椭圆活塞切削力的影响因素研究

赵金泉

摘 要：文章对不同刀具前角、不同切削速度、不同切削深度、不同刀具刃口钝圆半径以及不同频率对工件应力应变及切削力的影响进行了仿真研究，分析了在不同参数影响下主切削力和背吃刀力的变化情况。

关键词：切削力；影响因素；椭圆活塞

椭圆振动切削（Elliptical Vibration Cutting，EVC）作为一种特殊的加工方式，得益于其周期性加工的特点，EVC能够大大降低切削力、热，并且能提高刀具的使用寿命，近年来受到广泛的关注。为了更好地研究EVC切削力，本文将利用有限元分析法对其进行更深一步的研究。

1 EVC有限元模型的建立

1.1 工件建模。考虑到计算的速度与相关的切削参数，本文给定工件模型尺寸：长为0.6mm，高为0.2mm，并在工件高1/2处进行切分，为提高建模效率下文将对其上半部分细化网格。

1.2 刀具建模。给定刀具前角为0°，后角为10°，切削刃钝圆半径为2um。由于不考虑刀具的变形及工件刀具之间的热传递等因素，因此将刀具建成为解析刚体。

1.3 材料属性。工件材料选为6061铝合金，经查找相关文献得到6061 Al的材料参数如表1所示。

1.4 网格划分。由于加工为微细加工，切深较小，所以为了计算效率，在保证精度的前提下，对工件进行了切分，并在有些边进行了种子的偏移设置，首先对上半部分长度方向进行局部细化，然后对上半部分的高度方向进行局部细化，最后对下半部分高度方向采用均匀方式进行局部细化。

1.5 定义载荷。首先，对工件赋予温度边界条件，新建一个预定义场，然后选择事先建立好的工件全部节点集。然后对工件进行固定，在边界条件管理器里新建一个边界条件。最后对刀具进行速度的边界条件设定。

2 椭圆活塞切削力影响因素分析

2.1 不同前角的影响。首先研究不同刀具前角对切削力和工件表面应力状态的影响，根据单一变量法，分别对刀具进行不同角度的建模，其他前处理过程及相关参数与前文所述相同。为了说明刀具的运动轨迹，所以在后处理时提取了刀具两个方向的位移曲线，U1即为x向的位移曲线，U2为Y向的位移曲线，因为工件固定，所以刀具需要有一个随着时间t而向左运动的恒定速度（切削速度），即刀具相对于工件的位移在X向的分量不再为一个单纯的周期型幅值曲线。

同时以10°刀具前角为例，进行EVC一个周期的切削特点阐述。由于EVC为刀具相对工件作周期性振动切削的特点使得一个切削周期中存在如下几个特殊切削状态：切除上一周期残留、开始本周期切削、提屑以及刀具工件分离四个状态。图1为在相同切削时间下，不同刀具前角对应的工件表面米塞斯应力分布云图。

分析结果表明，不同刀具前角对应的最大应力，相同时刻下不同刀具前角对应的最大米塞斯应力是不同的，由此可以得出随着刀具前角的增大最大米塞斯应力是逐渐增大的，而5°前角对应的最大米塞斯应力发生了突变。由五个不同的应力云图可以看出，随着刀具前角的增大，切削的形态也变的瘦而高。

2.2 不同切速的影响。为了研究不同切速对切削力和工件表面应力状态的影响，根据单一变量法，分别对刀具赋予0.31m/min，3.1m/min以及31m/min的切削速度，其他前处理过程及相关参数与前文所述相同。因为切削速度改变后，会影响刀具的轨迹，相同时间内刀具切过的距离也会不同。不同速度下的最大应力对比分析发现，可见随着速度的增大最大应力先减小后增大。

2.3 不同切削深度的影响。为了研究不同切深对切削力和工件表面应力状态的影响，根据单一变量法，分别设定刀具切削深度为10um，20um和30um，其他前处理过程及相关参数与前文所述相同。首先研究不同切深對应的工件表面的应力状态。分析不同切深对应的最大应力可知，切深从10um到20um，应力增大，从20um增大到30um时，应力减小。

2.4 不同刀具刃口钝圆半径的影响。为了研究刀具刃口钝圆半径对切削力和工件表面应力状态的影响，根据单一变量法，分别设定刃口钝圆半径为0.2um、1um和5um，首先研究不同刃口钝圆半径对应的工件表面的应力状态。分析不同刀具刃口钝圆半径对应的最大应力，可以看出，随着钝圆半径从0.2um到1um过程中最大应力增大，而从1um到5um过程中最大应力减小。

2.5 不同刀具振动频率的影响。为了研究刀具振动频率对切削力和工件表面应力状态的影响，根据单一变量法，分别设定刀具振动频率为15KHz、25KHz和35KHz，首先研究不同振动频率对应的工件表面的应力状态。分析不同频率对应的最大应力可知，随着频率的增大，最大应力先增大后减小。

3 结束语

本文对不同刀具前角、不同切削速度、不同切削深度、不同刀具刃口钝圆半径以及不同频率对工件应力应变及切削力的影响进行了仿真研究，分析了在不同参数影响下主切削力和背吃刀力的变化情况，这些研究结果对实际工况下的切削规律以及切削力的预测具有一定的指导意义。