切削参数对微铣削加工温度影响的ABAQUS有限元仿真分析

孙钊 白娟娟韩超艳
(1.陕西机电职业技术学院机电工程系，陕西 宝鸡 721001)
(2.宝鸡文理学院机械工程学院，陕西 宝鸡 721001)
摘要：为了提高对微铣削加工过程中温度分布的认识，从仿真分析的层面进行考虑，使用ABAQUS仿真软件测试了微铣削加工工件温度与切削参数间的变化关系，研究结果表明：主轴转速与切削深度增大后，切削温度先升高然后逐渐达到一个平缓的状态，其中温度受到主轴转速的影响最显著；随着进给速度的增大，切削温度先升高后降低。刀具存在偏心现象时的温度要高于未偏心时的温度，由此可见刀具偏心只是对实际温度造成了影响，并未改变总体变化趋势。该研究有助于对微铣切削参数的优化，为后续的实验研究提供了理论基础。
关键词：切削参数；微铣削；温度；有限元仿真
中图分类号：TH164 文献标识码：A 文章编号：2095-509X(2019)05-0015-04

目前微铣削加工已经成为制造微细零件的一项重要方法，因此获得了众多研究人员的关注。由于微细零件具有结构尺寸小以及加工精度要求高的特点，因此与大尺寸加工部件相比，其加工质量受到加工切削热与工件温度场的影响更加显著。
切削加工与热力学、弹性力学、固体力学和断裂学都存在非常紧密的关联，并且刀具外形结构、工艺条件、刀具温度与磨损情况都会改变实际加工质量，因此采用传统解析方法难以准确分析切削机理，而对刀具结构与切削技术的改进也只能利用实验测试方法来确定，极大浪费了人力与工时，对切削技术的进一步发展造成了明显阻碍。目前，各类计算机仿真技术获得了快速发展，特别是有限元仿真技术被广泛用于分析各项参数关系并处理各类加工问题。与传统模式的分析方法相比可以发现，采用有限元方法可以有效减少实验次数，极大压缩研究成本，此外还可以将其应用于工艺参数优化、生产成本评估、刀具结构设计等众多领域。为了提高对微铣削加工过程中温度分布的认识，从仿真分析的层面进行考虑，使用ABAQUS仿真软件测试微铣削加工工件温度与切削参数间的变化关系就成为迫在眉睫的事。

1 模型建立
本文选择 TC4作为工件材料，选择AlCrN作为刀具涂层，滚削速度大于120m/min，并以 Johnson-Cook 本构模型作为材料模型，此外还设定了摩擦系数与摩擦模型。选择C3D8RT 温度位移耦合单元作为网格单元处理刀具，重点细化刀具与刀尖切削网格；选择C3D4T 四面体热耦合单元作为网格单元对工件进行简化，得到图1所示的结构外形。设定切削时长等于0.005s，同时为了提高运行效率，将质量缩放因子设定成10。

2 结果分析
从图2中可以看到进行微铣削发生切屑脱落时的温度改变情况。根据图2可知，进行微铣削时，由于切屑会沿前刀面发生滑移并掉落，并在此过程中带走大量切削热，工件残留热量较少，因此最高温度出现在切屑上。因而在分析工件温度与切削参数关系时需选择和后刀面接触部位达到最高切削温度的点。

基金项目：陕西高等教育教学改革研究项目(17GY050);宝鸡文理学院重点科研项目（ZK16007）
作者简介：孙钊(1982—)，男，讲师，主要研究方向为机械制造、数控加工，xumeiyi018686@126.com.