第13章车削

第十三章车削本章导读车削加工是机械行业的经典问题。DEFORM-3D自带有模拟车削过程的模块，鉴于上一章已经通过钻削模块进行了钻削模拟，本章通过在普通前处理环境设置各参数进行车削的模拟，介绍了软件在设置模拟参数时的实际应用功能。13.1车削简介车削是工件旋转、刀具径向和轴向进给达到层层切削工件表面的目的的工艺过程。DEFORM-3D中对车削过程的模拟是以工件上的一小段表面为研究对象的，已切削表面（Cutsurface）、待切削表面（Uncutsurface）、分析区域（Analysisdomain）如图13-1所示。图13-1车削加工示意图DEFORM-3D中的车削仿真模型和实际加工条件相似，都是用切削速度（Cuttingspeed）、进给量（Feed）、切削深度（Depthofcut）三个主要的运动参数进行描述的，如图13-2所示。图13-2仿真模型13.2前处理车削在普通前处理环境下比车削模块环境下对参数的设置更开放，仿真效果更能符合用户的需求，当然其参数的设置过程也较为复杂，包括：导入工件和刀具、网格划分、定义材料、添加边界条件、设置刀具位置及运动参数、设置模拟控制参数、定义对象间关系等。13.2.1新建项目打开DEFORM-3D软件，进入DEFORM-3D主界面，单击【File】→【NewProblem】，选择普通前处理（Deform-3Dpreprocessor），单位选择English（英制），如图13-3所示。图13-3新建项目单击【Next】，默认存储路径，设置Problemname为Turning，打开Deform-3D普通前处理界面，如图13-4所示。图13-4前处理界面单击前处理界面中（模拟控制）按钮，在模拟控制窗口中单位选择英制（English），勾选传热HeatTransfer确定温度计算，如图13-5所示图13-5模拟控制单击【OK】关闭模拟控制窗口。13.2.2定义工件1）在前处理界面中选Workpiece，依次单击及，从安装目录\SFTC\DEFORM\v10.2\3D\LABS文件库中导入工件TurnWorkpiece.stl，如图13-6所示。图13-6工件库单击【打开】在前处理界面导入工件，几何形状如图13-7所示。图13-7工件几何形状2）点击为工件划分网格，如图13-8所示图13-8网格划分单击DetailedSettings，在General中选择Absolute（绝对划分方式），最小单元尺寸设为0.004in，比率为6[1]，如图13-9所示。图13-9绝对方式单击WeightingFactors，设置MeshDensityWindow为1，其他都为0，如图13-10所示[1]本例中进给量为0.012in，设置最小网格尺寸为1/3进给量=0.004in，比率一般取6~8。图13-10权重因子单击MeshWindow，在MeshWindow界面中单击，然后点工件左端要加工的区域附近添加网格细化窗口Window1，如图3-11所示。图13-11细化窗口设置窗口中单元尺寸为最小尺寸0.004in，如图13-12所示。图13-12细化最小尺寸依次单击【SurfaceMesh】和【SolidMesh】使工件产生表面、实体网格，如图13-13所示图13-13工件网格单击保存数据，然后单击删除网格细化窗口。选WeightingFactors，设置MeshWindows为0，应变为0.650，应变率为0.350，其他为0[2]。如图1.14所示，然后点击保存设置。[2]网格划分好后再调整权重因子，是为后边模拟计算过程中网格重划分时提供依据。图13-14权重因子调整3）单击前处理界面按钮，然后单击（Loadmaterialfromlibrary）按钮为工件定义材料，材料选材料库中的steel→AISI-1045(Machining)，点击【Load】，如图13-15所示。图13-15材料库4）点击为工件添加边界条件，如图13-16所示。图13-16设置边界条件旋转工件至底面可见，选择velocity（速度）→x方向，点击工件底面，单击按钮，在velocity（速度）下方会出现X,Fixed，如图13-17所示。图13-17底面沿x方向固定为Y、Z方向重复上述过程添加边界条件，在velocity（速度）下方会出现X,Fixed；Y,Fixed；Z,Fixed。此时工件沿X、Y、Z方向被固定。如图13-18所示。图13-18底面固定然后在边界条件中选择HeatExchangewithEnvironment，选定工件散热表面，单击添加为导热面。HeatExchangewithEnvironment下方会出现“Defined”。如图13-19所示。图13-19热交换面13.2.3定义刀具1）单击（插入对象）按钮添加刀具，设置名称为Tool，属性为Rigid（刚体），依次单击、按钮，从刀具库中选择刀具如图1.18所示。图13-20刀具库本例选择DNMA432.STL刀具（安装目录\SFTC\DEFORM\v10.2\3D\Machining\Insert），单击【打开】导入刀具，如图13-21所示图13-21工件刀具视图2）点击按钮为刀具划分网格，选择相对方式，设置网个数10000，如图13-22所示图13-22刀具网格划分单击DetailedSettings，将WeightingFactor中MeshDensityWindows设为1，其他为0，如图1.21所示图13-23权重因子单击MeshWindow，单击按钮，在刀具切削刃附近添加细化窗口，比率[3]设为0.1，如图13-24所示。图13-24细化窗口依次单击【SurfaceMesh】和【SolidMesh】生成刀具网格，如图13-25所示。图13-25刀具网格3）单击（Loadmaterialfromlibrary）按钮，为刀具添加材料，材料选钴含量为15%的硬质合金，对应材料库中的DieMaterials→Carbide(15%Cobalt)，如图13-26所示，单击[3]此处比率的含义为：细化窗口内网格尺寸大小/窗口外的网格尺寸【Load】加载。然后保存数据。图13-26材料库4）设置刀具运动控制参数。本例中，切削速度为100in/sec，进给量为0.012in/r，切削深度0.02in。为了能够预览刀具运动，先在模拟控制窗口中定义运动步长，点击（模拟控制）按钮，设置步长[4]为0.001in。单击按钮设置运动参数，运动方向选择Y方向，输入100in/sec。如图13-27所示。此时可以单击界面中的（Previewobjectmovement）按钮预览刀具运动。图13-27定义运动[4]步长一般设置为最小网格尺寸的1/5—1/3，此处设为1/4，工件最小网格尺寸为0.004in，故步长设为0.001in。5）设置刀具边界条件。点击按钮，在边界条件设置中选择HeatExchangeWithEnvironment，全选刀具表面，然后单击按钮使全部表面与环境热交换，在HeatExchangeWithEnvironment选项下方会显示Defined，如图13-28所示。图13-28刀具边界条件13.2.4设置模拟控制参数单击前处理界面（模拟控制）按钮打开模拟控制窗口。测量工件长约0.3in，步长为0.001in，故步数设为300设置步数为300，如图13-29所示。图13-29模拟控制设置运动停止条件[5]为沿Y方向0.31in，如图13-30所示。图13-30第二停止条件单击【OK】关闭模拟控制窗口。13.2.5定义位置关系单击（Objectpositioning）按钮设置刀具和工件的相对位置关系。在位置关系窗口中选择Rotational，使刀具绕X轴方向旋转-5°，点击【Apply】，如图13-31所示。读者可以观察刀具的旋转效果。图13-31沿x轴旋转[5]由于后边模拟运算过程中会网格重划分，这样会增加步数，实际步数会大于300步，这里设置第二停止条件，当刀具运动0.31in时终止模拟。用相似的步骤使刀具绕z轴旋转5°，如图13-32所示。图13-32沿z轴旋转然后选择Drag选项，将刀具拖到已加工表面上方，如图13-33所示。图13-33刀具拖至工件上方选择Interference选项，使刀具沿-z轴方向与工件接触，干涉量为0.0001in，单击【Apply】，如图13-34所示图13-34刀具沿z方向接触工件然后选择Offset选项，将刀具沿Z轴方向移动0.0005in使刀具与工件产生一个小的间隙。单击【Apply】，如图13-35所示。图13-35沿z方向间隙调整选择Interference选项，使刀具沿-x方向与工件接触，干涉量为0.0001in，单击【Apply】，如图13-36所示。图13-36刀具沿x方向接触工件然后选择Offset选项，使刀具沿-x方向移动0.012in，点击【Apply】，如图13-37所示。图13-37设置进给量选择Interference选项，使刀具沿Y方向与工件接触，将刀具移动到初始切削位置，干涉量为0.0001in，单击【Apply】，如图13-38所示。图13-38刀具沿Y方向接触工件单击【OK】保存设置并关闭对象位置设置窗口。最终刀具与工件位置如图13-39所示。图13-39相对位置关系13.2.6设置物体间关系单击（inter-object）按钮，默认刀具与工件从属关系，对象关系窗口如图13-40所示。图13-40物体间关系窗口单击按钮进行编辑对象间关系[6]，定义摩擦系数0.6，然后选择Thermal选项，设置热传导系数0.01Btu/sec/in^2/F，如图13-42所示。图13-41设置各关系参数单击【Close】关闭编辑窗口。在图13-40所示窗口中单击（Clicktoaddanewrelation）按钮添加一个新的关系。改变从属关系，设置Master为Workpiece,，Slave为Workpiece，选中Tool-Workpiece关系，然后单击【Applytootherrelations】，将上边定义的摩擦系数和传热系数应用到工件-工件关系中[7]，然后依次单击和【Generateall】按钮默认系统接触容差，如图13-42所示。[6]一般设置车削摩擦系数0.4-0.7，热传导系数0.01Btu/sec/in^2/F（English）≈30N/sec/mm/℃（SI）。[7]添加工件-工件关系是为了定义工件与切屑之间的关系参数。图13-42应用到另一关系单击【OK】退出对象间关系设置窗口。13.2.7检查生成数据单击按钮，然后依次单击【Check】和【Generate】按钮检查生成数据，检查数据时，会警告未激活体积补偿，体积补偿一般用于锻造模拟，用于一些体积有小的变化会引起重大的模拟结果中的情况，在机加工仿真时不用，所以忽略警告，生成数据，如图13-43所示。图13-43生成数据单击【Close】关闭数据生成窗口。单击前处理界面（Quit）按钮退出前处理界面，回到主界面。13.3模拟运算及后处理在主界面中单击【Run】，开始模拟运算。模拟结束后，单击主界面中【Deform-3DPost】打开后处理界面，在后处理界面中，用户可以根据需求查看自己想要的模拟参数结果。