刀具磨損模擬核心技術簡介

切削加工中的刀具損壞會造成工件報廢，同時也會極大的降低刀具的使用效率、增加生產成本，因此如何準確地預報刀具的磨損對於企業的成本控制和效率提升都具有重要的指導意義。

刀具磨損預測方法主要有三種：經驗公式、解析法和數值模擬。

目前主要是利用刀具耐用度的經驗公式，但是這些公式的應用範圍有限，如果切削加工中的某些工況，如刀具角度、工件材料和切削方式等發生變化，則公式中的係數就不再適用，必需通過大量切削試驗重新確定，因此該種方法難以適應目前高速切削技術及新材料的快速發展；

解析法需要用到刀具應力、刀具溫度、切屑速度、切屑寬度等物理量，而這些物理量的準確值難以獲取且結果與實際存在一定的偏差，因此限制了該種方法在刀具磨損預測中的應用；刀具的磨損是複雜的彈塑性變形動態過程，利用傳統的經驗公式和解析方法已經很難對刀具磨損機理進行定量的分析和研究。

隨著計算機軟硬體技術的發展，通過有限元方法模擬刀具的磨損已經成為可能，並且模擬結果具有直觀、形象的優點，這些為刀具磨損機理的研究及刀具結構的設計提供了理論依據，下面我們就刀具磨損模擬的相關技術進行個簡單介紹，僅供大家參考，歡迎交流。

1.刀具磨損模型

刀具磨損模型主要描述的是刀具體積損失率與切削麵溫度、相對滑動速度、接觸壓力以及切削工況參數之間的關係。常用磨損模型有兩種，分別是Archard 模型和Usui模型。

1）Archard 模型主要適用於硬質材料相對與軟質材料摩擦過程中軟質材料的磨損狀況分析，如機床導軌的磨損分析、曲軸軸頸的磨損分析等，具體模型如下:

式中：p 為正壓力，v 為工件材料相對於刀具的滑動速度，H 為刀具材料的硬度，a、b、c、K 為實驗修正係數。

2）Usui模型主要適用於連續加工過程，如金屬切削加工，具體模型如下:

式中：p 為正壓力，v 為工件材料相對於刀具的滑動速度，T 為刀面絕對溫度，a與b 為特徵常數（主要由切削參數及材料決定）。

3）除此之外，我們也可以利用基本模型的數據：滑動速度、接觸壓力和接觸面溫度進行子程序開發以定義其他的刀具磨損模型。

2.網格重劃分技術

切削模擬過程中，受刀具磨損的影響刀具幾何形狀逐漸發生改變。如果網格劃分不當就容易產生網格畸變，進而在網格變形以及溫度迭代計算過程就會產生不收斂現象，這會在一定程度上影響模擬數據的準確性，嚴重的會導致計算停止。

利用ALE自適應網格技術可以解決由於大塑性變形導致單元畸變的問題，當單元在切削模擬過程中達到模擬前處理中所設置的網格重劃分標準或者網格不可用（雅克比矩陣為負值）的情況下，網格就會自動重劃分。刀具磨損模擬中的四個網格重劃分標準：單元穿透率、刀具行程、切削時間、增量步長。在模擬過程中，我們可以根據具體工況和精度、效率等要求靈活調整以上標準的具體值，也可以使用軟體默認的數值。

3.刀具磨損模擬流程

4.刀具磨損模擬軟體

可用於刀具磨損的模擬軟體有四種，分別是：abaqus、dyna、advantedge和deform。其中前兩種屬於通用模擬軟體，後兩種屬於專用切削模擬軟體。Advantedeg軟體的刀具磨損目前只支持Chip Load 為常數的2D車削、3D車削及3D環槽,不支持塗層刀具。Deform軟體可以做二維和三維的車削、銑削和鑽削刀具磨損模擬。

5.刀具磨損模擬技術展望

目前的刀具磨損預測大多是假設刀具為正常磨損，忽略了崩刃、剝落等破損情況，可以將這些破損方式加以考慮進行進一步研究，使模擬與真實的刀具磨損過程更加接近。刀具磨損率方程較多，但大多為基於某種單一的磨損機理建立的方程。磨損率方程中的係數大多由切削碳鋼獲取且年代較久，難以適應目前工件材料和刀具材料的快速變化，應用這些方程進行模擬有可能獲得錯誤的結論，因此今後在建立新的磨損率模型方面可以做進一步研究。

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