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1 前言 金属机加工艺是通过机械加工去除多余材料的加工工艺。通过铣床、车床、钻床等机械设备人工或数控的方式生产金属产品，较铸造、锻造等工艺具有尺寸精度高、表面光洁度好等特点。传统的机加工方式可通过现场调试完全能够满足生产的需求，但随着产品越来越复杂，更高精度、高效生产要求的提高，数值模拟分析在机加工中的应用逐渐增加，需要专业的工艺仿真软件帮助工艺人员设计新型刀具、确定加工产品的最优工艺参数，以及优化夹持位置和加工顺序。 机加工过程主要是金属的切削过程，特点是刀具或工件高速运动，工件材料在刀具的作用下发生断裂，形成切削屑，同时在压力作用下的高速运动，被切削部分及刀尖温度急剧上升，甚至对表面造成灼伤，因此，金属切削过程的模拟是高应变速率下的热-变形耦合模拟。同时由于被切削部位断裂行为不断发生，网格需要一直重划分，为了能够快速完成模拟，需要软件能够自动实现高质量网格重划分功能。另一方面，需要模拟的工艺往往是高精度的切削工艺，确定工艺参数对变形的影响要降到最低甚至消除，对模拟结果的精度要求也很高。DEFORM工艺仿真软件使用有限元法完美的解决了用户的所有需求，采用更先进更全面的算法，能够快捷完成切削模拟的前处理工作，高精度模拟计算整个加工过程。 2 DEFORM机加模块功能 DEFORM machining模块是专业面向机加工工艺模拟仿真开发的向导式模块，不仅融入了DEFORM在金属变形-热-组织耦合模拟方面的算法优势，并结合机加工工艺设计特点，将前处理设置过程与实际工艺参数设计过程对应，工艺人员无需学习抽象的有限元理论和软件通用操作方法，快速实现切削过程仿真。
图1 机加工包含的向导式模块 DEFORM machining 机加工模拟时采用四面体实体单元网格，模拟计算得到机加工过程及加工后相关变量的分布，DEFORM machining机加工模拟包含多个子模块，可进行2D和3D模拟，另外还根据模拟目的还分为Cutting切削和Machining Distortion机加扭曲变形模拟两种向导式模块，Cutting切削模块是模拟刀具切削金属的过程，面向典型工艺开发，在DEFORM v11以上版本做了全新改版，更易使用。Cutting[2D]是模拟切削刃垂直于切削方向的正交切削，此类问题可简化为二维模拟，相对于同类问题的三维模拟计算效率更高。Cutting[3D]主要是针对车、铣、镗、钻四种典型切削工艺过程开发的向导式设置，更加复杂的机加工过程模型也可通过2D或3D基本模块实现过程模拟。对于切削模拟，DEFORM软件具有以下优势：
纯windows风格界面，全新的设置界面更符合工艺参数设计过程，更受用户喜爱； 设置过程简单清晰。设置顺序为切削工艺参数、刀具、工件、模拟控制参数； 具有丰富的典型刀具几何模型库，可直接参数化生成常用刀具几何； 几何模型自动定位功能，系统自动对齐刀具与工件的相对位置； 网格划分及重划分全自动生成，包括刀具刀尖和工件正在切削部位自动细化，涂层网格自动创建，系统自动根据切削量等几何特征推荐最优网格划分参数； 丰富的材料库，包含了各类常见的刀具基体材料、涂层材料、高应变速率范围类的工件金属材料等； 十余种韧性断裂准则可供选择，也可用户自定义，更加真实反映切削过程中的切削力以及刀具受力分析； 采用USUI磨损准则，考虑了刀具应力、相对滑动速度、温度的变化的影响，精确计算刀具磨损及寿命情况； 后处理功能丰富，不但有各种场变量分布，如剪切角、切削力、损伤、温度、应力、磨损等等各类变量，还可多窗口显示不同参数的模拟结果、感兴趣区域、自动报告生成等功能。
另外，DEFORM具有强大的微观组织分析功能，可将变形-热-微观组织三方面耦合模拟，计算切削过程中工件表面温度急剧升高的同时，得到相组织或晶粒尺寸的变化。例如铣削钢件过程，当刀具转速过快，表面温度达到850℃以上时，组织向奥氏体转变，如果后续冷却水喷淋，又会形成水淬产生马氏体等其它组织。 Machining Distortion机加扭曲变形模块是DEFORMv11版本以后推出的一个全新的模块，模拟具有残余应力的工件经过机加工工序后产生的变形。主要过程是被夹持的工件按顺序去除多余材料，再撤除夹具后工件的回弹以及残余应力在加工过程中的释放。 模拟机加工扭曲变形，用户首先需要DEFORM软件模拟一个带有残余应力结果的工件，一般来自于弹塑性模型的锻造或热处理模拟结果，模拟设置过程需要详细的夹具夹持位置，机加工去除多余材料的切削顺序，适用于复杂工件的整体加工过程模拟，帮助降低残余应力在机加工过程中对变形的影响。 3 DEFORM机加工艺模拟应用 机加工数值模拟目前应用较多的主要在刀具设计和高精密加工领域。新型刀具的尺寸设计、涂层添加、以及刀具使用过程的最优工艺参数范围等等，如果需要通过大量实验获得数据，不但设计周期长，试验成本高，而且难以得到详细的数据帮助设计人员分析评价结果。另一方面高精密加工要求表面光洁度更好，尺寸精度更高，对工艺参数的调试带来了很大挑战，如何设计夹具、快速选择刀具、确定最佳加工参数，都需要大量的现场的调试。而引进数值模拟的手段，可以在前期工艺设计阶段完成分析，对现场工艺调试提供指导依据。 3.1 DEFORM刀具设计工艺应用案例 某刀具公司设计了一款精铣刀具，刀面的径向夹角的确定时，有7°和9°两种选择，目的是在加工过程成，产生的切削屑不会太长，避免对工件造成划伤，因此需要对这两种方案通过DEFORM数值模拟，得到最佳的设计参数。
图2 刀具实际图片与模拟模型 如果采用标准的的刀具模型，刀面与径向夹角为0，通过模拟计算得到的结果如图3所示，产生了较长的切削屑。当角度改为7°时图4，切削屑发生弯曲，长度只有标准刀具的一半。当角度改为9°时见图4，切削屑长度最短，最符合理想工艺的要求，从而获得了最佳的刀具尺寸参数。另外，还可以通过切削屑的形状和损伤值分布，判断加工后的表面质量，帮助工艺人员优化得到表面光洁度最好的工艺参数。
图3 标准刀具
图4 刀面径向7°夹角
图5 刀面径向9°夹角 同时经过模拟分析，还得到了9°夹角的刀具加工时，如果切削量增加，工件与刀具表面温度值变化规律，温度值与试验数据对比见图7，结果完全一致，控制切削量可有效防止工件表面灼伤。 图6 工件与刀具切削过程中的温度分布
图7 不同切削量产生的温度值模拟与试验对比
3.2 DEFORM加工工序及夹具优化 某齿轮加工公司的某一产品经过锻造、正火热处理工序后，工件仍然具有较大残余应力，经过机加工序后，残余应力会部分释放，分布也会发生变化，导致工件发生翘曲变形，而最终的产品需要降低残余应力，提高产品使用强度和寿命。因此，机加工的切削顺序以及夹具的夹持位置都是需要研究的对象。图8显示了第一道工序去除相应的多余材料以及夹具夹持的位置，通过DEFORM软件的Machining Distortion模块计算得到了卸载前后工件的残余应力变化及翘曲变形。
图8 加工示意图
图9 机加工前的残余应力分布
图10 加工后残余应力分布
图11 卸载后残余应力分布
图12 卸载后工件的变形 从上面这个模型可以看出，机加工之前如果工件具有较大的残余应力，在确定加工路径和顺序和夹具卡装时，应该予以考虑并优化，尽量降低残余应力对最终产品尺寸的影响。 4 结论 通过以上DEFORM在机加工模拟方面的功能和应用价值的展示，可以得到以下结论：
DEFORM完美解决了金属的切削过程模拟，可准确预测切削过程中的刀具和工件的损伤、应力、应变、温度、磨损等等机加工关心的变量分布和结果，帮助用户选取刀具、涂层，以及最佳工艺参数； Machining Distortion模块可帮助工艺人员模拟计算复杂零部件在残余应力作用下加工过后的变形，帮助优化夹具和加工路径； DEFORM机加工模块无论是在刀具设计企业还是机加工生产企业，都能够提高工程师的设计效率，节省试验成本，显著提高企业市场竞争力。
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发表于 2017-9-11 10:10:02
