147 / 457
Современные технологии и автоматизация в машиностроении
147
Введение.
Одним из ключевых факторов, определяющих стойкость режущего инструмента
при обработке резанием, как правило, является характер распределения тепловых полей в инструмен-
те. На сегодняшний день поиск точных и практичных методов идентификации данного распределе-
ния является актуальной задачей. Данная информация позволяет правильно подходить к выбору гео-
метрии, материалов положки и покрытия режущего инструмента, а также режима резания. Так, на-
пример, в работе [1] износостойкие покрытия выбираются на основании оценки теплового состояния
токарных резьбовых резцов.
В настоящее время широкое применение получили методы конечно-элементного моделиро-
вания. В таких программных средах, как SolidWORKS, ANSYS, SIMULIA/Abaqus и др., для получе-
ния картины распределения тепловых полей аналитическими методами рассчитывают теплообра-
зующие потоки, которые затем прикладывают на заднюю и переднюю поверхность, а также на ре-
жущую кромку инструмента [2]. Одним из преимуществ данного метода является малое время расчё-
та (от нескольких секунд). Основной недостаток заключается в том, что прикладываемые тепловые
потоки являются усреднёнными и не учитывают неравномерности контактного термомеханического
взаимодействия режущего инструмента и обрабатываемого материала.
Данная проблема может быть решена посредством термомеханического моделирования со-
стояния обрабатываемого материала при больших деформациях и режущего инструмента, что позво-
ляет получить более полную информацию о контактном механическом и тепловом взаимодействии.
Методы такого имитационного моделирования процесса резания представлены в ряде работ [3, 4].
Ограничивающим фактором при этом является время компьютерного расчёта модели. Не-
сколько тысячных секунд имитации процесса обработки резанием при достаточно высокой точности
расчёта может потребовать от 12 часов. Короткий период имитации процесса предоставляет инфор-
мацию о контактных явлениях в зоне резания, однако для получения достоверной картины распреде-
ления тепловых потоков за это время не успевает установиться тепловой баланс.
На основании вышесказанного целесообразно объединить два представленных метода моде-
лирования.
Таким образом, целью данной работы является разработка комплексной модели термомеха-
нического состояния обрабатываемого материала при больших деформациях и распределения тепло-
вых полей в режущей пластине с покрытием в программной среде SIMULIA/Abaqus. Для этого необ-
ходимо решить следующие задачи:
разработать методику теплового анализа посредством комплексной модели процесса резания;
разработать модель термомеханического состояния обрабатываемого материала при больших
деформациях в программной среде SIMULIA/Abaqus;
разработать модель распределения тепловых полей в режущей пластине с покрытием в про-
граммной среде SIMULIA/Abaqus;
получить распределение тепловых полей в твердосплавной режущей пластине с TiAlN-
покрытием для продольного точения стали 42CrMo4 с заданным режимом резания.
Методика теплового анализа посредством комплексной модели процесса резания. Комплекс-
ная модель процесса резания для теплового анализа представлена на рис. 1.
Модель состоит из двух имитационных блоков МКЭ Abaqus: термомеханического состояния
материала и режущего инструмента (Dynamic, Temp-disp, Explicit) и распределения тепловых полей в
режущем инструменте (Heat transfert).
Входными данными для термомеханической модели являются свойства материалов, режим
резания, контактное взаимодействие, коэффициенты закона Джонсона-Кука (описывающие поведе-
ние материала при больших деформациях), параметры режущего инструмента. В блоке моделирова-
ния выполняется имитация термомеханического состояния материала и режущего инструмента для
заданных граничных условий, законов контактного взаимодействия и поведения обрабатываемого
материала при больших деформациях с соблюдением принципов термомеханического моделирования
(принципов соблюдения законов физики, эквивалентности, детерминизма, местного действия, учёта
свойств материала, объективности). Выходные данные термомеханической модели, представленные
контактным тепловым нагружением, одновременно служат входными данными для тепловой модели.
В данной модели посредством имитации с соблюдением граничных условий и принципов моделиро-
вания в качестве выходных данных получают распределение тепловых полей в режущем инструмен-
те.
Для создания модели термомеханического состояния обрабатываемого материала при боль-
ших деформациях (Dynamic, Temp-disp, Explicit) в программной среде SIMULIA/Abaqus разрабаты-