1 引言
金屬切削加工在21 世紀依然是機械制造業的主要加工方法。它在保證高效率和低成本的基礎上，通過刀具和工件的相互作用，去除工件表面的多余材料，來獲得所需工件形狀、加工精度和表面質量要求。長期以來，許多專家學者對切削力的預報等作了大量的理論研究工作，期望從理論上獲得切削力的計算公式，但由于影響切削力的實際因素眾多，切削的過程十分復雜，給建立切削力的理論模型帶來很大的困難; 利用正交試驗獲得切削力的試驗數據，通過回歸分析得出經驗公式是生產中比較常用的方法，但當加工條件有較大變化時，利用經驗公式計算得到的結果會與實際相差很大，通用性不強。
隨著現代航空航天、機械、電子等各領域對精密儀器的更高要求，傳統的理論和實驗方法，很難對切削機理、切削加工和切屑形成進行定量分析和研究，根本無法達到精密、超精密切削的質量和效率要求。隨著計算機技術的飛速發展，數值模擬與仿真技術應運而生，其中，利用有限元法仿真切削加工可以獲得切削試驗無法或難以直接測量的狀態變量，而且可以更好地理解精加工的切削加工機理，評價分析切削加工過程。因此，對金屬切削加工的有限元仿真技術的研究具有很重要的現實意義。
2 切削過程有限元仿真技術國內外研究現狀
1940 年，Merchant、Piispanen 和Lee and Shaffer最早進行金屬切削機理研究，且最早提出了切削角分析模型，應用此模型來分析切屑在生成過程中的角度與刀具前角的關系。直到20 世紀70 年代，有限元法才最早被應用于切削工藝的仿真，與其他傳統方法相比大大提高了切削加工過程分析的精度。
1973 年，美國伊利諾伊大學的B． E． Klamecki［2］最先系統地介紹了金屬切削加工中切屑形成的原因，并用三維有限元模型分析了切屑初始階段的形成原理。1978 年Usui［3］等用能量方法建立了一個模型，在該模型中考慮了三維幾何條件在加工過程中的影響。1980 年，美國州立大學的M． Ｒ． Lajczok［4］利用有限元方法研究了切削加工中的主要問題，對切削工藝進行了初步分析。1981 年，Usui、Maekawa 和Shirakashi［5］等學者利用有限元法建立刀刃切削連續產生切屑的模型。1982 年，Usui 和Shirakashi［6］首次提出剪切角、切削幾何形狀和材料流線，并將其加入建立了穩態的正交切削模型。1984 年，K． Iwata［7］等將材料假設為剛塑性材料，利用剛－ 塑性有限元方法分析了在低切削速度、低應變速率下的穩態正交切削。但是，他們都沒有考慮彈性變形，所以沒有計算出殘余應力。1985 年，Strenkowski 和Carroll［8］將工件材料假設為彈塑性體，切屑與工件絕熱，建立了一個較新的有限元模型，模擬了從切削開始到切屑穩定成形的過程，以等效塑性應變作為切屑的分離準則，加工表面的應力分布受到所選擇等效塑性應變值的影響。1990 年，Stren － kowski 和Moon［9］利用Eluerian 有限元模型研究正交切削，忽略彈性變形，模擬了切屑形狀，預測了工件、刀具以及切屑中的溫度分布。Usui［10］等人首次將低碳鋼流動應力假設為應變、應變速率和溫度的函數，利用有限元方法模擬了連續切削中產生的切屑瘤，而且在刀具和切屑接觸面上采用庫侖摩擦模型，利用正應力、摩擦應力和摩擦系數之間的關系模擬了切削工藝。Hasshemi［11］等用彈塑性材料的本構關系和臨界等效塑性應變準則模擬了切屑的連續和不連續成形現象。1991 年，Komvopoulos和Erpenbeck［12］建立了有限元正交切削的切屑形成模型，假設刀具材料為完全塑性體，并且利用預設的刀具凹陷磨耗尺寸來分析工件材料的塑性流動、切屑－ 刀具界面摩擦和刀具磨耗等特性對切削過程的影響，研究了鋼質材料正交切削中刀具側面磨損、積屑瘤及工件中的殘余應力等。Naoyo Ikawa［13］利用精密切削機床，采用10 － 9m 左右的切深，在試驗中測量了紅銅材料切屑形成和切深之間的相互影響作用。1993 年，Toshimichi Moriwaki［14］等人用剛塑性有限元模型模擬了上述試驗，*_墟__]*_即紅銅材料切屑形成，他們還模擬了切削深度在毫米到納米范圍內紅銅材料正交切削過程中的溫度場。1994 年，Zhang 和Bagchi［15］建立的正交有限元模型是利用兩節點間的連接單元來模擬切削的分離，并以刀具的幾何位置條件作為切屑分離的準則。當刀具進行切削時，這些連接的單元會依次分離從而形成切屑和工件的加工表面。1995 年，Shih［16］建立了一個二維應變有限元模型，模擬了正交切削連續切削過程。其中引入了不平衡力的遞減方法來改善切屑形成時單元分離過程中的穩定性。并建立了粘－ 滑動摩擦模型，用來解決切削－ 刀具接觸面的摩擦問題。1996 年，Huang 和Black［17］建立的二維正交切削有限元模型。在穩態切削下，不同的切屑分離準則并不會影響切屑的幾何形狀、應力和應變的分布; 而分離準則值的大小對切屑的幾何形狀和應力影響不大，但是會影響切屑分離的過程、加工表面的應力分布、切屑和加工表面的等效塑性應變分布。1998 － 1999 年，Kjell Simonsson，M． S． Gdala，Lars Olovsson［18］，M．Movahhedy，Y． Altintas［19］，Larsgunnar Nilsson 使用ALE 法研究了正交切削過程; T． Altan 與E． Ceretti［20 － 23］相互合作利用二維和三維的有限元分析法大量的有限元模擬研究，得出了在進行直角和斜角切削時應力和溫度場的分布情況; LiangchiZhang［24］，J． M． Huang 和J． T． Black［25］深入研究了正交切削工藝的有限元分析時切屑的分離準則，對各種分離準則都做了考察。
21 世紀以來，隨著計算機等技術的進一步發展，研究人員對于金屬切削過程有限元仿真的研究依舊繼續，國內專家學者也開始了這方面的研究。Lin Zone － Ching ［26］等臺灣科技大學的學者進行了超精密的NiP 合金正交切削研究，分析了切削速度和切削厚度對殘余應力的影響，在模擬前對單向拉伸試驗的數據回歸分析，得到材料流動的應力公式，并且考慮到熱力耦合效應，建立熱彈塑性有限元模型。2001 年，X． P． Yang，C． Ｒichard liu 建立了切削加工中摩擦力隨壓力變化的有限元模型，研究它對殘余應力的影響。2002 年，P． J． Arrazola，F． Meslin，C． Ｒ． Liu，Y． B． Guo ［27 － 28］等人對三維金屬切削過程的模擬進行了深入研究，建立了切削仿真的二維和三維切削模型。他們采用了網格自適應重劃算法( adaptive remeshing algorithm) 解決刀屑接觸區局部單元所產生的大變形問題，得出切削過程工件和刀具的溫度場、Von － Mises 應力分布等，模擬了切屑的形成過程。2003 年，宋金玲［29］采用三角單元劃分網格，使用Von － Mises 屈服準則和Prnadil －ＲuesS 材料流動定律，分析切屑的彈塑性變形和受力情況，建立了金屬切削過程中形成連續穩定切屑的二維模型。2004 年，鄧文君［30］等人建立了高強度耐磨鋁青銅的正交切削二維模型，采用熱力耦合方法，形成的是連續切屑。利用有限元分析軟件MAＲC 的網格重復技術，對刀具開始切削至切削溫度達到一個穩定狀態的切削過程進行了有限元仿真，分析了在不同的切削速度和切削深度下應力、應變、溫度、應變速率以及切屑形狀。2005 年，閆洪等［31］對H13 淬硬模具鋼精密切削工藝參數對刀具性能和切削質量的影響做了研究。2006 年，盧樹斌［32］采用DEFOＲM 軟件建立了二維和三維金屬切削模型，研究了金屬高速切削機理，模擬了高速切削下切屑的形成過程，并對刀具的磨損狀況進行了預測。2007 年，劉勝永［33］等討論了二維切削中摩擦系數對切屑變形、切削溫度等的影響。Dr． Maan AabidTawfig 和Suhakareem Shahab［34］用有限元法分析正交切削中不同的刀具幾何邊界。2008 年，張磊光等［35］建立了金屬切削三維熱力耦合剛粘塑性有限元模型，通過采用不同的刀－ 屑摩擦系數對三維金屬切削過程進行模擬，分析了摩擦狀況對切屑變形、剪切角、主切削力、切削溫度和刀具磨損的影響，并討論了模擬參數中摩擦系數的選取問題。2012 年，鐘小宏［36］等建立了整體硬質合金銑刀銑削薄壁件的有限元模型，分析了工件銑削加工后殘余應力，并對薄壁件加工變形進行了預測。
3 有限元軟件選擇與仿真實現
目前，諸如DEFOＲM、ABAQUS 及AdvantEdge等商業有限元軟件為實現大型項目的有限元分析、計算提供了良好的前后處理和求解環境。各個有限元軟件在建模、材料模型及自適應網格能力等方面具有各自的特點和優勢。因此為了有效地模擬切削加工，要綜合分析問題的難易度和仿真結果的特定需要等諸方面的因素，選擇合適的有限元分析軟件。
3． 1 DEFOＲM 軟件
DEFOＲM 軟件系列是SFTC 公司的產品，采用有限元法對金屬成形和加工過程進行模擬分析，在2D 和3D 的模擬成形和加工過程中都應用相似的程序。DEFOＲM 采用了成熟的數學理論和分析模型，并在許多方面得到了可靠的應用效果，但仍需要進一步完善。許多通過試驗不易獲得的信息，借助DEFOＲM 軟件可以實現。例如，在材料的大變形中，要得到加工過程中切屑形成或模具變形的分析結果是很困難的，采用FEM 仿真正是解決這些問題的途徑。DEFOＲM 集成仿真系統能夠模擬從原材料的成形、熱處理、加工到產品組裝的整個過程。程序在Windows XP /2000 或UNIX 界面下均可運行，其直觀的圖形用戶界面為軟件的使用和培訓都提供了極大便利。
唐進元等基于DEFOＲM － 3D 軟件建立金屬鋸切有限元模型，仿真得到平均鋸切力值，為鋸切機理的研究提供了參考; 劉利江基于DEFOＲM － 3D 軟件模擬淺孔鉆加工45 鋼的過程，從而得到鉆削過程中的切削力、扭矩、切削溫度及刀具磨損，并對優化前、后兩種淺孔鉆的切削力、切削溫度和刀具磨損等進行對比與分析; 蔣鈺鋼基于DEFOＲM － 2D 建立了二維切削模型并模擬了切屑的形成過程，通過仿真與理論對比研究，獲得切削力、切削溫度、刀具磨損量隨切削參數的變化規律。并基于DEFOＲM － 3D中，采用自定義材料的Johnson － cook 模型，利用Nomalized C ＆ L 斷裂準則，模擬了切屑的產生過程及銑削加工過程，為優化銑削參數的確定提供依據。
3． 2 ABAQUS 軟件
ABAQUS 是一套功能強大的通用性有限元軟件，由達索SIMULIA 公司進行開發維護，包含主求解器模塊ABAQUS /Standard 和ABAQUS /Explicit 及一個人機交互前后處理模塊ABAQUS /CAE。其解決問題的范圍從相對簡單的線性分析到許多復雜的非線性問題。ABAQUS 包括一個豐富的、可模擬任意幾何形狀的單元庫，并擁有各種類型的材料模型庫，可以模擬典型工程材料的性能，其中包括金屬、橡膠、高分子材料、復合材料、鋼筋混凝土、可壓縮超彈性泡沫材料以及土壤和巖石等地質材料。作為通用的模擬工具，ABAQUS 除了能解決大量結構( 應力/ 位移) 問題，還可以模擬其他工程領域的許多問題，例如熱傳導、質量擴散、熱電耦合分析、振動與聲學分析、巖土力學分析( 流體滲透/ 應力耦合分析) 及壓電介質分析。ABAQUS 為用戶提供了廣泛的功能，且使用起來又非常簡單。大量的復雜問題可以通過選項塊的不同組合很容易的模擬出來。
夏天基于ABAQUS 對材料模型、摩擦模型及切屑分離準則等關鍵問題的處理，對鋁合金A6061 進行二維切削有限元模擬，并對三維切削模擬進行了研究; 李緩緩基于ABAQUS 軟件仿真刀具的受力，分析了銑刀的變形及應力分布; 馮吉路等基于ABAQUS /Explicit 建立了鈦合金正交切削有限元模型，并運用建立的有限元模型對鋸齒形切屑形成過程中切削力和切屑形態進行仿真分析; 成宏軍等基于ABAQUS 軟件． 通過有限元分析方法對項尖式葉片數控加工夾具的結構進行了優化設計; 芮執元等利用有限元分析軟件ABAQUS 的Johnson － Cook 材料模型及Johnson － Cook 斷裂準則，對鈦合金高速切削切削力進行了仿真研究，分析鈦合金高速切削加工過程中各切削參數( 包括進給量、切削深度和切削速度) 對切削力的影響。
3． 3 AdvantEdge FEM 軟件
AdvantEdge FEM 軟件由成立于1993 年的美國Third Wave Systems 公司開發，主要用于對切削加工過程進行模擬。AdvantEdge FEM 可以分析的工藝:車削、銑削( 含插銑、玉米銑) 、鉆孔、攻絲、鏜孔、環槽、鋸削、拉削; 進給在10 納米以上1 微米以下的微切削目前只支持2D 車削仿真。軟件材料庫有130多種工件材料( 鋁合金、不銹鋼、鋼、鎳合金、鈦合金及鑄鐵) ; 刀具材料庫Carbide 系列、立方碳化硼、金剛石、陶瓷及高速剛系列; 涂層材料有TiN、TiC、Al203、TiAlN; 支持用戶自定義材料及自定義本購方程。豐富的后處理功能，用曲線、云圖及動畫顯示仿真結果，可以得到切削力、溫度、應力、應變率及加工功率等結果。
劉敏等利用AdvantEdge FEM 對硬質合金三維復雜槽型重車削刀片進行模擬仿真分析，對于刀具開發過程中的設計方案優化有一定的參考價值; 丁杰雄等對AdvantEdge FEM 軟件進行二次開發，輸入材料本構方程和刀－ 屑摩擦系數，研究切屑厚度、剪切角、應變、應變率等切削過程典型特征隨切削參數的變化規律; 武文革等利用AdvantEdge 對Ti － 6Al－ 4V 的切削加工過程進行模擬。并根據仿真結果分析了刀具、切屑及工件的溫度場分布，刀－ 屑接觸區和工件已加工表面切削溫度隨切削速度的變化規律，以及三向切削力隨切削長度和切削速度的變化規律，為深入研究切削機理提供了有益的參考，為優選和優化高速銑削Ti6A14V 鈦合金提供參數依據;趙云峰等利用AdvantEdge 對鋁合金A12024 銑削加工過程進行了仿真研究，分析了銑削力變化和切削溫度分布情況，將仿真分析結果用于銑削加工參數及刀具壽命的優化。
4 切削過程有限元仿真技術的發展趨勢
(1) 從切削加工工藝上說，三維模擬將是未來發展的方向。工件和刀刃具有三維的幾何特征，工件材料和刀具的相對移動不會恰巧正交。有些工藝，如斜刃切削的模擬是不能用二維模型來實現的，必須建立三維模型。所以為了深入準確的揭示切削機理，三維模擬將會在以后得到繼續深入研究與發展。
(2) 切削加工實質是切屑和工件不斷的分離過程，但是目前關于切削斷裂和分離的準則各有不足。為使模擬和實際更接近，還必須對斷裂和分離準則進一步研究。
(3) 目前為止，文獻中報道的切削工藝有限元仿真大多是工件約束、刀具進給，而實際的車削和鉆削等工件或刀具是回轉運動的，特別在高速切削過程中，工件的轉動是不可忽略的，現階段這方面的研究還很匱乏。
(4) 在切削加工中，冷卻液一般是必不可少的，當前的切削仿真還沒有模擬切削過程中冷卻液對加工成形及表面質量的影響。各種有限元軟件的模擬和仿真分析一定程度上依賴于建模軟件，如果加強與其他建模軟件尤其是CAD 通用軟件的集成，可以極大地提高分析效率。
如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
