不同切削深度下二維巖石切削分析

線性切削廣泛應用于巖石的數值試驗中，在線性切削過程中切削刀具以設定的速度劃過巖石表面，同時以不同深度切削巖石，切削破壞表層部分巖石材料。使用ABAQUS有限元軟件建立單刀線性切削巖石材料仿真模型，研究切削深度對巖石切削中切削力的影響。

1.計算模型

運用有限元顯示動力學分析方法進行仿真模擬計算。在有限元模型中，巖石材料模型的長度為20mm，高度為5mm的長方形，刀具為長3mm，寬1mm，傾角為15°。

如圖所示為巖石單刀線性切削模型示意圖。將切削刀具視為剛體，巖石材料剖分為6000個單元，巖石采用平面應變四節點雙線性減縮積分單元(CPE4R)，且將被切削部分的巖石進行網格細化，保證精度的同時提高計算效率。

單刀線性切削巖石材料的仿真計算十分復雜，為了提高計算效率和便于分析，忽略次要影響因素，對該模型做出如下假設：

(1)當巖石材料單元失效后即從模型中刪除，忽略其失效后對后續切削的影響。

(2)切削刀具的強度和剛度遠高于巖石材料，將刀具假設為剛體，且在切削過程中不發生磨損。

(3)不考慮溫度對切削過程的影響。

2.計算參數

密度：2600kg/m3

彈性模量2000000000pa

泊松比0.3

斷裂應變0.002

內摩擦角41.84°;

剪漲角5°;

屈服應力10900000pa

失效位移0.0001

3.計算工況

切削速度為15mm/s，切割時間為0.5s，質量縮放為10000。

      建立切削深度為0.1 mm -1.8mm共18個工況。

將切削刀具視為剛體，在切削刀具上設置參考點RP來約束其運動，這樣不僅便于切削力的提取，也便于對刀具施加約束條件。本模型中巖石材料與刀具之間的接觸采用Node-to-Surface接觸，即在每一個增量步都重新定義接觸，從而實現切削過程中巖石與刀具的動態接觸，法向接觸為硬接觸，切向接觸面采用罰函數來定義摩擦，取摩擦系數為0.3。

4.云圖分析

選取切削深度分別為0.1mm、0.5mm、1mm、1.4mm、1.8mm的mises應力圖如下。

圖1切削深度0.1mm

圖2切削深度0.5mm

圖3切削深度1mm

圖4切削深度1.4mm

圖5切削深度1.8mm

選取切削深度分別為0.1mm、0.5mm、1mm、1.4mm、1.8mm的mises應力圖。我們可看出隨切削深度的增大，應力分布區域增大，切削碎屑形狀增大。

5.切削力分析

巖石在刀具切削作用下的破壞形式不僅可以從碎屑形狀和應力分布云圖來判別，也可用切削力來描述，實際切削過程中切向切削分量和法向分量并不是一個恒定值，并且在切削初段和末段有較大的波動，所以它們的合力也不是一個恒定值，因此本文通過截取一段較為平穩的刀具力學反饋數據來計算切削力合力的平均值。如圖所示為巖石材料在不同切削深度下切削力與切削深度的關系曲線。

由圖可知，切削力與切削深度的變化規律基本上可以分為兩個階段，即線性段和非線性段。當切削深度小于0.9mm時，切削力以及切削力的切向分量 、法向分量均和切削深度呈線性關系；當切削深度大于0.9mm時呈現出非線性關系。

6.結論：

（1）當切削深度較小時，巖石的破壞主要是以表層的巖石材料為主，特征主要是被破碎的巖石碎屑在切削刀具前端不斷的堆積和塑性流動，且切削碎屑比較碎小，切削面相對平坦。當切削深度較大時，主要是應力區域在切削刀具的前端不斷積累，應力向自由表面擴散較為明顯，且切削碎屑比較大，切削面更為粗糙。

（2）由切削過程中的應力云圖及切削碎屑的大小可知，隨著切削深度的增加，應力區域逐漸向切削刀具前端累積，切削形成的碎屑也不斷增大，切削面的粗糙度逐漸由平坦轉變為粗糙。