金属切削过程宏观和微观尺度有限元仿真进展

一、研究背景

金属切削过程中伴随着复杂的应力场、应变场和温度场，刀具几何参数和切削参数对切屑形态、切削力、刀具磨损、残余应力的综合影响是复杂的。在宏观尺度和微观尺度上，材料具有不同的去除机制，这使得过程变量对工件表面质量和刀具寿命的影响和过程变量的影响因素有显著差异。

有限元法被认为是一种切削过程中预测过程变量、揭示微观物理现象、深入研究切削机理的有效方法。因此，运用有限元仿真对宏观和微观尺度切削过程进行研究，区分宏观和微观过程变量有限元仿真模型的差异，进而提高宏观和微观尺度有限元仿真的精度、工件表面质量和刀具寿命是必要的。有限元仿真模型的可靠性和有效性很大程度取决于仿真方法、本构模型、摩擦模型和损伤模型对网格单元、材料的动态力学行为、刀具-切屑-工件接触过程和切屑的形成机制描述的准确性。建立更符合真实切削情况的有限元仿真模型，可以为优化切削过程变量和工艺参数提供参考。

因此，针对不同材料和加工方式，对宏观和微观过程变量和材料去除机制预测的有限元仿真进展进行了综述，如图1所示。同时，讨论了金属切削过程有限元仿真的研究和发展方向，为未来的建模方向提供了指导。

图1 文章框架

二、主要内容

分别从仿真模型的建立、宏观工艺变量仿真模型、微切削过程仿真模型和有限元仿真的扩展等四部分进行了综述，如图2所示。

图2 文章的主要框架

1）系统介绍了仿真方法，材料的本构模型，摩擦模型，损伤模型及其修正模型的适用条件和预测精度，为建立符合真实切削状态的有限元模型提供依据。

a）对比了各种仿真方法对切屑形态、切削力残余应力等仿真结果的准确性。

b）分析了各种本构模型，摩擦模型，损伤模型及其修正模型的适用性、改进的方向，尤其是本构模型在高温、高应变、应变-应变率-温度耦合条件的应用，二维和三维有限元建模时摩擦模型的差异，以及在损伤起始、损伤演化和失效过程中如何建立损伤准则使仿真结果的准确性更接近于真实情况。如图3、图4、图5所示。

图3 J-C本构模型及其修正模型

图4 二维和三维有限元建模损伤模型及其适用性

图5 损伤其实和损伤演化阶段物理量的变化

2）综述了宏观切屑形态、切削力、刀具磨损、残余应力的建模方法和它们对刀具寿命和工件表面质量影响的有限元分析，通过改进模型进而提高各变量仿真预测准确性。

a） 切屑形成的有限元模型为刀具与工件相互作用提供更全面的理解。同时，真实描述切屑形成和分离过程材料的损伤演化情况，是提高仿真预测准确性研究的另一目标。

b） 如图6所示，在学者现有的研究结果基础上，建立更准确的有限元模型。将有限元仿真与新技术的结合提高仿真结果准确性的方法也是未来研究的新方向。

图6 从仿真精度和时间尺度总结切削力的有限元仿真进展

c）刀具磨损的产生原因、分布和影响因素的仿真研究，为改善刀具表面的摩擦、磨损和失效性能，提高刀具有效寿命提供依据。

d）切削过程中的应力不能在所需的时间和空间分辨率中测量，而有限元仿真可以很好的研究残余应力的变化和分布情况，如图7所示。

图7 不同类型残余应力的有限元仿真模型

3）回顾了在微观切削过程中，建立有限元模型模拟材料去除机制，重点介绍了切屑形成中未切削切屑厚度，微切削力，微刀具磨损，微切削残余应力和微观组织演化的有限元建模与宏观切削的区别。

a）考虑尺寸效应，进一步研究从塑性变形到剪切的临界状态，对工件表面质量的提高具有重大意义，如图8所示。

图8 切削力系数、比切削力、切削力等随未切削切屑厚度和切削刃半径的变化

b）在微铣削加工中，微铣刀刚度相对较差，导致它对切削力非常敏感，如图9所示。

图9 微铣削中切削条件对切削力影响的有限元模型

c）刀具刃口半径、刀具磨损、刀具涂层和微观尺度材料均匀性等对于微铣削质量的影响不可忽略。

d）比较J-C模型和加入应变软化效应的改进J-C模型，改进J-C模型的残余应力有限元仿真结果更接近实验结果，证明了本构模型对残余应力仿真结果的影响。

e）微观组织的仿真精度很大程度依赖与本构模型，综合考虑位错密度、晶粒尺寸和再结晶效应的本构模型将显著提高预测准确性。

4）介绍了有限元仿真与数字孪生和机器学习结合后对仿真预测的实时性和准确性的提高。

a）有限元仿真为分析刀具和工件之间的切削过程提供了重要依据特征。在不同的时间和空间尺度上模拟切削过程，结合数字孪生后，通过融合来自模拟和测量的特征，与只包含一个数据源相比，可以得到更高的预测精度。

b）基于机器学习法的有限元仿真模型可以实时评估，并对未知事件进行准确预测。

三、研究展望

为了真实描述切削过程的材料的力学行为和刀具-切屑-工件接触状态，建立准确的有限元仿真模型，如图10所示，建议研究方向如下：

●仿真模型的完善：1)改进仿真方法，真实模拟切屑-工件分离过程中网格单元的状态。2)真实描述材料的应力-应变关系。3)建立全面的摩擦模型。

●扩展综合模型：1)简化仿真模型的同时也会降低预测准确性。2) 建立综合预测有限元模型，3)联合数字孪生和机器学习。4)建立多尺度仿真模型。

●构建多元集成模型：1)建立一个统一的平台，集成特定切削过程的模型。 2)对有限元仿真软件二次开发，将有限元仿真预测模型向工业应用转化。

图10 基于金属切削过程的多尺度有限元仿真模型展望

文章来源： 航空学报CJA