Internal Combustion Engine &Parts
0引言近年来，许多学者针对零件加工过程中的切削力及变形进行了研究[1-2]。本文首先对切削加工过程中的切削力建立预测数学模型，基于Deform-3D 软件，分析活塞切削加工过程中刀具参数和切削参数对切削力的影响，并对理论预测数据与仿真数据进行对比。
1切削力预测模型的建立1.1J-C 流动应力模型
在金属切削加工中，必须充分考虑材料的力学性能，才能够更为真实的模拟金属切削过程。J-C 模型[3]可真实地反映材料在加工过程的热粘塑性变形行为。J-C
流动应力模型方程如下：
（1）
1.2基于Oxley 切削理论的切削力理论模型
金属切削变形区中的剪切区是一个非常窄的区域，受力比较复杂，Oxley 将加工硬化等因素计入切削力模型，切削力模型如图1所示。
在加工区域会产生较高的温度，材料的应力-应变关
系由J-C 流动应力模型来反映，求解出剪切角ϕ，切屑形成力的F r 大小则由滑移线场定律可以求出。
Oxley 剪切
角理论方程[4]为：（2）
沿AB 线的流动应力方程：
（3）
可以得到计入J-C 模
型的Oxley 剪切角方程：
（4）
求得剪切角ϕ之后，就可以推出切削力的求解方程。主切削力为：
（5）
进给抗力为：（6）
切深抗力为：（7）
2Deform-3D 切削仿真及分析2.1切削模型的建立首先，在UG 软件中建立活塞的几何模型，将其导入到Deform-3D 软件中。图2为活塞模型。对整个活塞进行建模并简化后进行切削，简化后划分的网格如图3所示。
2.2仿真结果与分析
这里给出对主切削力F y 的影响规律曲线。切削速度v=200m/mim ，进给量f=0.3mm/r ，背吃刀量a p =0.5mm 时的主切削力模拟加工曲线图如图4所示。选取切削过程中的平均值为此次的切削力。
2.3仿真结果与理论预测计算结果的比较图5a ）、b ）、c ）分别为为切削力随切削速度、背吃刀量、进给量的变化。
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—作者简介：余娜（1992-），女，陕西商洛人，硕士研究生，助教，研究
方向为机械电子工程。
基于Deform-3D 的活塞切削力预测研究
余娜
（杨凌职业技术学院，咸阳712100）
摘要：为了更好地研究活塞的切削加工过程，建立了切削力的预测数学模型，以Deform-3D 软件为平台，利用有限元法对活塞的
切削进行了建模与仿真。研究了切削力随切削参数的变化规律，将预测数学模型计算的数据和仿真数据进行了对比分析，对实际加工过程中活塞所受切削力的预测提供理论依据。
关键词：活塞
加工；切削力；Deform-3D ；有限元
图1切削力模型
图5a ）为a p =0.5mm ，f=0.3mm/r 时不同v 下的F y 仿真值和模拟值对比图。从图中可以看出，随着v 的增大，F y 减小。观察得知，切削力F y 理论值和模拟值的变化趋势是一致的，理论值和模拟值相差不大，二者有相同的一致性。
图5b ）为v=-200m/min ，f=0.3mm/r 不同a p 下F y 仿真值和模拟值对比图。从图中可以看出，F y 随着a p 的增加而不断增大，由于切削深度的增加，面积有所增大，使得F y 增大，切削力理论值和仿真值误差相对较小，仿真值与切削力预测理论模型得到的规律一致。
图5c ）为v=-200m/min ，a p =0.5mm 不量f 下切F y 仿真值和模拟值对比图。从图中可以看出，和背吃刀量类似，F y 随着进给量f 的增加不断增大，由于f 的增大，面积会增加，使得F y 不断增大，切削力理论值和仿真值误差相对较小，仿真值与切削力预测理论模型得到的规律一致。
3结论
本文研究了活塞切削中切削力随切削参数的变化情
况，可以看出，通过Deform-3D 模拟得到的规律和理论模
型得到的规律基本相同，为活塞实际加工过程中切削力的预测提供理论依据。
3d预测专家推荐参考文献:[1]叶建友，吕彦明，徐看，等.基于Deform-3D 的细长杆切削加工仿真研究[J].工具技术，2014，48（1）：17-20.
[2]于国红，楚功，陈惠贤，等.基于Deform-3D 的转子轮槽加工切削力仿真研究[J].新技术新工艺，2014（7）：83-86.
[3]Lee EH ，Shaffer BW.The theory of plasticity applied to a problem of machining [J].Journal of Applied Mechanics ，Transactions of the ASME ，1951，18:405-413援
[4]陈日曜.金属切削原理[M].北京：机械工业出版社，
2002.
图2活塞几何
模型
图3简化后刀具和工件的网格划
分
图4v=200m/mim ,a p =0.5mm ,f=0.3mm/r 时
主切削力F y 仿真曲线
c ）进给量对切削力的影响
图5切削参数对切削力的
影响
a ）切削速度对切削力的影响
切削速度v （m/s
）
背吃刀量a p （mm ）b ）背吃刀量对切削力的影响
进给量f （mm/r ）