高速切削物理仿真技术及其应用

　　近年来，在金属切削领域，随着刀具材料和机床驱动技术的发展，一些与提高加工质量和降低加工成本密切相关的新切削技术，如干切削（Dry Cutting）、硬切削（Hard Cutting）和高速切削（High Speed Cutting，HSC）技术在实际生产中得到了越来越广泛的应用[1-4]。

　　干切削就是在切削过程中取消或减少切削液的使用；一方面可以降低加工成本（在传统湿切削中，与切削液使用相关的成本占总加工成本的11%～15%[2]），另一方面可以满足日益提高的环境保护要求，实现绿色切削；硬切削是用具有确定几何形状的刀具进行硬材料的精密加工，可以完全或部分取消后续的磨削加工，提高加工过程的柔性和效率；高速切削是相对于常规切削而言，用高得多的切削速度（一般为常规切削速度的5～10倍[4]）对工件进行切削加工。实际上，干切削、硬切削和高速切削并没有严格的界限，大部分干切削和对难加工材料的硬切削都是在高速情况下实现的。

　　高速切削由于具有很高的切削速度，可以极大地提高材料切除率，从而大幅度提高生产效率，因此也称为高效切削加工（High Productivity Machining，HPM）。众多研究表明，高速切削具有降低切削力、提高切削表面质量、减少传递给工件的切削热、避免颤振和积屑瘤的产生等优点，通过高速切削物理仿真技术可以节约大量刀具和工件材料消耗，更深入研究高速切削基理和工艺过程优化，发挥高速切削技术优势。因此，近年来在飞机、汽车和模具制造业以及在薄壁零件及精密零件加工领域得到了越来越广泛的应用[1,4-7]。

　　典型的高速铣削飞机结构件具有多筋薄壁的特点，通常采用“整体制造法”，即在整体坯料上“掏空”加工以形成构件，70％以上的金属需要被切除，采用高速切削可以大大减少产品的制造时间，降低加工成本。此外，较小的切削力可以减小薄壁零件以及小直径长悬臂刀具的变形，提高加工质量。

　　高速高效切削在难加工材料加工方面也具有很强的优势。近年来，以钛合金为代表的一些新型结构材料，由于具有密度小、比强度和比断裂韧性高、耐高温、耐腐蚀和抗疲劳破坏能力强等优良的综合性能，在航空航天、汽车、船舶、化工、能源等工业部门和医疗行业得到日益广泛的应用，特别是在航空领域，钛合金在飞机机体结构件和航空发动机重要零部件中的应用比例越来越高。例如，在1960年的幻影F4战斗机中，钛合金材料在重量上大约占9％，而在当今的F-22战斗机中则占到了39％[6]；B787客机和C-17军用运输机的钛合金用量也分别达到了15％和10.3％[7]。

　　钛合金属于典型的难加工材料，造成其切削加工性差的主要原因是钛合金的导热性差和化学亲和力大。钛合金导热系数低，仅是钢的1/4、铝的1/13、铜的1/25。由于切削区域散热和冷却效果差，因而在相同切削条件下，钛合金的切削温度很高（加工钛合金TC4时的切削温度比加工45号钢高出1倍以上），使刀具磨损剧烈，使用寿命下降。 

铝合金高速切削仿真的切削力和切削温度

　　钛合金化学活性高，在300℃以上高温时极易与刀具材料“亲和”，切削时刀具材料中的一些元素极易溶于钛中，或者与钛起化学作用，加剧刀具磨损，严重影响钛合金的加工效率。另外，钛合金弹性模量低，使已加工表面变形回弹大，易引起后刀面与已加工表面的强烈摩擦，造成刀具磨损和崩刃。

　　众多试验和有限元模拟研究表明，通过合理控制刀具材料、刀具几何参数、切削参数和冷却液等重要因素，可以实现钛合金的高切削，提高钛合金的切削加工性。目前适合钛合金高速切削的主要刀具材料有涂层硬质合金、聚晶金刚石和立方氮化硼[8-9]。

高速切削物理仿真及其关键技术

　　高速切削技术是一项提高加工效率和加工质量、降低加工成本、应用广泛的先进加工技术。但在实际生产中，高速切削的这种优势并没有得到充分发挥，原因有2个：

　　（1）目前国内外对高速切削机理的研究还没有取得令人满意的成果；

　　（2）缺少优化的工艺技术数据。

　　高速切削是一个非常复杂的材料变形和摩擦过程，在刀具的切削区域存在很高的压力和温度，切屑和表面形成机理以及刀具磨损基理非常复杂，采用既费时又费力的切削试验方法进行高速切削特征和工艺参数优化研究，不但消耗大量刀具和工件材料，也很难得到精确稳定的结果，于是高速切削的物理仿真技术应运而生。

　　通过切削过程仿真可以更好地了解高速切削过程的切屑形成机理，更深入地研究被切金属材料在剪切变形区的变形过程、刀具与切屑之间的相互作用以及切削热的传递过程，获取通过试验难以得到的高速切削特征数据；还可以方便快速地改变材料特性和切削工艺参数，预测高速切削性能，优化刀具材料、刀具几何参数和切削工艺参数。

　　近年来出现了一些专业切削有限元物理仿真软件，如AdvantEdgeFEM、Deform2D/3D等，该类软件基于材料的本构模型，可较为精确地仿真切削过程中的切削力、切削热、表面残余应力等物理特征，在国内外多家科研单位、刀具生产商和机械制造企业中有所应用。但该类软件仿真目前仍局限于二维或简单三维模型，无法直接实现复杂零件切削过程的仿真。此外，国内外部分研究人员使用通用有限元软件如ABAQUS、ANSYS、MARC等实现了简单切削模型的物理仿真，但切削区变形模拟不准确，仿真结果精度不高。例如，美国Third Wave Systems公司开发的AdvantEdge FEM切削仿真软件上模拟高速切削铝合金得到的切削力和切削温度。 nextpage

　　高速切削物理仿真的关键技术主要有以下方面：

　　（1）材料本构关系模型。

　　高速切削材料在变形区域具有很高的应变率（104～106s^-1或更高）和温度，高速的塑性变形产生大量的热量会引起切屑的软化，显然，传统的材料准静态本构模型已经不适用于高速切削过程的仿真，必须考虑温度、应变速率对材料特性的影响，较常用的是Johnson/Cook（JC）本构模型[1,4]。

　　（2）刀具/切屑之间的摩擦特性模型。

　　刀具与切屑之间的摩擦特性对切削力和切削温度的大小以及刀具磨损有重要影响。由于刀具/切屑之间的高压高温作用，传统的库仑（Coulomb）摩擦模型已不适于描述刀具与切屑之间的摩擦特性。Stick－Slip摩擦模型认为切屑/刀具之间的摩擦特性与切屑的流动速度有关，在粘滞阶段产生会较大的摩擦力。建立适应高速切削特点的材料本构模型和刀/屑摩擦模型是提高高速切削物理仿真精度的关键。基于直接高速切削试验的模型构建及其参数辨识是一条很有前途的技术途径。

　　（3）自适应网格划分技术。

　　在切削过程中，有限元模型的工件网格单元会产生极大的剪切扭曲变形，致使仿真过程无法继续进行或不能生成可靠的计算结果。因此，必须在仿真过程中进行自动的自适应网格重新划分。

　　（4）材料分离准则。

　　就是确定材料在什么条件下出现破坏。有限元仿真过程中的材料分离准则一般有2种[4]，一种是基于几何参数（如刀尖到网格节点的距离）的“几何”准则，另一种是基于物理参数（如应力，应变，能量的“物理”准则。

高速切削物理仿真技术的应用

　　实际生产中的零件结构复杂，采用专业切削物理仿真软件与通用有限元软件相结合的方法，可以很好地实现复杂零件和刀具的应力、变形和温度场分析以及切削工艺参数和刀具几何参数的优化。具体技术路线可利用专业软件对切削过程的高效高精度仿真机制，以及通用有限元软件的开放性，实现复杂零件切削过程的物理仿真和工艺参数优化。

1 复杂零件应力、温度场和变形分析

　　切削过程中，工件在切削力和切削热作用下会产生应力和变形，从而影响加工精度，特别是对于薄壁结构件的加工，进行工件的力热变形分析显得尤为重要。在零件加工工艺分析的基础上，提取零件关键部位的工艺参数（如切削用量，刀具几何参数，走刀路径等），在专业切削仿真软件中仿真计算切削力和切削温度，得到刀具与零件相互作用的基本状态，然后将切削力和切削温度数据分步加载到零件的三维实体模型上（这里需要建立零件加工时刻的临时三维模型），通过热力耦合仿真计算得到工件在切削力和切削热作用下的应力分布、变形趋势及相应的变形量。

　　通过工件的应力应变分析，可以判断零件加工过程中的变形量是否超差，变形后的零件已加工表面是否与刀具发生干涉刮擦，零件是否会由于切削时应力过大产生不可回弹的整体塑性变形，从而对切削参数、刀具路径等工艺做出合理性判断，并给出优化方向。

2 复杂刀具应力及失效分析

　　刀具在切削力和切削热作用下也会产生应力和变形，特别是应力过大将直接造成刀具的失效（崩刃、折断等）。将二维专业切削仿真得到的切削力、切削温度施加在三维刀具实体上，计算得到刀具应力最大点，即为刀具失效的危险点，并依据计算结果校核刀具安全系数。

　　考虑到切削过程的复杂性，如工艺系统振动引起的切削过程不平稳、刀具切入切出过程造成的冲击、材料材质变化造成的切削力增大、切削温度引起的热应力、刀具个体存在的原始微裂纹等，刀具应力应该具有足够大的安全系数。根据应力分布分析结果可进一步优化刀具的结构设计和工艺参数设计。

3 刀具几何参数优化

　　刀具几何参数是刀具设计中最重要的内容之一，将直接影响刀具的切削性能（切削力、切削温度），并进一步影响刀具磨损、刀具应力（强度）应变、工件应力应变、加工精度和表面质量以及工艺稳定性等。采用高速切削仿真技术，可以方便快速地研究刀具几何参数对切削性能的影响规律，并通过优化评价模型确定刀具几何参数的优化范围，从而减少试验样板刀具的数量，降低试验研究费用，提高刀具设计效率。

　　以锯片铣刀高速加工铝合金Al6061-T6时的刀具几何参数优化为例，通过切削仿真获取切削加工中的2个最主要物理参数（切削力和切削温度），并通过归一化综合评估模型[10]优化刀具的主要几何参数（前角、后角、刀尖圆弧半径等）。基本加工参数为：切削速度1256m/min，每齿进给量0.01mm，尖圆弧半径0.01mm。

　　从刀具前角对切削力、切削温度的影响规律及综合评价结果图中可以看出，随着刀具前角的增大，材料切削变形的阻力减小，使切削力变小，从减少切削力的角度考虑，应选择较大的刀具前角。但是刀具前角增大会使刀具的热容量变小，从而提高切削温度，从减少切削热的角度考虑，应选择较小的刀具前角。综合考虑切削力和切削温度的影响，刀具前角有较为明显的优化范围，前角在22°～26°间的综合评价值变化不大，均可采用。通过进一步的少量切削实验可以验证并确定优化的刀具几何参数。

4 切削工艺参数优化

　　切削工艺参数是影响加工质量和加工效率的重要参数。采用高速切削仿真技术，可以方便快速地预测不同切削参数组合下的加工性能，并进一步通过优化评价模型确定优化的切削参数范围，之后通过少量的切削实验确定最优的切削参数组合，从而降低实验研究费用，提高工艺参数设计效率和科学性，充分发挥高速切削优势。

　　下面是一个用锯片铣刀高速加工铝合金Al6061-T6时的切削工艺参数优化实例。采用正交试验设计方法设计切削参数组合，选择切削加工中的2个最主要的物理参数（切削力和切削温度）以及影响切削效率的主要因素进给速度做为评价输入条件，通过归一化综合评估模型优化主要工艺参数。

　　基本工艺参数为表中的第2组。从工艺参数优化评价结果看出，第6、7、16 组的工艺参数是较为优化的参数组合，可以对这些较优工艺参数组合进行切削试验研究，最终确定最优的工艺参数。

　　对于第3节和第4节给出的综合评价模型，在实际优化分析过程中可以增加更多的评价输入条件（如加工表面残余应力状态），并根据实际加工条件和优化目标调整权重系数，例如在工艺系统刚度较差时，切削力将对加工质量产生更重要的影响，可以适当增加切削力评价权重系数；在精加工要求很高表面质量（表面粗糙度，残余应力）时，切削温度的影响将更加重要，可以适当增加切削温度评价权重系数。

结论

　　（1）随着高速切削技术在航空、汽车、模具制造业的广泛应用，高速切削过程物理仿真技术已经成为开展高速切削基理研究和工艺优化分析、充分发挥高速切削优势的有效手段；

　　（2）将专业切削仿真软件与通用有限元分析软件相结合，是实现复杂零件切削过程物理仿真的有效技术方案。目前，提高高速切削物理仿真精度的关键是建立合理的材料本构模型和刀/屑摩擦模型；

　　（3）通过刀具的应力应变仿真分析，可以掌握刀具加工过程中的应力场、温度场分布，并通过优化切削参数和刀具参数，来减少破损和折断等失效的概率；通过零件的应力应变仿真分析，可以掌握零件加工过程中的应力场、温度场分布，并通过优化切削参数和加工路径减少零件（特别是薄板零件）变形，来提高加工精度；

　　（4）基于高速切削物理仿真，可以确定刀具几何参数的优化范围，减少试验样板刀具的数量，降低试验研究费用，提高刀具设计效率；可以预测不同切削参数组合下的切削力、切削温度等特征，并进一步确定优化的切削参数范围；此后，可以通过少量的切削试验确定最优的切削参数组合，从而降低试验研究费用，提高工艺参数设计的效率和科学性。