微切削有限元模拟国内外研究现状

微切削有限元模拟国内外研究现状

孙洁琼李璟

摘要:微切削是一种成本低廉且快速的微小零件的机械加工途径。现如今，微切削加工技术已成为世界上增长最迅速的工业之一。同时，通过微切削，一些新的材料陆续被运用到了生物、医学以及微电子等各个领域。而它不是普通宏观意义上的单纯对普通切削加工尺寸缩小到微纳米级而得到的，其具有独特的加工特点。但目前对于微切削加工的刀具磨损，加工机床、应力和切削力变化等加工过程的监控方面的研究还不是很深入，因此可以借助有限元分析软件进行模拟。本文旨在介绍微切削有限元模拟国内外研究现状。

关键字：微切削；有限元分析软件；国内外研究现状

随着航天航空技术、生物工程技术以及现代医学的发展，对于微小装置的结构的复杂性、可靠性要求以及功能要求日趋增高，这样就使得加工特征尺寸在毫米级到微米级之间，多种复杂材料被采用并且具有一定表面质量要求和形状精度的微小精密零件的需要日益迫切。现如今微切削不仅可以实现各种材料的微型零件的加工，并且加工过程能实现高度自动化，不会占用过多的人力资源。因此现已成为微小尺度机械加工领域的一项重要的新型技术。微切削水平的提高必定要求对微切削的加工技术原理有深刻的理解。

1微切削的研究背景

微切削作为一种在传统机械加工技术上发展起来的制作技术，和常规机械加工相比是一种比较创新的加工理念和加工工艺。目前切削刀具可以被微切削加工技术使用，这其中可以对包含金属在内的一些可切削加工的材料进行微细切削加工。较之于一些特种加工方法，微切削使得加工精度更高，加工成本更经济以及加工速度更合理，加工柔韧性更好[1]。它不是普通宏观意义上的单纯对普通切削加工尺寸缩小到微纳米级而得到的，其具有独特的加工特点，如图1所示。

由于微细切削的加工对象形状很小，加工单位和刀具尺寸都比较微小从而引起了一系列的影响。但目前对于微切削加工的刀具磨损，加工机床、应力和切削力变化等加工过程的监控方面的研究还不是很深入，因此针对以上问题，可以对切削过程进行二维有限元仿真分析。

2微切削有限元模拟国内外研究现状

由于有限元模拟技术的快速发展，一些学者开始利用仿真软件对微切削过程进行模拟并且在学术研究上取得了一定的成果。

在微切削机械加工过程中，切削厚度将会和刀具刀刃的刃口半径处于同一数量级，而二者的比值将变成微切削过程的影响因素之一。因此切削厚度对切屑的形态、加工表面的质量和完整性等方面的影响的研究是目前微细切削加工的重要研究课题。由于微切削较之于宏观传统切削的加工尺寸特征的的缩小和加工机理的不同所产生的尺寸效应。所谓尺寸效应即就是形成切屑所需要的单位切削力随着切削厚度的不断减小反而增大的一种切削现象。Shaw[2]把这种单位切削力在很小范围中的变化称作尺寸效应。国内外相关领域的学者对其原因说法不一。这主要由于以下几方面的原因：切削刃刃口的钝圆效应[3]；在微米及纳米尺度下材料强度的大幅增强[4]；材料在微观上的结构效应[5]；具有较好延展性的材料被破坏的一些界面效应[6];次表面的变形所要求的能量[7]。

蒋放等[8]用刃口半径为0.15mm的YT14车刀对45%（HRC22）进行微车削时发现材料的单位切削力随着进给量的减小呈现出了指数增大趋势。Volgerls[9]等利用ABAQUS这种有限元仿真分析软件确定了钢的不同微观组织的最小临界切削厚度。Shimada等[10]通过使用金刚石材料并且切削刃刃口为圆弧的刀具，采用分子动力学研究方法对最小切削厚度进行分析。Liu等[11]通过譬如应变力、切削力、切削温度等切削过程中的切削参数建立了一个关于最小切削厚度的理论性预测公式。方刚[12]和胡韦华对一些基于切削过程的有限元模拟的关键技术进行了相关研究。阐明了切屑形成、刀具和工件的接触、切屑的分离和断裂准则等技术。S.Lei,Y.C.Shin等人通过将正交切削过程利用有限元法对其进行仿真分析，建立了热—机械耦合模型以及能够反映切削机理的本构方程，以便更好地描述工件材料变形时温度和应变、应变率的关系。

从以上文献可以看出，可以对微细切削过程进行二维有限元模拟，这是对微细切削过程理想情况的一个简化。

3ABAQUS简介

ABAQUS目前被誉为功能最强大的有限元分析软件之一，此软件解决问题的范围可以从相对简单的线性分析到复杂的非线性分析特别是在研究非线性问题上，其特点和技术更是独树一帜。ABAQUS不仅有可以模拟任意几何形状的强大单元库，并且拥有强大的材料模型库。

作为一款强大的模拟工具，ABAQUS不仅能解决大量结构问题，还可以模拟诸如声学、电学、传热学以及流固耦合分析、热固耦合分析、岩土力学分析及压电介质分析[18]。ABAQUS/Explicit可进行动态显示分析，适用于准静态分析和非线性动力学分析。

ABAQUS/Explicit可实现基于域分解的并行计算，可使用子模型，在变形较大的问题中，求解过程中的网格畸变可通过使用ALE（ArbitraryLagrangianEulerian）自适应网格技术来避免，以此来保证求解过程的顺利进行。由于以上优点，在进行微切削研究时可以采用ABAQUS/Explicit这种有限元分析软件。

4小结

微切削是一个复杂的工艺过程，为了能更好地揭示在实际切削中的有关加工机理，很有必要对微切削加工进行二维模拟。微切削加工技术是一种快速且低成本的微小零件机械加工方式，在切削微机电系统技术已经成为全球增长最快的工业之一。加工仿真方面，还有很多值得深入研究的领域。这对于了解微切削加工的本质有重要意义。可以研究其他切削参数，比如切削速度等对一些应力或切削力的影响。从而能优化微切削加工过程。

参考文献：

[1]刘战强,雷原忠.微切削加工技术[J].工具技术,2006,03:28-34.

[2]VoglerMP,KapoorG.OntheModelingandAnalysisofMachiningPerformanceinMicro-EndmillingPartI:CuttingForcePrediction[J].ASMEJ.Manuf.Sci.Eng,2004,140(38):695-705.

[3]KimJD,KimDS.TheoreticalAnalysisofMicro-cuttingCharacteristicsinUltra-precisionMachining[J].JournalofMaterialsProcessingTechnolog,1995,121(49):387-398.

[4]YuanZ,ZhouM,DongS.EffectofDiamondToolSharpnessandCuttingSurfaceIntegrityinUltraprecisionMachining[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,1996,62,(12):327-330.

[5]WoonKS,RahmanM,NeoKS,etal.TheEffectofToolEdgeRadiusontheContactPhenomenonofTool—basedMicromachining[J].InternationalJournalofMachineTools＆Manufacture,2008,97(48):1395-1407.

[6]BissaccoG,HansenHN,SlunskyJ.ModelingtheCuttingEdgeRadiusSizeEffectforForcePredictioninMicroMilling[J].CIRPAnnals-ManufacturingTechnology,2008,68(17):113-116.

[7]NakayamaK.SizeEffectinMetalCuttingForce[J].JournalofManufacturingScienceandEngineering,1968,90(1):119-126.

[8]蒋放,王西彬,刘志兵.微细切削的尺度效应研究[J].工具技术,2004,38(8):6-9.

[9]VoglerMP,DevorRE,KapoorSG.OntheModelingandAnalysisofMachiningPerformanceinMicro-Endmilling,PartI:SurfaceGeneration[J].ASMEJ.Manuf.Sci.Eng,2004,126(25):685-694.

[10]ShimadaS,Ohmori.FeasibilityStudyonUlimateAccuracyinMicro-cuttingUsingMolecularDynamicsSimulation[J].CIRPAnnals–ManufacturingTechnology,1993,42(1):91-94.

[11]LiuX,DevorRE,KapoorSG.TheMechanicsofMachiningattheMicroScale:AssessmentoftheCurrentStateoftheScience[J].TransactionoftheASME,2004,126(35):666-678.

[12]方刚,曾攀.切削加工过程数值模拟的研究进展[J].力学进展,2001,31(3):394-404.

作者简介：孙洁琼（1992.5—），女，汉族，籍贯甘肃平凉，本科，职务：专业课教师，职称初职，研究方向：新能源汽车