刀具模型

如圖1所示為使用ABAQUS仿真軟件建立的工件和刀具的二維幾何模型，刀具前角為15°后角為5°，刀尖圓弧半徑為0.01毫米，工件長0.6毫米，高0.12毫米，其中切屑層厚度為0.04毫米。

圖1  幾何模型

材料本構(gòu)方程（材料屬性）

建立鑄鐵的本構(gòu)方程，對工件材料的基本性能進行描述，模擬切削加工中發(fā)生的蹦碎情況，并且需要準(zhǔn)確的反映出切削中受到的應(yīng)變情況。切削時工件的蹦碎會消耗大量的能量，在ABAQUS軟件中通過Cracking Brittle對工件材料中脆性屬性進行定義，并設(shè)置切屑的分離形式為線彈性脆性斷裂。在損傷出現(xiàn)之前應(yīng)力和應(yīng)變之間遵循胡克定律，當(dāng)基體所受應(yīng)力超過抗拉極限時，工件基體將發(fā)生脆性失效而生成裂紋并最終擴展成碎屑，仿真中基于最大正應(yīng)力準(zhǔn)則對工件的斷裂進行判斷。

分析

初始切削狀態(tài)

如圖2所示為切削加工的應(yīng)變初始狀態(tài)，圖（a）為塑性切削，此時工件材料受到刀具的碰撞和擠壓作用，刀具和工件表面完全接觸，在經(jīng)過彈性變形后刀具從側(cè)面壓入到工件內(nèi)部，并且在刀尖接觸位置形成了應(yīng)變集中點，應(yīng)變以碰撞點為中心向工件內(nèi)部呈扇形擴張，在此位置將最開始出現(xiàn)塑性成型，工件內(nèi)部未形成明顯的裂紋和剪切。圖（b）為蹦碎切削，此時工件材料在刀具的碰撞下，幾乎沒有發(fā)生過塑性變形，并且刀具和工件之間在碰撞發(fā)生的瞬間，兩者之間并不會完全接觸，而是在接觸位置形成了撞擊蹦碎，蹦碎的工件形成了加工的空洞和裂紋，裂紋擴展主要分為兩個方向，分別為傾斜向下的主裂紋和沿工件表面的次裂紋，相比于塑性切削，蹦碎切削時應(yīng)變主要是沿裂紋擴展方向均勻分布，并不會形成應(yīng)變集中位置。

（a） 塑性切削     （b） 脆性切削

圖2 切削加工的應(yīng)變初始狀態(tài)

穩(wěn)定切削狀態(tài)

如圖3所示為切削加工的應(yīng)變穩(wěn)定狀態(tài)，圖（a）為塑性切削，此時工件主要是受到刀具的剪切和滑移作用，切削層在刀具前表面的作用下逐漸形成切屑，連續(xù)的切屑形成了較大的變形并沒有與工件發(fā)生分離，切削后加工表面質(zhì)量較好，從應(yīng)變角度看，在切削區(qū)域應(yīng)變較大并隨著刀具的運動逐漸向前擴展，最終形成了加工中的連續(xù)切屑。圖（b）為蹦碎切削，此時工件在刀具的作用下逐漸被切削，切削層材料在裂紋的作用下產(chǎn)生了較大的碎片化分離，并未形成連續(xù)的切屑，而加工后的工件表面，由于脆性裂紋的產(chǎn)生，在表面產(chǎn)生了無規(guī)則的凹坑，導(dǎo)致加工后質(zhì)量較差，從應(yīng)變角度看，基體表面裂紋區(qū)域殘留有輕微的應(yīng)變，而基本內(nèi)部基本不存在應(yīng)變。

（a） 塑性切削     （b） 脆性切削

圖3 切削加工的應(yīng)變穩(wěn)定狀態(tài)

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仿真軟件ABAQUS 6.14-1