益于其周期性加工的特點(diǎn)，EVC能夠大大降低切削力、熱，并且能提高刀具的使用壽命，近年來受到廣泛的關(guān)注。為了更好地研究EVC切削力，本文將利用有限元分析法對(duì)其進(jìn)行更深一步的研究。

1 EVC有限元模型的建立

1.1 工件建模?？紤]到計(jì)算的速度與相關(guān)的切削參數(shù)，本文給定工件模型尺寸：長為0.6mm，高為0.2mm，并在工件高1/2處進(jìn)行切分，為提高建模效率下文將對(duì)其上半部分細(xì)化網(wǎng)格。

1.2 刀具建模。給定刀具前角為0°，后角為10°，切削刃鈍圓半徑為2um。由于不考慮刀具的變形及工件刀具之間的熱傳遞等因素，因此將刀具建成為解析剛體。

1.3 材料屬性。工件材料選為6061鋁合金，經(jīng)查找相關(guān)文獻(xiàn)得到6061 Al的材料參數(shù)如表1所示。

1.4 網(wǎng)格劃分。由于加工為微細(xì)加工，切深較小，所以為了計(jì)算效率，在保證精度的前提下，對(duì)工件進(jìn)行了切分，并在有些邊進(jìn)行了種子的偏移設(shè)置，首先對(duì)上半部分長度方向進(jìn)行局部細(xì)化，然后對(duì)上半部分的高度方向進(jìn)行局部細(xì)化，最后對(duì)下半部分高度方向采用均勻方式進(jìn)行局部細(xì)化。

1.5 定義載荷。首先，對(duì)工件賦予溫度邊界條件，新建一個(gè)預(yù)定義場(chǎng)，然后選擇事先建立好的工件全部節(jié)點(diǎn)集。然后對(duì)工件進(jìn)行固定，在邊界條件管理器里新建一個(gè)邊界條件。最后對(duì)刀具進(jìn)行速度的邊界條件設(shè)定。

2 橢圓活塞切削力影響因素分析

2.1 不同前角的影響。首先研究不同刀具前角對(duì)切削力和工件表面應(yīng)力狀態(tài)的影響，根據(jù)單一變量法，分別對(duì)刀具進(jìn)行不同角度的建模，其他前處理過程及相關(guān)參數(shù)與前文所述相同。為了說明刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡，所以在后處理時(shí)提取了刀具兩個(gè)方向的位移曲線，U1即為x向的位移曲線，U2為Y向的位移曲線，因?yàn)楣ぜ潭?，所以刀具需要有一個(gè)隨著時(shí)間t而向左運(yùn)動(dòng)的恒定速度（切削速度），即刀具相對(duì)于工件的位移在X向的分量不再為一個(gè)單純的周期型幅值曲線。

同時(shí)以10°刀具前角為例，進(jìn)行EVC一個(gè)周期的切削特點(diǎn)闡述。由于EVC為刀具相對(duì)工件作周期性振動(dòng)切削的特點(diǎn)使得一個(gè)切削周期中存在如下幾個(gè)特殊切削狀態(tài)：切除上一周期殘留、開始本周期切削、提屑以及刀具工件分離四個(gè)狀態(tài)。圖1為在相同切削時(shí)間下，不同刀具前角對(duì)應(yīng)的工件表面米塞斯應(yīng)力分布云圖。

分析結(jié)果表明，不同刀具前角對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力，相同時(shí)刻下不同刀具前角對(duì)應(yīng)的最大米塞斯應(yīng)力是不同的，由此可以得出隨著刀具前角的增大最大米塞斯應(yīng)力是逐漸增大的，而5°前角對(duì)應(yīng)的最大米塞斯應(yīng)力發(fā)生了突變。由五個(gè)不同的應(yīng)力云圖可以看出，隨著刀具前角的增大，切削的形態(tài)也變的瘦而高。

2.2 不同切速的影響。為了研究不同切速對(duì)切削力和工件表面應(yīng)力狀態(tài)的影響，根據(jù)單一變量法，分別對(duì)刀具賦予0.31m/min，3.1m/min以及31m/min的切削速度，其他前處理過程及相關(guān)參數(shù)與前文所述相同。因?yàn)榍邢魉俣雀淖兒螅瑫?huì)影響刀具的軌跡，相同時(shí)間內(nèi)刀具切過的距離也會(huì)不同。不同速度下的最大應(yīng)力對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，可見隨著速度的增大最大應(yīng)力先減小后增大。

2.3 不同切削深度的影響。為了研究不同切深對(duì)切削力和工件表面應(yīng)力狀態(tài)的影響，根據(jù)單一變量法，分別設(shè)定刀具切削深度為10um，20um和30um，其他前處理過程及相關(guān)參數(shù)與前文所述相同。首先研究不同切深對(duì)應(yīng)的工件表面的應(yīng)力狀態(tài)。分析不同切深對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力可知，切深從10um到20um，應(yīng)力增大，從20um增大到30um時(shí)，應(yīng)力減小。

2.4 不同刀具刃口鈍圓半徑的影響。為了研究刀具刃口鈍圓半徑對(duì)切削力和工件表面應(yīng)力狀態(tài)的影響，根據(jù)單一變量法，分別設(shè)定刃口鈍圓半徑為0.2um、1um和5um，首先研究不同刃口鈍圓半徑對(duì)應(yīng)的工件表面的應(yīng)力狀態(tài)。分析不同刀具刃口鈍圓半徑對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力，可以看出，隨著鈍圓半徑從0.2um到1um過程中最大應(yīng)力增大，而從1um到5um過程中最大應(yīng)力減小。

2.5 不同刀具振動(dòng)頻率的影響。為了研究刀具振動(dòng)頻率對(duì)切削力和工件表面應(yīng)力狀態(tài)的影響，根據(jù)單一變量法，分別設(shè)定刀具振動(dòng)頻率為15KHz、25KHz和35KHz，首先研究不同振動(dòng)頻率對(duì)應(yīng)的工件表面的應(yīng)力狀態(tài)。分析不同頻率對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力可知，隨著頻率的增大，最大應(yīng)力先增大后減小。

3 結(jié)束語

本文對(duì)不同刀具前角、不同切削速度、不同切削深度、不同刀具刃口鈍圓半徑以及不同頻率對(duì)工件應(yīng)力應(yīng)變及切削力的影響進(jìn)行了仿真研究，分析了在不同參數(shù)影響下主切削力和背吃刀力的變化情況，這些研究結(jié)果對(duì)實(shí)際工況下的切削規(guī)律以及切削力的預(yù)測(cè)具有一定的指導(dǎo)意義。