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摘要：薄壁铝制工件在加工过程中常出现变形现象。以金属切削基本理论为依托，介绍了有限元仿真建模技术。重点探讨了薄壁工件加工变形的基本理论，特别是针对薄壁铝件材料属性的模拟分析。通过仿真分析工件加工过程中的应力场、应变场、温度场和切削力的变化情况，与理论切削力计算结果进行详细对比，验证ABAQUS软件在预测薄壁铝制工件加工过程中的仿真准确性。研究成果可以为探索薄壁铝制工件加工变形的原因提供理论依据，进而为提升薄壁工件加工制造精度奠定技术基础。这不仅有助于深入理解金属切削机理，还能指导实际生产中的加工操作，减少因加工变形而导致的质量问题，提高工件的加工精度和成形稳定性，从而推动工艺技术的进步和应用领域的拓展。
关键词：薄壁零件加工；金属切削加工机理；有限元技术
0引言
金属切削加工工艺是由刀具在工件材料表面去除多余材料层以获得理想的工件形状、尺寸、位置与表面光洁度的机械加工方法[1]。金属切削加工过程是一个很复杂的过程，涉及弹性力学、塑性力学、断裂力学、损伤力学以及热力学、材料学、摩擦学等诸多领域[2]。
薄壁零件的加工变形一直是机械加工中最突出的难题之一[3]。为了解决薄壁零件加工过程中的变形问题，有限元仿真技术应运而生且应用越来越广泛。有限元切削仿真技术，以切削理论分析为基础，仿真建模计算为阶梯，实验加工为验证，形成了三者相辅相成的理论体系，可以准确地预测金属切削过程中各参数的变化。
本文基于金属切削基本理论深入分析了金属切削机理，并详细介绍了有限元仿真技术的应用。研究选取了某薄壁铝件作为研究对象，通过有限元分析方法验证和探讨了金属切削理论。文章对比分析了动态切削和静态切削两种有限元仿真技术的特点，为后续深入探索薄壁密封件加工变形规律、优化加工参数提供了坚实的仿真理论基础和方法论支持。这些研究成果不仅有助于理解和优化薄壁铝件的加工过程，还能为提升工件加工质量和稳定性提供重要的理论指导和实际应用价值。
1金属切削基本理论
1.1切削变形机理
切削加工是工件材料在刀具施加力的作用下，经历弹性和塑性变形，最终形成切屑的过程。在此过程中，通常会出现3个主要的变形区，图1所示为刀具切削加工过程工件变形区。
通过对切削过程工件变形区示意图分析可得出，切削过程在工件上形成了应力应变较为复杂的3个主要变形区，集中在与刀具接触点位置，大部分切屑顺刀具切削运动流出，少量切屑留在了已加工表面。为深入研究薄壁零件加工变形问题，需分析工件切削层的3个变形区。如图2所示。
（1）第1变形区：在OMAO区域内工件发生严重的塑性变形。刀具切削刃对工件进行挤压切削，使得工件切削层短时间内从OA处开始发生晶格剪切滑移到OM处剥离结束，此变形区产生大量切屑。
（2）第2变形区：此变形区是由切屑与刀具切削运动挤压摩擦，在刀具刀尖接触部位产生的。由于切屑受到刀具摩擦挤压，此变形区易形成积屑瘤，影响工件加工精度。
（3）第3变形区：金属切削层在切削过程中会受到弹塑性变形，刀具走过之后部分弹性变形便会恢复，在这个过程中加工表面便和刀尖和后刀面发生挤压和摩擦，形成加工硬化的表面并导致晶格纤维化[4]。
通过对工件3个主要变形区的分析发现，刀具切削刃与工件接触点位置为3个变形区的起点，切削加工产生的切屑大部分随刀具流出，小部分被刀具刀尖挤压，附着在工件切削层表面，该接触位置应力集中且复杂。
1.2切削力的产生
在进行切削加工时，刀具的刀刃会同时承受径向和切向切削力[5]。在此过程，刀具受工件的塑性变形阻力和切削过程中各接触面的挤压摩擦阻力，要实现切削运动，必须克服阻力，作用在刀具上的阻力主要来源于工件的3个变形区，切削力来源如图3所示。
由图3分析可知，分散在工件3个变形区的阻力能合成1个力，形成了一个总的切削力F，但在进行切削力计算时，为了便于对切削力进行计算，将总切削力F进行正交分解，分解为切向的主切削力FZ、径向的背向力FN和轴向的进给力FX 3个相互垂直的分力来进行分析计算，切削分力如图4所示。
（1）主切削力FZ：主运动方向的分力，是切削运动中的主要作用力。
（2）径向力FN：垂直于工件运动方向的力，径向分力是对工件加工精度，表面质量的重要影响因素。
（3）轴向力FX：进给运动方向的分力，常用于工件的强度、刚度校核。
2切削仿真建模理论
切削仿真中工件加工变形受到切削参数，装夹方式，材料模型，接触模型，网格划分等因素的影响。ABAQUS软件自身提供的功能模块建立几何模型和划分网格，能够减少不必要的网格划分错误和数据丢失[6]。同时在有限元模型的建立过程中，考虑到一些细小的特征对结构性能影响较小，去除部分局部特征[7]。
2.1材料的热-力耦合本构模型
在切削过程中切削温度和切削摩擦力非常复杂，涉及切削力、温度和应力等问题，并且切削过程的温度和摩擦条件非常复杂，切削过程是一个高度非线性的热-力耦合过程[8]。
早期仿真模型通常将材料模型定义成简单的线弹性材料，随着精确要求的提高，要考虑材料的塑性流动，将材料的应变认为是应力、温度、应变率等因素的综合作用[9]。建立合适的材料本构模型可以准确反映出材料应力-应变-温度之间的数值关系，是仿真的第一步，选择合适的材料模型，可以对薄壁件加工变形进行合理的预测。
本文采用切削中常用的Johnson-Cook本构模型[10]，因其能够较好地描述金属材料在切削加工中高应变速率下的应变硬化效应、应变率硬化效应和材料热软化效应，而且形式简单，参数容易获取[11]，建立起数学关系模型可有效反映应力-应变-温度三者在加工过程中的相互影响情况，Johnson-Cook本构模型满足大部分金属材料弹塑性变形和塑性失效的情况，仿真结果精度较高，其模型构造公式为：
式中：A为屈服强度；B为应变硬化系数；C为应变率强度系数；n为硬化指数；m为热软化系数。
2.2材料切屑分离准则
切屑与工件材料发生分离的机制是非稳态切屑模型中极为重要的关键技术，一直以来就是研究的热点[12]。在切削仿真中，选择合适的切屑失效分离准则是准确实现切削仿真的关键。目前在金属有限元切削仿真中有几何分离和物理分离两种常用的切屑分离准则。
通过对比发现，使用几何分离准则建立的模型计算便捷，但精度低且对切屑产生过程不能准确描述；物理分离准则建立的模型更贴近实际加工。
这里采用Johnson-Cook模型的剪切失效准则，适用于工件材料加工大变形造成的材料失效问题，以剪切失效模型参数损伤值作为切屑分离界线，当损伤参数小于1时，材料模型处于弹塑性变形时期，未达到材料失效临界点，当损伤参数大于或者等于1时，切削层材料单元发生晶格剪切失效，切屑分离由此开始，失效参数表达式如式（2）所示。
式中：ω为失效参数；Δpl为等效塑性应变增量断裂应变；l为等效塑性应变；l为断裂应变值，其中断裂应变值求解公式为：
式中：p为压应力；q为Mises应力；p/q为无量纲压偏应力比；ε̇pl为等效塑性应变率；d1、d2、d3、d4、d5为工件低于转变温度的失效参数；Ė0为参考应变率；值由式（4）确定。
式中：θ为当前温度，℃;θmelt为工件熔点，℃;θtransition为转变温度，一般为常温，℃。
2.3摩擦模型
摩擦是金属切削加工中的重要一环，无论是理论分析、实验还是仿真都要考虑到刀具与切屑及已加工表面之间的摩擦情况。它受很多因素影响，同时也影响着切削力、温度场的分布等[13]。
建立合理的接触摩擦模型可以准确描述切削过程中工件的应力、应变和切削热等变化。在接触区域，刀具前刀面受力不均匀，在ABAQUS软件中，将刀具与工件的摩擦分为黏结摩擦和滑动摩擦，如图5所示。
本文采用Zorev提出的修正库伦摩擦模型[14]，公式如下
在大多数有限元切削仿真中，将刀具设置成刚体，采用罚接触算法来增加收敛性，如果接触双方都是易变形的，采用运动接触算法。
2.4工件-刀具热传递模型
切削热存在于切削加工中。由于工件和刀具接触部位温度高，远离切削层部位温度低，存在区域温度差，产生的切削热会发生热传递现象。通常，将金属切削看成瞬态过程。图6所示为工件-刀具切削热传递模型。
将金属切削加工过程视为稳态绝热过程，其中主要的切削热来源是刀具切削工件时产生的弹塑性变形所转化的热量。工件切削层区域的温度远高于刀具温度，因此在工件与刀具接触处会发生热传递现象。考虑热能平衡和工件材料的理想化各向同性性能，切削热传递方程如下：
式中：λ为导热率；Q̇为体积热产生率，Q̇数值由式（7）求得。
式中：Wh为材料变形做功转化为热量的比例，取0.9；为等效应力；̇为等效塑性应变率；J为当量系数，取1.0；ρ为密度，kg/m3；C为比热容，J/（kg·℃);T为温度，℃;ux、uy和uz为切削热在x，y，z方向上的传递速度。
除了刀具切削工件变形做功产生热量外，还有刀具与切屑、工件已加工表面产生的摩擦热，摩擦热量如下：
式中：qf为摩擦热量，J；f为摩擦应力，Pa；vr为相对速度，m/s。
在ABAQUS软件中，将接触摩擦热均分，即刀具与切屑所接触摩擦部分产生的切削热，刀具和切屑各占50%的热量。
2.5网格划分
金属切削加工是一个热力耦合作用下具有非常复杂的几何非线性特征的大变形过程[15]，在使用有限元软件进行仿真时，常简化为二维模型来进行仿真，虽然计算效率提高，但无法真实反映金属切削加工过程。在有限元软件中，根据实际加工情况，对刀具、工件进行参数设置并进行相应的网格划分[16]，建立初始状态下的三维切削有限元模型。
实际切削加工表现为工件材料的去除形成切屑，在有限元软件中则表现为工件网格失效脱离。运用ABAQUS有限元软件对工件-刀具进行合理的网格划分，工件待加工区域采用局部网格划分技术，在工件与刀具接触位置，因应力较为集中，为了确保仿真的准确性，对工件上的切削区域以及加工刀具的接触区域进行网格细化[17]。工件远离切削层的区域发生的应力应变较小，不进行网格细化处理，这样划分薄壁零件网格，既满足仿真准确性又提高仿真效率。选取三维切削仿真网格划分情况作为示意图，如图7所示。
3切削有限元仿真建模
有限元仿真技术应用于零件加工变形的研究，主要有动态加工分析和静态加工分析，动态切削仿真建模技术基于显示分析和动力学原理，使用ABAQUS/Explicit分析模块进行分析。静态仿真模型使用隐式分析，使用ABAQUS/standard分析模块进行分析求解，这两种方法不仅在计算效率和运算速度上有显著差异，适用条件也各有侧重。因此，基于有限元仿真技术，选择合适的仿真方法可以得到仿真的最佳效果。对于探究薄壁件加工变形，有必要运用不同的仿真技术进行研究。
ABAQUS有限元软件可以通过建立工件与刀具的二维有限元模型，得到工件在不同切削深度下的应力应变，有利于从理论上更加直观清晰地认识和了解金属切削工艺[18]。
3.1基本信息
薄壁件材料以铝为例，铝制材料轻质高强，泊松比为0.3，密度较低，约为7 850 kg/m3，基本参数如表1所示。
切削加工过程伴随着复杂的物理变化，弹性模量等属性会随着切削产生的切削温度而变化，各参数变化如表2所示。由表可知，弹性模量与温度成反比例关系，在进行仿真时应选择合适的参数。
由表3可知，比热容与温度成反比例关系，在进行切削仿真时，选择合适的比热容。
由表4可知，导热率与温度成反比例关系，在进行切削仿真时选择合适的导热率。
刀具材料性能如表5所示。本文建立的Johnson-Cook本构模型如表6所示。
3.2三维模型的建立
在切削有限元仿真中，要考虑有限元建模的本构参数和切屑分离准则[19]。三维仿真切削计算量较二维仿真计算量大，通常采用二维切削进行加工仿真处理，但二维仿真并不能准确地反映出真实切削情况。
应用有限元软件建立薄壁件动态切削仿真模型，为避免仿真过程中工件旋转，将工件固定，刀具设置刚体，刀具围绕工件进行切削运动，将工件旋转运动转化为刀具旋转。选取工件一部分进行切削仿真，可降低仿真计算量。刀具选用常用的硬质合金材料，初始温度场设置为20℃,工件选用8节点热耦合六面体单元，刀具选用4节点热耦合六面体单元，刀具前角为0°,摩擦因数设置为固定值1，其仿真简化模型如图8所示。
3.3应力场分析
根据有限元ABAQUS软件仿真建模理论分析，建立简化切削模型可提高仿真计算效率，仿真切削在切削速度为4.87 m/s，背吃刀量为4 mm，进给量为0.5 mm的切削参数下进行，由建立的有限元切削模型获得加工过程中工件的应力场变化，如图9~10所示。根据图可知，在切削加工过程中工件最大应力主要集中在工件第一变形区，刀具与工件切削层材料发生挤压，产生应力应变现象，当受到的应力超过材料屈服极限时，发生晶格剪切滑移，产生切屑，在工件表面形成一条剪切带，整体应力大约为375~413 MPa，最大达到450 MPa。产生的切屑随刀具流出，切屑上的应力得到释放，大约在220~260 MPa。在切削仿真过程中，由于出现单元网格失效造成应力值偏大而产生奇异点。从云图中可知，应力主要分布在工件切削层下方区域，在150~260 MPa范围内。随着切削加工的进行，远离切削层区域，应力逐渐减小，切削层附近应力变化是个动态过程，说明残余应力在加工过程中已重新分布，应力变化符合金属切削基本理论结果。
3.4温度场分析
根据金属切削变形基本理论，切削热主要来源于刀具切削工件切削层产生弹塑性变形做功和各接触面的摩擦。图11~12为薄壁密封件切削仿真得到的工件和刀具温度场变化云图。
从图11~12工件切削仿真温度场变化云图可知，从刀具切削开始到稳定切削，有3个区域产生切削热，即工件切削层材料与刀具剪切面区域、切屑与刀具接触摩擦区域、刀具与已加工表面摩擦区域。其中远离切削层的地方和已加工表面温度较低，大约为210℃,最高温度在切屑上，高达420℃。切屑上的温度一方面因为切削作用工件剪切变形将热量传递给切屑，另一方面切屑与刀具的摩擦，使切屑温度逐步升高。随着切削运动的进行，产生的切屑越来越多，其中大部分切削热量被切屑，剩下的一小部分切削热通过热传递分散到工件上。从图13可知，刀具前刀面因与工件切削层挤压产生切削热，同时切屑的摩擦也会给刀具前刀面产生一部分热量，所以切削热在刀具前刀面上温度最高，综上分析可知，切削温度变化符合金属切削基本理论。
3.5切削力分析
通过上节建立的工件动态切削仿真模型，将切削速度vC=4.87 m/s，背吃刀量ap=4 mm，进给量f=0.5 mm/r的切削参数施加到动态切削模型中，得到曲线，并将结果与经验公式计算结果对比，仿真切削力变化如图14所示。
在金属实际加工过程中，切削力大小通常是机械加工过程中的实际加工经验数据，采用经验公式计算所得，为了验证仿真切削力变化的准确性，采用式（9）~（11）进行验证：
式中：CFx、CFy、CFz为系数，根据材料性质和切削条件确定；KFx、KFy、KFz均为修正系数的积；系数CFx、CFy、CFz和指数xFz、nFz、yFz、xFy、yFy、nFy、nFx、yFx、xFx在切削用量手册查得[20]。
已知车床在粗加工密封的参数：转速n=300 r/min，进给量f=0.5 mm/r，背吃刀量ap=4 mm，切削速度4.87 m/s，对切削力进行计算，结果Fx≈815 N；Fy≈360 N；Fz≈887.7 N。
从图14中可以看出，在此切削参数下，仿真切削力曲线出现非线性的变化情况为先增加，后在一定的范围内保持稳定的波动，切削合力稳定波动区间为800-1 000 N。这主要是因为在切削过程中，除了切削层材料出现的弹塑性变形导致的较大阻力外，切屑与刀具之间的摩擦力也逐步上升，导致切削力增大，切屑脱离工件，形成稳定的切削带，切削力达到稳定状态，区间均值大约在900 N左右，切削力经验公式计算所得切削力大小为887.7 N，仿真结果与计算结果接近，但存在一定的误差，主要原因有2个：（1）仿真是在一种理想条件下进行的，未考虑实际加工过程中其他出现的影响因素；（2）有限元网格的划分得越精细，仿真结果越准确，在仿真过程中可能出现网格失效，造成计算误差。
4结束语
本文深入分析了金属切削加工变形的基本理论，结合有限元仿真建模技术，针对铝制薄壁工件的特性建立了切削仿真模型。研究过程中，通过仿真分析工件的应力场和温度场变化情况，验证了仿真结果与金属切削基本理论的一致性。特别是在薄壁工件加工过程中，针对切削力的仿真研究，并将仿真结果与计算结果进行对比分析，结果显示仿真切削力在稳定波动区间内，有效验证了有限元仿真在预测薄壁工件加工过程中的准确性。为探究薄壁铝件加工变形提供了实际数据支撑。通过仿真模型的建立和分析，可以进一步优化薄壁工件的加工工艺参数，提升加工过程中的稳定性和精度。
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