1 概述

超精密加工，在精度等級(jí)上代表了發(fā)展的zui高階段。通常，按加工精度等級(jí)，可將機(jī)械加工分為普通加工、精密加工、超精密加工三個(gè)不同階段。隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，劃分的界限也逐漸向前推移。就加工精度等級(jí)而言，當(dāng)前普遍認(rèn)為：精密加工的精度為1-0.1mμ、表面粗糙度為Ra 0.1-0.025mμ；超精密加工的精度高于0.1mμ、表面粗糙度Ra小于0.025mμ。精密和超精密加工主要包括下列三種不同的工藝技術(shù)：（1）超精密切削加工；（2）精密和超精密磨削和研磨；（3）精密特種加工，如電子束、離子束加工技術(shù)等。單點(diǎn)金剛石車削（SPDT）加工技術(shù)（圖1）是超精密加工中常用的技術(shù)。由于金剛石的硬度高、耐磨性強(qiáng)、導(dǎo)熱性*，金剛石刀具的刃口可以非常鋒利（刃口半徑可以小于0.05mμ甚至更?。?，而且金剛石與有色金屬的親和力小。對(duì)于銅、鋁等有色金屬以及塑料可以采用單點(diǎn)金剛石車削的方法，進(jìn)行數(shù)控加工，直接得到超精密的光學(xué)表面。

圖1 金剛石刀具與單點(diǎn)金剛石車削設(shè)備

有限單元法作為一種計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)與求解方法，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)的方法減少了物理實(shí)驗(yàn)的成本，加速了實(shí)驗(yàn)的過(guò)程。近年來(lái)，有限元仿真方法也被廣泛的應(yīng)用于加工過(guò)程的仿真中，作為一種預(yù)測(cè)切削力與工件表面質(zhì)量的工具。本文主要介紹使用MSC.Marc進(jìn)行單點(diǎn)金剛石車削原理的仿真方法。

2 超精密單點(diǎn)金剛石車削原理

理想狀態(tài)下，采用圓弧刃單點(diǎn)金剛石刀具進(jìn)行超精密撤銷加工時(shí)，在工件加工表面形成輪廓峰和輪廓谷，它們之間的距離，就是所謂的理論殘留高度或者理論粗糙度（如圖2a）。

圖2 單點(diǎn)金剛石切削原理示意圖

在實(shí)際超精密切削塑性金屬時(shí)，主切削刃和前刀面的主要任務(wù)是去除金屬，切削層在前刀面的擠壓作用下發(fā)生剪切滑移和塑性變形，然后形成切屑沿前刀面流出（如圖2b）。前刀面的形狀直接影響塑性變形的程度、切屑的卷曲形式和切屑刀具之間的摩擦特性，并直接對(duì)切削力、切削溫度、切屑的折斷方式和加工表面質(zhì)量形成顯著影響。主切削刃是前刀面和后刀面的交線。實(shí)際上前刀面和后刀面的交線不可能為理想直線，而是一微觀交接的曲線。該曲線的形狀可以近似用與其在不同位置的法平面相交成交線的平均曲率半徑來(lái)反映，稱其為刃口半徑ρ。切削時(shí)刃前區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)十分復(fù)雜，應(yīng)力集中造成金屬中位錯(cuò)集中，導(dǎo)致金屬產(chǎn)生塑性變形和滑移分離，一部分金屬成為切屑沿前刀面流出，另一部分金屬經(jīng)后刀面熨壓留在已加工表面。因?yàn)閮刹糠纸饘龠\(yùn)動(dòng)方向不同，必然使刀具刃口前金屬呈拉伸狀態(tài)，拉應(yīng)力使刃前區(qū)金屬的抗剪能力下降，在刀刃的直接作用下，金屬產(chǎn)生滑移分離。刃口半徑越小，應(yīng)力越集中，變形越容易，切削力越小，加工表面質(zhì)量越好。另外，切削層金屬被通過(guò)分流點(diǎn)O且平行于已加工表面的分流線分為兩部分，分流線以上的材料沿前刀面流出，分流線以下的塑性變形層被O點(diǎn)以下的刀刃熨壓后成為已加工表面。經(jīng)過(guò)熨壓以后，刀刃下方的材料產(chǎn)生嚴(yán)重的壓縮變形，對(duì)已加工表面質(zhì)量產(chǎn)生直接的影響。

3 切削過(guò)程的有限元仿真

3.1 有限元仿真平臺(tái)的選擇

有限元仿真的大型的通用商業(yè)軟件有NASTRAN、ASKA、SAP、ANSYS、MARC、ABAQUS、JIFEX等，這些軟件包含了眾多的單元形式、材料模型及分析能力，并具有網(wǎng)格自動(dòng)劃分、結(jié)果分析和顯示等前后處理功能[2]。切削過(guò)程的有限元仿真屬于非線性問(wèn)題，材料將發(fā)生大變形，需要仿真平臺(tái)需要具有網(wǎng)格自適應(yīng)重劃分功能。MSC.Marc的全局網(wǎng)格重劃分功能為此需求提供了必要的支持，而且MSC.Marc具有強(qiáng)大的求解非線性問(wèn)題的能力，也為用戶提供了豐富的用戶子程序接口，使得用戶可以通過(guò)Fortran程序進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，自定義復(fù)雜的材料模型。相比較以往采用ABAQUS、Deform2D、Thirdwave AdvantEdge等軟件進(jìn)行的有限元仿真模型，MSC.Marc為用戶提供了更強(qiáng)大而且更簡(jiǎn)便的解決方案。

3.2 切削模型的建立

切削過(guò)程的有限元仿真的關(guān)鍵問(wèn)題之一是對(duì)切削產(chǎn)生的原理進(jìn)行建模仿真。舊有的建模方法要在切屑與工件之間預(yù)先設(shè)定分離準(zhǔn)則（包括幾何分離準(zhǔn)則和物力分離準(zhǔn)則），即當(dāng)變形達(dá)到某一預(yù)設(shè)條件或某一物理量（如應(yīng)力、等效塑性應(yīng)變、或應(yīng)變能密度等）達(dá)到預(yù)定值的時(shí)候，切屑將從預(yù)設(shè)的位置進(jìn)行斷開(kāi)。

由于MSC.Marc提供了強(qiáng)大的二維、三維的全局網(wǎng)格重劃分功能，切削模型將不依賴于分離準(zhǔn)則，這也使得切削模型更能描述實(shí)際的加工過(guò)程。此外，MSC.Marc具有強(qiáng)大的接觸模擬功能，這也使得利用MSC.Marc建模時(shí)在定義刀具與工件接觸的問(wèn)題上較之ABAQUS等其它軟件大大簡(jiǎn)化。

 

圖3 切削幾何模型與邊界條件

根據(jù)實(shí)際加工條件利用Mentat進(jìn)行二維幾何建模如圖3所示。其中，工件左側(cè)的所有節(jié)點(diǎn)水平位移及工件底面所有節(jié)點(diǎn)在平面內(nèi)兩個(gè)方向的位移全部設(shè)定為零。右側(cè)的刀具假定為剛體，工件材料利用MSC.Marc提供的宏觀彈塑性模型輸入相應(yīng)的材料常數(shù)，并對(duì)工件模型采用網(wǎng)格全局重劃分。在模型中假定了刀具的刃口半徑為零，改變刀具的前角進(jìn)行切削仿真可以得出如圖4所示的應(yīng)力分布結(jié)果圖。

圖4 不同刀具前角二維切削仿真結(jié)果比較

圖5 三維仿真結(jié)果圖

如二維仿真類似，單點(diǎn)金剛石正交切削過(guò)程可以抽象為平面應(yīng)變問(wèn)題進(jìn)行三維有限元仿真。模型采用了四面體單元對(duì)工件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。仿真結(jié)果如圖5所示。利用Mentat后處理功能，可以得出切削過(guò)程的切削力變化圖（圖6）。

圖6 切削力變化結(jié)果圖

4 總結(jié)

本文利用有限元仿真技術(shù)，對(duì)單點(diǎn)金剛石車削過(guò)程進(jìn)行了二維、三維建模仿真,模擬了切屑的產(chǎn)生及生長(zhǎng)過(guò)程，分析了加工過(guò)程中工件內(nèi)部的應(yīng)力分布情況以及刀具的切削力的變化，也在二維仿真中討論了不同刀具前角對(duì)切屑形態(tài)的影響。（文章作者：王浩 杜雪 張志輝）