1 前言

　　金屬切削過程是一個非線性動力學系統(tǒng)。在金屬切削過程中存在著金屬的彈塑性變形，切屑形成過程涉及到材料非線性、幾何非線性、狀態(tài)非線性問題。采用有限元法模擬金屬切削過程在切削參數(shù)對加工過程的影響、切屑的形態(tài)以及切削過程刀具與工件的接觸等方面都起到一定的作用。計算機技術的發(fā)展推動了金屬切削加工模擬技術的進步,有限元法應用于加工過程的模擬，具有動態(tài)性、高度非線性等特點。這使切削過程中刀具—工件—切屑三者的局部動態(tài)變化更形象化、可視化，為分析金屬切削過程機理提供了有力的工具。切屑的分離準是切削有限元模型的關鍵問題之一。本文采用Johnson-cook 本構模型來實現(xiàn)金屬切削過程的仿真。

　　2 二維金屬切削有限元模型

　　2.1 幾何模型

　　在金屬切削機理的研究中，多采用二維正交切削模型，將金屬切削加工簡化為二維平面應變問題來研究切削過程中的力學特性。二維正交切削模型如圖1 所示。工件底部和側(cè)面下部固定約束，刀具約束Y 方向的自由度。

　　圖1 二維正交切削有限元模型

　　2.2 網(wǎng)格劃分

　　二維切削模型采用熱-位移耦合的模型，刀具和工件的網(wǎng)格劃分均采用縮減積分的四節(jié)點雙線性熱里耦合網(wǎng)格(CPER4RT)單元，如圖2。將工件中與刀具接觸部分的縱向采用非均勻的比例畫法加密網(wǎng)格，同時將刀具中刀尖區(qū)域網(wǎng)格網(wǎng)格細化，以避免刀具與切屑接觸產(chǎn)生切屑侵入刀體。

　　圖2 工件以及刀具的網(wǎng)格劃分

　　2.3 材料本構模型

　　Abaqus 提供了多中材料的模型，有限元分析過程中應根據(jù)分析問題考慮采用何種本構模型。本構模型的與否合理直接影響著分析結果的正確性和仿真的準確性。本文采用適用于金屬大變形的、描述材料高應變率下熱粘塑性問題的Johnson-cook 模型(J-C 模型)。模型中屈服應力計算如下：

　　計算式有三項組成：第一項描述了材料的應變強化效應，第二項反映了流動應力隨對數(shù)應變率增加的關系，第三項反映了流動應力隨溫度升高指數(shù)降低的關系。A為準靜態(tài)下的屈服強度，B，n為應變硬化參數(shù)，為等效塑性應變, 為等效塑性應變率，C為應變率強化參數(shù)，m為熱軟化參數(shù)，為非線性溫度，由材料熔點溫度與常溫之比。對于TC4 鈦合金取材料參數(shù)見表1：

　　表1 TC4 材料的Johnson-cook 本構模型參數(shù)

　　2.4 模擬結果

　　對TC4 材料進行加工模擬：工件尺寸6mm×1.2mm，切削厚度0.4mm，切削速度v= 300 m/min.采用Abaqus/Explicit顯式分析建立的二維切削模型，模擬加工后的效果見圖3 和圖4。圖3 給出了模擬后的應力分布圖，圖4 給出加工后的溫度分布圖。由圖3 可知，切削過程中剪切第一變形區(qū)應力最大;溫度的最大值也出現(xiàn)在刀尖前端的剪切區(qū)，最大值為616.5℃。

　　圖3 分析后的應力分布圖

　　圖4 分析后的溫度分布圖

　　圖5 給出了切削過程中的主切削力的值。由圖5 可以看出x 方向的切削力成周期性的波動，這與切削過程中產(chǎn)生的鋸齒節(jié)有關。切削力的平均值約為500N。

　　圖5 x 方向切削力

　　3 結論

　　(1)采用Abaqus/Explicit 顯式分析建立了二維金屬切削有限元模型。

　　(2)對TC4 鈦合金進行切削仿真，獲得了切削過程的應力、溫度的分布。

　　(3)仿真模型通過試驗驗證可對實際加工具有優(yōu)化的意義。