模型分享006——塑性/脆性切削仿真对比

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2021年5月22日 15:58

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刀具模型

如图1所示为使用ABAQUS仿真软件建立的工件和刀具的二维几何模型，刀具前角为15°后角为5°，刀尖圆弧半径为0.01毫米，工件长0.6毫米，高0.12毫米，其中切屑层厚度为0.04毫米。

图1 几何模型

材料本构方程（材料属性）

建立铸铁的本构方程，对工件材料的基本性能进行描述，模拟切削加工中发生的蹦碎情况，并且需要准确的反映出切削中受到的应变情况。切削时工件的蹦碎会消耗大量的能量，在ABAQUS软件中通过Cracking Brittle对工件材料中脆性属性进行定义，并设置切屑的分离形式为线弹性脆性断裂。在损伤出现之前应力和应变之间遵循胡克定律，当基体所受应力超过抗拉极限时，工件基体将发生脆性失效而生成裂纹并最终扩展成碎屑，仿真中基于最大正应力准则对工件的断裂进行判断。

分析

初始切削状态

如图2所示为切削加工的应变初始状态，图（a）为塑性切削，此时工件材料受到刀具的碰撞和挤压作用，刀具和工件表面完全接触，在经过弹性变形后刀具从侧面压入到工件内部，并且在刀尖接触位置形成了应变集中点，应变以碰撞点为中心向工件内部呈扇形扩张，在此位置将最开始出现塑性成型，工件内部未形成明显的裂纹和剪切。图（b）为蹦碎切削，此时工件材料在刀具的碰撞下，几乎没有发生过塑性变形，并且刀具和工件之间在碰撞发生的瞬间，两者之间并不会完全接触，而是在接触位置形成了撞击蹦碎，蹦碎的工件形成了加工的空洞和裂纹，裂纹扩展主要分为两个方向，分别为倾斜向下的主裂纹和沿工件表面的次裂纹，相比于塑性切削，蹦碎切削时应变主要是沿裂纹扩展方向均匀分布，并不会形成应变集中位置。

（a）塑性切削（b）脆性切削

图2 切削加工的应变初始状态

稳定切削状态

如图3所示为切削加工的应变稳定状态，图（a）为塑性切削，此时工件主要是受到刀具的剪切和滑移作用，切削层在刀具前表面的作用下逐渐形成切屑，连续的切屑形成了较大的变形并没有与工件发生分离，切削后加工表面质量较好，从应变角度看，在切削区域应变较大并随着刀具的运动逐渐向前扩展，最终形成了加工中的连续切屑。图（b）为蹦碎切削，此时工件在刀具的作用下逐渐被切削，切削层材料在裂纹的作用下产生了较大的碎片化分离，并未形成连续的切屑，而加工后的工件表面，由于脆性裂纹的产生，在表面产生了无规则的凹坑，导致加工后质量较差，从应变角度看，基体表面裂纹区域残留有轻微的应变，而基本内部基本不存在应变。