一、研究背景

金屬切削過程中伴隨著復(fù)雜的應(yīng)力場、應(yīng)變場和溫度場，刀具幾何參數(shù)和切削參數(shù)對切屑形態(tài)、切削力、刀具磨損、殘余應(yīng)力的綜合影響是復(fù)雜的。在宏觀尺度和微觀尺度上，材料具有不同的去除機制，這使得過程變量對工件表面質(zhì)量和刀具壽命的影響和過程變量的影響因素有顯著差異。

有限元法被認(rèn)為是一種切削過程中預(yù)測過程變量、揭示微觀物理現(xiàn)象、深入研究切削機理的有效方法。因此，運用有限元仿真對宏觀和微觀尺度切削過程進行研究，區(qū)分宏觀和微觀過程變量有限元仿真模型的差異，進而提高宏觀和微觀尺度有限元仿真的精度、工件表面質(zhì)量和刀具壽命是必要的。有限元仿真模型的可靠性和有效性很大程度取決于仿真方法、本構(gòu)模型、摩擦模型和損傷模型對網(wǎng)格單元、材料的動態(tài)力學(xué)行為、刀具-切屑-工件接觸過程和切屑的形成機制描述的準(zhǔn)確性。建立更符合真實切削情況的有限元仿真模型，可以為優(yōu)化切削過程變量和工藝參數(shù)提供參考。

因此，針對不同材料和加工方式，對宏觀和微觀過程變量和材料去除機制預(yù)測的有限元仿真進展進行了綜述，如圖1所示。同時，討論了金屬切削過程有限元仿真的研究和發(fā)展方向，為未來的建模方向提供了指導(dǎo)。

圖1 文章框架

二、主要內(nèi)容

分別從仿真模型的建立、宏觀工藝變量仿真模型、微切削過程仿真模型和有限元仿真的擴展等四部分進行了綜述，如圖2所示。

圖2 文章的主要框架

1）系統(tǒng)介紹了仿真方法，材料的本構(gòu)模型，摩擦模型，損傷模型及其修正模型的適用條件和預(yù)測精度，為建立符合真實切削狀態(tài)的有限元模型提供依據(jù)。

a）對比了各種仿真方法對切屑形態(tài)、切削力殘余應(yīng)力等仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

b）分析了各種本構(gòu)模型，摩擦模型，損傷模型及其修正模型的適用性、改進的方向，尤其是本構(gòu)模型在高溫、高應(yīng)變、應(yīng)變-應(yīng)變率-溫度耦合條件的應(yīng)用，二維和三維有限元建模時摩擦模型的差異，以及在損傷起始、損傷演化和失效過程中如何建立損傷準(zhǔn)則使仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性更接近于真實情況。如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 J-C本構(gòu)模型及其修正模型

圖4 二維和三維有限元建模損傷模型及其適用性

圖5 損傷其實和損傷演化階段物理量的變化

2）綜述了宏觀切屑形態(tài)、切削力、刀具磨損、殘余應(yīng)力的建模方法和它們對刀具壽命和工件表面質(zhì)量影響的有限元分析，通過改進模型進而提高各變量仿真預(yù)測準(zhǔn)確性。

a） 切屑形成的有限元模型為刀具與工件相互作用提供更全面的理解。同時，真實描述切屑形成和分離過程材料的損傷演化情況，是提高仿真預(yù)測準(zhǔn)確性研究的另一目標(biāo)。

b） 如圖6所示，在學(xué)者現(xiàn)有的研究結(jié)果基礎(chǔ)上，建立更準(zhǔn)確的有限元模型。將有限元仿真與新技術(shù)的結(jié)合提高仿真結(jié)果準(zhǔn)確性的方法也是未來研究的新方向。

圖6 從仿真精度和時間尺度總結(jié)切削力的有限元仿真進展

c）刀具磨損的產(chǎn)生原因、分布和影響因素的仿真研究，為改善刀具表面的摩擦、磨損和失效性能，提高刀具有效壽命提供依據(jù)。

d）切削過程中的應(yīng)力不能在所需的時間和空間分辨率中測量，而有限元仿真可以很好的研究殘余應(yīng)力的變化和分布情況，如圖7所示。

圖7 不同類型殘余應(yīng)力的有限元仿真模型

3）回顧了在微觀切削過程中，建立有限元模型模擬材料去除機制，重點介紹了切屑形成中未切削切屑厚度，微切削力，微刀具磨損，微切削殘余應(yīng)力和微觀組織演化的有限元建模與宏觀切削的區(qū)別。

a）考慮尺寸效應(yīng)，進一步研究從塑性變形到剪切的臨界狀態(tài)，對工件表面質(zhì)量的提高具有重大意義，如圖8所示。

圖8 切削力系數(shù)、比切削力、切削力等隨未切削切屑厚度和切削刃半徑的變化

b）在微銑削加工中，微銑刀剛度相對較差，導(dǎo)致它對切削力非常敏感，如圖9所示。

圖9 微銑削中切削條件對切削力影響的有限元模型

c）刀具刃口半徑、刀具磨損、刀具涂層和微觀尺度材料均勻性等對于微銑削質(zhì)量的影響不可忽略。

d）比較J-C模型和加入應(yīng)變軟化效應(yīng)的改進J-C模型，改進J-C模型的殘余應(yīng)力有限元仿真結(jié)果更接近實驗結(jié)果，證明了本構(gòu)模型對殘余應(yīng)力仿真結(jié)果的影響。

e）微觀組織的仿真精度很大程度依賴與本構(gòu)模型，綜合考慮位錯密度、晶粒尺寸和再結(jié)晶效應(yīng)的本構(gòu)模型將顯著提高預(yù)測準(zhǔn)確性。

4）介紹了有限元仿真與數(shù)字孿生和機器學(xué)習(xí)結(jié)合后對仿真預(yù)測的實時性和準(zhǔn)確性的提高。

a）有限元仿真為分析刀具和工件之間的切削過程提供了重要依據(jù)特征。在不同的時間和空間尺度上模擬切削過程，結(jié)合數(shù)字孿生后，通過融合來自模擬和測量的特征，與只包含一個數(shù)據(jù)源相比，可以得到更高的預(yù)測精度。

b）基于機器學(xué)習(xí)法的有限元仿真模型可以實時評估，并對未知事件進行準(zhǔn)確預(yù)測。

三、研究展望

為了真實描述切削過程的材料的力學(xué)行為和刀具-切屑-工件接觸狀態(tài)，建立準(zhǔn)確的有限元仿真模型，如圖10所示，建議研究方向如下：

●仿真模型的完善：1)改進仿真方法，真實模擬切屑-工件分離過程中網(wǎng)格單元的狀態(tài)。2)真實描述材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。3)建立全面的摩擦模型。

●擴展綜合模型：1)簡化仿真模型的同時也會降低預(yù)測準(zhǔn)確性。2) 建立綜合預(yù)測有限元模型，3)聯(lián)合數(shù)字孿生和機器學(xué)習(xí)。4)建立多尺度仿真模型。

●構(gòu)建多元集成模型：1)建立一個統(tǒng)一的平臺，集成特定切削過程的模型。 2)對有限元仿真軟件二次開發(fā)，將有限元仿真預(yù)測模型向工業(yè)應(yīng)用轉(zhuǎn)化。

圖10 基于金屬切削過程的多尺度有限元仿真模型展望

文章來源： 航空學(xué)報CJA