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引文格式：
李浩泽、黄树涛、于晓林、徐立夫、焦克宇。 高强钢高速切削工艺及切削力研究[J]. 工具技术, 2021, 55(1): 17-22.
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1 简介
高强度钢具有较高的硬度、屈服强度、抗拉强度、断裂韧性，以及良好的抗疲劳性能、高温性能、焊接性能、耐腐蚀性能。 以其优异的综合力学性能，广泛应用于武器、飞机的重要结构。 广泛应用于零件、船舶主轴等领域。 钢具有硬度高、导热系数低的特点。 它是一种难加工材料。 切削加工时，可能会出现切削力大、切削温度高、刀具磨损严重、刀屑粘附、表面粗糙度差等问题。 近年来，随着钢材应用的发展，对其切削特性及相关机理的研究逐渐深入。 国内外对高强钢切削加工的研究主要集中在切削力、刀具磨损和表面粗糙度方面。 丁等人。 通过实验研究建立了H13高强钢铣削力和表面粗糙度的经验公式； 郭等人。 采用正交实验方法研究了切削300M钢材时切削参数对切削力的影响，建立了切削力预测模型； 王等人。 对超高强钢A-100的切削力进行了模拟分析，结果表明，切削深度对切削力的影响远大于进给量和切削速度； Y.等人。 应用有限元分析方法研究切削钢。 锯齿形切屑的形成对切削力波动的影响； 曼等人。 利用金属切削软件预测超高强钢的三维铣削力； 杨振超等. 建立了钢材铣削模型，模拟了刀具前角与后角的关系。 实验研究了12~26m/min低速范围内切削力的影响。 在刀具磨损方面，宋戈等人。 研究了刀具切削钢材时的磨损机理，结果表明：粘着磨损是引起刀具磨损的首要因素； 在加工表面质量方面，杨振超等人。 研究了超高强钢高速铣削参数与表面粗糙度的关系。 结果表明，工件的表面粗糙度值随着切削速度的增大而增大。 大，随切削深度和进给量的增加而减小。
目前，关于钢材切削加工，特别是高速切削加工的研究文献还很少。 高速切削作为实现零件精密加工的重要技术，在高强钢精密加工中的应用研究相对缺乏。 切削力作为高强钢高速切削的关键研究内容和应用基础，对于刀具和切削量的优化选择具有重要意义。
本文基于有限元仿真软件，建立了高强钢高速切削过程的二维有限元仿真模型，研究了切削过程中的应力分布和切屑形成过程，总结了切削加工的影响。研究了切削力参数对切削力的影响，为中高强钢高速切削时切削量的优化提供了理论依据。
2 切削力仿真模型
2.1 有限元模型的建立
高强钢二维切割模型长度为50mm，高度为30mm。 刀具前角为6°，后角为10°，切削刃半径为0.01mm。 网格划分时钢材温度变形系数，工件选择单元类型。 为了同时保证仿真精度和仿真时间，选择二次精度对工件进行划分。 网格在切割层被细分，长度为50mm，高度为5mm。 尺寸为0.1mm×0.1mm，远离切割层的非网格细化区域尺寸为0.1mm×2.5mm。 由于该工具是分析刚体，因此在此模拟中无需对其进行网格划分。
在刀具与工件接触区域的划分中，将刀具外表面划分为接触中心的主接触面，将工件切削层的节点集划分为从接触面。 切削过程中刀具与工件之间存在摩擦。 在有限元软件中，摩擦分为法向摩擦和切向摩擦。 在该模型中，切向摩擦被定义为摩擦系数为0.3的惩罚摩擦，法向摩擦被定义为硬接触。 简化的二维正交切削有限元模型如图1所示，对工件底面和左面的所有自由度进行约束，以保证工件在切削过程中不会发生位移或翻转。 忽略切削过程中刀具的磨损，假设其刚度为无穷大，设X轴负方向为刀具的进给方向。
图1 二维正交切削有限元模型
2.2 高强钢的材料性能及本构关系
工件材料选用高强度钢。 相关文献和工厂提供的工件材料物理参数如表1所示。
表1 工件材料物理参数
材料本构关系描述了工件变形过程中强度随应变、应变速率和温度的变化。本次仿真采用-Cook模型，其表达式为
式中，A、B、C、n、m为材料的待定参数，其中A、B、n为材料及其应变硬化特性，C为应变速率敏感性，m为温度敏感性； σ 是屈服极限。 ; εn为等效塑性应变；
是等效塑性应变率；
是初始应变率； T为变形温度； Tr为室温（296K）； Tmelt 是材料的熔点。
库克本构模型的数据取自相关文献。 Tr=296K，Tmelt=1695K，ε=1.0。 破坏准则采用剪切破坏准则。 Steel-Cook模型参数如表2所示。
表2-Cook弹塑性本构材料参数
2.3 切屑分离标准
通过模拟高强钢的切屑分离准则，根据物理准则可以看出，当切割网格处的应变大于或等于设定的材料应变值时，就会产生切屑。 剪切破坏模型中包含的剪切破坏模式切屑分离判据确定，等效塑性应变将影响剪切破坏模型的建立。 因此，当切削过程中某一网格的应变值超过塑性损伤应变值时，损伤参数D=1，则意味着该网格处的切削工件发生了剪切破坏，导致切屑分离。
3 模拟测试
3.1 模拟方案
仿真采用单因素方法，每组仿真参数仅调整切削速度或切削深度之一，从而获得不同切削参数组合下切削力的变化规律。 由于钢材属于难加工材料，目前切削实验研究的切削速度基本为60~150m/min。 为了研究钢材在较大切削速度范围内的应力分布和切屑形成过程，切削速度范围覆盖60~300m/min。 分钟。 具体模拟测试方案如表3所示。
表3 模拟测试方案
3.2 切削过程中的应力分布和切屑形成过程
在切削速度60m/min、切削深度1mm的条件下，对高强钢二维切削过程进行模拟分析，得到12张最具代表性的应力分布云图，如图所示如图2和图3所示。从图2a可以看出，刀具切入工件后，大部分应力位于材料与刀头的连接处。 随着切削的进行，压力增大，等效应力场面积逐渐增大（见图2b）。 此时切削刃处的等效应力最大，应力场以该位置为中心扩散。 如图2c所示，当第一变形区压力达到工件材料的屈服强度（1.58GPa）时，切削层发生剪切滑移变形并形成切屑，剪切角约为45°。 随着切削的继续，带状切屑逐渐形成，应力的大小和方向基本保持稳定，如图2d至图2f所示。
图2 高速切削过程中的应力分布和切屑形成
图3所示为刀具即将切削工件时应力分布和剪切角的变化过程。 从图3a至图3c可以看出，随着刀具接近切削端，剪切角减小并逐渐变为负剪切角。 最后，切削层中的金属以-20°左右的负剪切角滑移变形，形成切屑分离，并在工件切削端产生残余塑性变形，完成切削过程。 这个过程与卜聚安等高温合金的高速切削过程类似。
图3 刀具切削时剪切角的变化及边界缺陷的形成
3.3 切削速度对切削力的影响
在切削深度为1mm的情况下，各切削速度下的切削力时域图如图4所示。切削过程开始后，切削力迅速增大至其平均值附近，并形成规律的振动状态。
图4 不同切削速度下切削力的时域分布
不同切削速度下切削力的变化如图5所示，图中切削力的值为各时域图的平均值。 Fx和Fy均随着切削速度的增加而增加。 Fx的增加趋势较为明显，而Fy的增加则相对平缓。 当切削速度小于120m/min时，Fx增加较大； 当切削速度大于120m/min时，Fx的增加量减小并近似线性增加。 理论上，随着切削速度的提高，切削温度也会升高。 由于钢在高温下仍具有较强的力学性能，因此其热软化作用较弱。 随着切削速度继续提高，加工变形率增大钢材温度变形系数，加工硬化程度加剧，导致切削力随着切削速度的增大而增大。 当切削速度低于120m/min时，热软化较严重，因此切削力显着增大； 当切削速度高于120m/min时，切削力缓慢增加。
图5 切削速度对切削力的影响
3.4 切削深度对切削力的影响
当切削速度为180m/min时，不同切削深度下切削力的时域图如图6所示。从图中可以看出，当切削深度ap=0.5mm时，随着刀具切入工件，切削力很快达到稳定的波动状态，但切削深度ap>1mm后，刀具切入工件后的瞬时切削力较小，随后切削力迅速增大至其平均值附近并形成有规律的波动状态。 可以认为，加工钢材时，随着切削深度的增大，切削力增大； 随着切削的进行，加工变形和加工硬化逐渐增大，切削力与刀具刚切入工件时相比增大，并进入稳定状态。 波动状态。
图6 不同切削深度下切削力的时域分布
不同切削深度下切削力的变化如图7所示。图中切削力值为各时域图的平均值。 切削分力Fx随着切削深度的增加而增大，而切削分力Fy受切削深度的影响并不显着。 理论上，随着切削深度的不断增加，刀具切削刃与工件的接触面积变大，单位时间内切除的金属量也随之增加，导致切削阻力变大，最终导致Fx线性增长。 Fy的变化取决于工件已加工表面对刀具后刀面的作用力，这与工件的弹性变形密切相关。 钢材的弹性模量较大，切削过程中工件已加工表面的回弹较小，因此切削深度对刀具后刀面影响较大。 Fy影响不大。
图7 切削深度对切削力的影响
4。结论
通过建立二维正交切削有限元模型，对高强钢进行高速切削有限元分析。 结论如下：
(1)高强钢二维切削过程中，随着刀具切入，切削层金属产生剪切角约为45°方向的剪切滑移。 切削过程中剪切应力的大小和方向基本相同。 保持不变; 当刀具接近切口端时，切削层金属以约-20°的负剪切角滑动变形，在工件切口端引起切屑分离和残余塑性变形，完成切削过程。
(2)主切削力Fx随着切削速度的增大而增大。 当切削速度低于120m/min时，切削力明显增大； 当切割速度高于120m/min时，切割速度缓慢增加； 深部阻力Fy随着切削速度的增加而略有增加。
(3)主切削力Fx随着切削深度的增加而增大，切削深度阻力Fy受切削深度的影响不显着； 切削深度对切削力的影响比切削速度的影响更大。
