基于ANSYS的高速切削外圓車刀強度分析

黃曉華

（蘇州工業(yè)職業(yè)技術學院，江蘇 蘇州 215008）

外圓車刀作為金屬切削加工中應用最為廣泛的一種刀具，在中低速切削加工條件下，相關的文獻資料所推薦的切削參數(shù)大部分都是經(jīng)長久性實踐證明的結(jié)果，被眾多加工行業(yè)所借鑒。隨市場競爭的日益激烈，目前，高速切削加工技術已經(jīng)成為提高生產(chǎn)率和加工品質(zhì)、降低成本的主要途徑，但由此帶來的刀具壽命問題一直備受關注。因此，利用有限元數(shù)值分析軟件研究外圓車刀的高速切削加工機理，特別是對高速切削刀具強度進行理論分析，從而了解車刀內(nèi)部應力分布情況，對合理選擇刀具結(jié)構，改善刀具受力情況，延長刀具壽命具有實際工程意義。

1 高速切削試驗條件及切削力的計算

在比常規(guī)切削速度高出很多的速度下，進行的切削加工稱為高速切削。目前，各國對高速切削的速度范圍并沒有統(tǒng)一的定義，通常把高出常規(guī)切削速度5～10倍的切削速度稱為高速切削。因此本文選用GSK980TDb型數(shù)控車床，確定高速切削試驗切削參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速Vc=500 m/min，進給量f=0.5 mm/r，背吃刀量ap=3 mm，選用的車刀刀桿是幾何尺寸為B×H=16×25，L=200的45鋼，刀片材料為涂層硬質(zhì)合金YT15，查文獻[2]得刀具材料的強度極限σb=6 00 MPa，屈服極限σs=355 Mpa，彈性模量E=206 GPa，泊松比μ=0.27，車刀主要角度：主偏角Kγ=7°，副偏角 Kγ'=10°，前角 γ0=5°，后角 α0= α0'=8°，刃傾角 λs=-5°，被加工材料為 σb=637 MPa的碳素結(jié)構鋼。

硬質(zhì)合金車刀車削外圓過程中產(chǎn)生的切削合力Fr可以分解為三個分力，即主切削力FC、進給抗力Ff和切深抗力Fp。查文獻[3]得切削力的經(jīng)驗計算公式為：

式中，

ap為背吃刀量，mm；

f為進給量，mm/r；

νc為切削速度，m/min；

CFc、CFp、CFf表示取決于被加工材料和切削條件的系數(shù)；

xF、yF表示各參數(shù)對切削力影響程度的指數(shù)；

KF表示實際加工條件各種因素對切削力的修正系數(shù)的乘積。

以上系數(shù)和指數(shù)可通過查文獻[4]而得，并代入切削分力計算公式，得各切削分力如下：

2 有限元模型建立及分析

2.1 ANSYS軟件功能簡介

有限元單元法是數(shù)值計算方法中在工程分析領域應用最為廣泛的一種計算方法。其是物理現(xiàn)象（幾何和載荷工況）的模擬，是對真實情況的數(shù)值近似，可以通過對分析對象劃分網(wǎng)格，求解有限個數(shù)值來近似模擬真實環(huán)境的無限個未知量。ANSYS軟件作為一種有限元分析軟件，已成為CAE和工程數(shù)值模擬的有限工具，利用ANSYS軟件進行有限元結(jié)構的力學分析時，通過對所施加的載荷進行數(shù)值模擬，分析應力應變集中區(qū)，達到強度分析和優(yōu)化設計的目的。

ANSYS分析過程中包含3個主要的步驟：

（1）創(chuàng)建有限元模型；

（2）施加載荷和邊界條件，求解；

（3）結(jié)果評價和分析。

2.2 外圓車刀幾何模型的建立及有限元網(wǎng)格的劃分

外圓車刀幾何模型的建立步驟為：利用CAD軟件UG建立外圓車刀的三維實體模型，在ANSYS文件菜單中導入該幾何模型，并建立三維有限元模型。

外圓車刀有限元網(wǎng)格的劃分步驟為：定義外圓車刀單元屬性，在幾何模型上定義網(wǎng)格屬性和劃分網(wǎng)格。劃分單元，采用8節(jié)點六面體Solid45，采用自由網(wǎng)格劃分技術劃分網(wǎng)格，并且對刀頭和刀桿分別設置不同的網(wǎng)格密度，刀頭網(wǎng)格劃分較細，是為了能更精確地反映加工過程中內(nèi)部的應力分布情況，而刀桿網(wǎng)格劃分較粗是為了節(jié)省計算時間。最終將車刀劃分為 3 807節(jié)點，1 8871個單元。

2.3 施加載荷和邊界條件及求解

為保證車削加工工件的尺寸精度，不允許刀具在切削過程中有相對于刀架的移動，因此，需要在刀具末端施加全部的位移約束。考慮刀尖受力最不利的情況，將FC、Ff和Fp集中作用于刀尖一點進行模擬施加載荷，得到刀具內(nèi)部應力分布及大小如圖1～圖4所示，應變分布大小如圖5所示，全部自由度解USUM分布大小即位移等值線圖如圖6所示。

圖1 von Mises應力

圖2 第一主應力

圖3 第二主應力

圖4 第三主應力

圖5 von Mises應變

圖6 位移等值線圖

2.4 結(jié)果分析

由圖1可知，車刀刀尖部位即第9個節(jié)點處的應力最大，最大應力值為521.879 Mpa；由圖5可知，刀尖部位的應變也達到最大，最大應變值為0.002 694 m；由圖6可知，最大合位移為0.019 5 mm。由以上的數(shù)據(jù)，我們可以知道：車刀刀尖部位和主切削刃是最易失效的部位。因此，在切削時，一方面必須增強刀頭強度，除采用采用高強度、高硬度的刀片材料，還可在刀尖處磨圓弧過渡刃或負刀刃，提高刀具的使用壽命；另一方面隨著切削時間的增長，刀具會發(fā)生塑性變形，還必須通過調(diào)整切削參數(shù)來降低刀尖和刀刃的應力，保證工件的加工精度。由圖2、圖3和圖4可知，第一主應力、第二主應力和第三主應力最大值分別為 -320.868 Mpa、-486.199 Mpa 和 -847.528 Mpa。其中，第三主應力略大于刀具的強度極限，但以上分析結(jié)果是建立在載荷集中作用于刀尖的基礎上的，因此，會造成計算結(jié)果比實際值大。若采用ANSYS非線性分析，計算結(jié)果會更為準確，在實際應用中能以以上理論分析為依據(jù)，適當減小背吃刀量來減小切削力，控制各應力在允許值內(nèi)，這樣在保證平穩(wěn)切削的同時還保證了較高的切削效率。

3 結(jié)束語

高速切削刀具內(nèi)部應力和應變分布大小及其變化規(guī)律是高速切削工藝分析的重要依據(jù)，利用ANSYS有限元軟件能有效地實現(xiàn)切削過程中刀具內(nèi)部應力場大小及分布的數(shù)值模擬，并且可以找出加工中刀具危險點的位置，為合理選擇切削參數(shù)，合理設計刀具幾何角度提供了可靠的理論依據(jù)，有利于延長刀具使用壽命，保證高速切削的生產(chǎn)效率。

[1]艾 興，等.高速切削加工技術[M].北京：國防工業(yè)出版社，2003.

[2]機械設計手冊編委會.機械設計手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2008.

[3]陸建中，孫家寧.金屬切削原理與刀具[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[4]寧仲良.刀具強度的有限元數(shù)值模擬分析[J].工具技術，2003，(3):16.