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外文翻譯
專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化
學 生 姓 名 秦飛躍
班 級 B機制053班
學 號 0510110310
指 導(dǎo) 教 師 黃傳錦
外文資料名稱：On the finite element modelling of high speed hard turning
(用外文寫)
外文資料出處： Int J Adv Manuf Technol
附 件： 1.外文資料翻譯譯文
2.外文原文
指導(dǎo)教師評語：
簽名：
年 月 日
有限元模擬的高速硬車削
A.G.Mamalis·J.Kundrak·A.Markopoulos·D.E.Manolakos
秦飛躍 譯
摘要 本文介紹了采用有限元法的模擬高速硬車削。近幾年，高速硬車削已經(jīng)成為切削淬硬鋼時非常有效的加工方法。這種最新方法的優(yōu)勢是不僅保證了產(chǎn)品的加工質(zhì)量，還降低了加工時間、成本，同時也環(huán)保。它被稱為第三次商業(yè)浪潮的計劃，目前已應(yīng)用于實踐。該方案為模擬線切割用戶提供許多設(shè)計和分析的操作。本文提出的正交切削模型，同時考慮了模型的工藝參數(shù)及實驗相關(guān)結(jié)果。此外還討論建造了斜切割模型的高速硬車削。從報告可以得出該方法能用于工業(yè)生產(chǎn)。
關(guān)鍵字 加工 有限元方法 硬車削
1 導(dǎo)言
硬車削加工操作用于加工硬質(zhì)材料，如淬硬鋼。隨著對高品質(zhì)制造元件的需求越來越大，硬質(zhì)鋼成為現(xiàn)代金屬切削加工中使用最廣的材料之一，如齒輪、軸、軸承、模具類似零件的材料。制造切割工具是用專門的工具材料，如立方氮化硼亞硝酸鹽（立方氮化硼），這種材料能克服在加工過程中遇到的問題[1]。這些刀具可以在惡劣條件下對鐵基材料進行硬車削，即使在高溫下，它們也具有良好的性能，可以高速切割和干切削[2]；由于不使用切削液，這樣可以節(jié)省購買和處置切削液費用 ，從而降低了成本。干切削因為其加工過程的特點而具有環(huán)保性。此外經(jīng)證實高速硬車削大大地節(jié)省了生產(chǎn)時間。
硬車削作為一種先進的技術(shù)被廣泛的應(yīng)用，同時它也是一種不可替代的過程，因為逐步執(zhí)行硬車削可以用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)或是非傳統(tǒng)的整理業(yè)務(wù)繁瑣過程；如電火花加工（電火花），在硬加工部分，都等于或優(yōu)于傳統(tǒng)加工，它不僅能保證了精確度，而且具有良好的靈活性同時節(jié)省大量的時間，降低成本[4-7]。
但是現(xiàn)代工業(yè)所采用的硬車削的程度并沒有象我們認為的那么多，主要是由于以下的問題：快速刀具的磨損或破裂，加工時刀具產(chǎn)生的高壓和高溫會導(dǎo)致加工結(jié)果很差[8]。作為一種新型的加工方法，它需要進一步加以研究、優(yōu)化，而大多數(shù)研究工作卻僅限于實驗結(jié)果。不過這種新型的硬車削利用數(shù)值模擬能夠為工作進程提供有用的數(shù)據(jù)，從而更好地理解加工的過程。特別是有限元法（FEM），目前已廣泛應(yīng)用于對加工過程分析和加工過程切削性能的預(yù)測。有限元法是一種非常強大的工具切割分析技術(shù)的方法，它可以應(yīng)用于高速硬車削。
在本文中介紹的有限元法，是以模擬高速硬車削為例，考查切削速度在切削性能上的影響以及預(yù)測切割操作中關(guān)鍵的加工參數(shù)，其中一些數(shù)據(jù)有時很難測量或計算，對此我們要特別的重視。例如，溫度對工件加工過程的影響。硬車削是一個相當復(fù)雜的切削過程，切削條件與傳統(tǒng)的加工方法不同。為此出現(xiàn)了有限元法的第三次浪潮，它專門用于模擬切割操作，為模擬硬車削建立了正交和斜切割模型。
2有限元模型
在參考文獻[9-10]可以找到過去的三十年來，各種模擬使用有限元方法加工過程的報告。出現(xiàn)在20世紀70年代第一種型號利用歐拉公式模擬正交切割。通過這一辦法的有限元網(wǎng)格的空間固定和充滿其中的材料以模擬形成該模型的信息。這種模式減少計算時間，由于一些內(nèi)容需要為工件建模和分塊，它主要用于模擬穩(wěn)態(tài)條件下的切削過程。因為網(wǎng)格是一種清楚先驗所以圖形要素不會嚴重失真，但這一提法需要復(fù)雜的編程。此外必須在加工前得出實驗數(shù)據(jù)，并為該模型了確定存儲在芯片的幾何形狀。
但是這方法僅僅被一些研究人員所使用，現(xiàn)在已提出最新的拉格朗日方法得到了更廣泛的使用。此方法中，理論聯(lián)系切削工具材料，加工適合加工的工件。對于切屑的形成，刀刃切屑分離標準仍然是適用的。迄今為止提出了許多關(guān)于幾何尺寸或物理性能的標準，例如工具和刀具之間的一個臨界距離，當?shù)毒哌_到這一臨界距離工件上接近刀刃部分的材料就會分離這就是切屑的形成。其他有關(guān)分離的臨界值標準例如開始形成切屑的應(yīng)力或應(yīng)變標準，甚至提出了裂紋擴展標準。這種方法有一個缺點就是在仿真時要觀察大型網(wǎng)格的變形。由于網(wǎng)格是附著在工件材料上的而塑性變形發(fā)生在切削區(qū)所以網(wǎng)格會發(fā)生扭曲。為了克服這一缺點通常采用連續(xù)格和自適應(yīng)網(wǎng)格，這大大增加了計算時間。不過由于計算機的進步使減少所需的時間達到這樣的分析水平成為可能。注意所有的拉格朗日-歐拉公式（ALE）都是為了結(jié)合這兩種方法的優(yōu)點而提出的，但是它還沒有得到廣泛的應(yīng)用。
迄今提出的大部分模型都屬于正交切削的二維模型，而有關(guān)3D模型在文獻很罕見。這主要是因為盡管三維切割更接近實際，但是它需要更為復(fù)雜的工件、復(fù)雜的刀具幾何形狀和力學性能數(shù)據(jù)，還有更多的計算時間。特別是研究硬切削更加的困難。
下面提供發(fā)達國家應(yīng)用用第三次浪潮軟件的模式，該軟件適合加工仿真特殊功能的集成。它菜單的設(shè)計方案采用的方式能使用戶能夠最大限度地減少模型的準備時間。 此外還包括了常用的切割作業(yè)中工件和刀具材料了的數(shù)據(jù)庫，提供所有需要的數(shù)據(jù)進行有效的材料模型。代碼是明確的動態(tài)的可以執(zhí)行熱力耦合瞬態(tài)分析拉格朗日代碼。該計劃適用于為微元和工件結(jié)網(wǎng)自動重新網(wǎng)格化并給予準確的結(jié)果。為分析討論數(shù)值模擬所使用的技術(shù)方案和全面的職能介紹見參考[16]。
3 結(jié)果與討論
3.1正交切削模型
正交切削示意圖如圖 1 。垂直在平面的切削的厚度用數(shù)字表示，在平面應(yīng)變情況下，它被認為是比較大的進給厚度。
本次分析的工件材料是氫13熱變形磨具鋼，其長度是采取L = 3毫米。用材料是立方氮化硼的刀具來模擬刀具磨 圖1 正交切削模型原理圖
損，界面摩擦采用庫侖摩擦法，摩擦系數(shù)保持在設(shè)定值μ=0.5 。分析時切削刀具，采用-5°前角， 5°角后角和0.02毫米圓角。 此外，進給速度都采用F=0.05毫米/圈，切割速度考慮采用3種不同速度，即Vc=200 ， 250和300mm/分鐘。
圖2（a）切削前的網(wǎng)格（b）切削一半（L=1.5mm）時的網(wǎng)格
圖2（a）和（b）表述的是Vc=300mm/min情況下切削前和工件（L=1.5毫米的切削時間t = 3×0.00001S）切削一半時創(chuàng)建典型的網(wǎng)格，在圖表中也可以看到適應(yīng)網(wǎng)格程序數(shù)字的不斷演化。注意圖2（a）接近刀的尖稠密網(wǎng)格，其中已經(jīng)變形發(fā)生，而在圖2（b）該剪切帶創(chuàng)建了新的內(nèi)容，預(yù)計其中的應(yīng)變率很高。此外，還要注意，特別是在其內(nèi)、外表面網(wǎng)格稠密的切屑，因為變形的材料在這一領(lǐng)域，所以應(yīng)力也很高；此外，精密的網(wǎng)格可以更貼切的表示材料內(nèi)質(zhì)紋理，提供更準確的結(jié)果。
從有關(guān)文獻得到的實驗結(jié)果驗證了這種為了實現(xiàn)正交切削條件而采用的高速車削硬質(zhì)鋼（55HRC）的硬車削模型。圖3是實驗所得的進給力Ft和切削力Fc與模型預(yù)測值的比較，從這些數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，實驗和計算結(jié)果非常接近，一般來說，他們有同樣的趨勢；其中進給力對合力影響最大， 圖3 三種切削速度下不同切削力的經(jīng)驗值與理論值
隨著切削速度增加進給力會減小而切削力只是略有增加。不過，在大多數(shù)情況下，模擬數(shù)值總比實驗數(shù)值似乎要高，隨著切削的速度提高差距會更大，這可能是由于這一過程中發(fā)生了較大的應(yīng)變，這一應(yīng)變改變了材料性能，而他們采取的模式無法記錄或者是因為不正確的摩擦模型，這就意味著需要提出一個更先進的摩擦理論。
請注意，除了切削力和進給力可以從工程實際加工中測出以外，其它的數(shù)據(jù)如果不用模型模擬而從實際加工中測量，即使能測出來，也將是非常困難，甚至是不可能
圖4 工件、切屑、刀具的（a）溫度分布（b）應(yīng)力分布
的。比如：工件和刀具等的溫度溫頻帶的分布形式和切削過程中馮米塞斯力的分布。圖4（a）和（b）表示切削速度為Vc = 300m/min時溫度場和馮米塞斯力的分布。這些圖片表明該模型的一個分析步驟，特別是切削最穩(wěn)定的切削長度L= 1.5mm的時候。
從各種條件所得到的結(jié)果，形式上大體是類似的。從取得的成果，可得出的結(jié)論，提高切削速度最高切削溫度也會有所增加，如620℃ ，690℃和730℃對應(yīng)了三種不同的切割速度。這就解釋了低強材料的切削溫度較高，因為采用更高的切削速度可以減小進給力。由于材料的塑性變形和摩擦的原因，切屑與刀具的前刀面接近刀尖的接觸部分更容易處于紅熱狀態(tài)，遠離刀面部分的切屑溫度逐步降低。剪切帶中心的壓力幾乎恒定，而刀尖附近的壓力較低；這可能是由于這一區(qū)域的溫度升高使材料變軟。
所能承受的最高溫度和前刀面的溫度場的分布是刀具的重要參數(shù)，因為立方氮化硼刀具的磨損與高溫有關(guān)，高溫會減少刀具壽命。通過模型模擬得到的數(shù)值，以盡量減少不必要的影響，選擇合適的切削條件，以優(yōu)化切削過程。正交切削模型還可以，模擬毛刺的形成過程，使得工件的材料得到完全的利用；也可以對分析數(shù)據(jù)進 圖5 毛邊的形成和工件、切屑的塑性變形
行合理的擴大，從而使走刀路徑覆蓋工件。從圖5可以看出在切削速度Vc=300mm/min時工件毛刺形成及塑性應(yīng)變。
3.2斜切割模型
二維模型迄今更受歡迎的模型切割行動，因為它們是相對簡單，他們可以提供可允許范圍內(nèi)的精度。然而，正交加工只是一個理想的代表性切割，它認為變形的切屑在一個平面；在現(xiàn)實生活中，切削變形的轉(zhuǎn)折點發(fā)生在三個層面。迄今在文獻中提出的三維模型是不同于傳統(tǒng)的斜切割模型的方法[14 ，15]。然而，正是這種方法提出這方面的工作，因為已經(jīng)積累了很多類似的應(yīng)用的問題的經(jīng)驗，可以用有限元法充分處理三維建模的問題。此外，所有工件和刀具的參數(shù)，以及切割條件和前面模式中切削速度Vc= 300mm/min是相同的。不同的是刀具的刃傾角改為20度。
圖6高速硬車削的斜切削的溫度 圖7 高速硬車削的斜切削的后視圖
高速硬車削的斜切削模型，像在二維模型中一樣可提供很多有用的數(shù)據(jù)。如圖6所示工件的溫度場，還有切屑和刀具。在同一數(shù)字表格中相同位置，也可以看出刀具相對于工件的溫度場，這就解釋了切屑形式。圖7展現(xiàn)卷曲的切屑，我們從圖中能夠更好地觀察切屑，后方可以在同一時間看出工件加工的步驟。在這張圖中，刀具被忽略，這樣的為了可以更好的看到在切割位置的溫度。
請注意，描述這些模型比描述現(xiàn)有的二維模型需要更多內(nèi)容，計算時間大約是二維模型的10倍以上，而在普通的PC機上計算三維模型所需時間將超過100小時。盡管三維模型可以提供更多的信息也更加的直觀，正是由于這個缺點，使它沒有二維模型實用。
4 結(jié)論
總結(jié)上述報告，我們可以得出硬車削是一種新的加工方法，相比其他加工硬質(zhì)鋼方法具有很多優(yōu)點。特別是高速硬車削，更具有加工時間短和成本低的優(yōu)點。
有限元以前在模擬加工方面就得到了廣泛應(yīng)用。本文和商業(yè)有限元的第三次方案也使用了這種方法，我們借助這種專門的軟件，可以模擬出二維和三維正交斜切削的模型。
把正交切削模型模擬得出的切削力和進給力的結(jié)果，與相關(guān)文獻中得出的實驗結(jié)果進行了比較。假設(shè)其它結(jié)果可以預(yù)見如工件和刀具的溫度、壓力和應(yīng)變數(shù)據(jù)，因為這些數(shù)據(jù)將是非常難得到。后者的結(jié)果可用于切削過程的理論研究以及加工中出現(xiàn)的特定現(xiàn)象。例如刀具反過來會影響工件表面質(zhì)量，此外還可以模擬正交切削中毛刺的形成。
三維斜切割模型研究的問題是在三維空間，而不是在某一個想象的正交平面內(nèi)切屑的變形，因此這種方法更接近現(xiàn)實。斜切削模型有提供與二維模型同樣的數(shù)據(jù)的能力，但同時還會得到其它的信息。例如三維切屑的形成，不過這些模型比較復(fù)雜，需要以增加工作量和分析計算時間的方式增加更多的條件。
從以上的分析可以得盡管只進行了少量必要的試點工作，但產(chǎn)生可靠的結(jié)果說明這種方法在現(xiàn)實加工中是切實可行的，能實現(xiàn)生產(chǎn)目標的最優(yōu)化。
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