基于UG7.5細長桿類數控刀具屈曲響應分析

王繼群,張文兵（北京工業職業技術學院 機電工程學院,北京 100042）

基于UG7.5細長桿類數控刀具屈曲響應分析

王繼群,張文兵
（北京工業職業技術學院 機電工程學院,北京 100042）

摘 要：本文利用UG軟件對細長桿類刀具系統進行屈曲響應分析，計算出了產生失穩狀態的臨界荷載，并對改變刀桿的懸臂長度對臨界荷載的影響程度進行了分析。最后分別采用線性靜態和非線性靜態解算模塊對超荷載狀態下的刀具加以分析，對比驗證了分析結果。

關鍵詞：UG；細長桿類刀具；屈曲響應分析；臨界荷載

隨著CNC雕刻加工技術在數控加工領域的發展，小直徑細長桿類刀具被越來越廣泛的應用。但是在生產加工過程中，隨之也帶來一系列的問題，由于數控精雕類的刀具刀桿較長，極易出現失穩現象，對產品加工精度造成一定的影響，因此，對于所使用的細長桿類刀具進行屈曲響應分析就十分必要[1]。

1　UG軟件的簡介

UG軟件是全球最為高端的工業軟件之一，涵蓋了產品開發的所有過程——設計、制造和仿真分析，廣泛的應用在國防、機械、汽車、電子等各個領域。它實現了CAD/CAM/CAE無縫對接，為企業提供了解決問題的方案。該軟件的計算機輔助分析功能十分強大，其有限元分析種類越來越多，解算功能越來越強，本文以UG7.5版本為平臺，對細長桿類刀具進行了相應的屈曲響應分析。

2　 屈曲響應分析概述

所謂屈曲就是指處于穩定平衡狀態的細長桿類結構當承受荷載達到某一值時，突然喪失平衡狀態，這一過程就稱為失穩或屈曲，相應的荷載稱為臨界荷載。屈曲響應分析主要用于研究結構在特定荷載下的穩定性以及確定結構失穩的臨界荷載，主要包括：線性屈曲和非線性屈曲分析。

線性屈曲是以小位移小應變的線彈性理論為基礎的，分析中不考慮結構在受載變形過程中結構構形的變化，也就是在外力施加的各個階段，總是在結構初始構形上建立平衡方程。我們對刀具系統的屈曲分析絕大多數都屬于線性屈曲分析。

細長桿類刀具在數控加工中，易出現失穩現象，對產品的加工精度產生影響，甚至出現加工事故。為防止出現上述問題，首先就要對其進行屈曲響應分析，求解出臨界荷載，并對刀具結構的其它參數進行適當的分析。下面以細長桿類數控銑刀為例，利用UG軟件的CAE（計算機輔助分析）功能對其進行解算分析。

3　 細長桿類數控刀具系統實例

下面是某精雕企業生產加工高頻鞋模的真實案例。數控刀具就安裝在CNC精雕機上，實例中刀桿直徑較小，懸臂長度較長，如圖1。刀柄和刀桿的材料都是優質合金結構鋼40CrNiMuA，屈服強度是1178MPa，抗拉強度是1240MPa。

4　臨界荷載的求解

4.1 分別建立刀柄和刀桿的有限元分析模型

首先，利用UG軟件的建模功能結合實例建立刀柄和刀桿的立體模型，也可以在其它軟件中創建刀柄和刀桿，利用UG軟件的轉換接口導入模型[2]。之后進入“高級仿真模塊”，分別賦予刀柄和刀桿材料屬性為優質合金結構鋼40CrNiMuA，物理屬性為PSOLID，定義單元類型為3D四面體10節點，最后完成刀柄和刀桿各種網格劃分操作，如圖2。這里的網格數量要適當，太少，有限元分析精度下降，太多，計算量會增加，計算時間會過長[3]。

4.2 建立有限元分析裝配模型

由于我們是對整個刀具系統進行有限元屈曲響應分析，而不是單單分析一個刀桿，因此，需要把這兩個有限元模型進行裝配。裝配的方法與UG中裝配普通立體模型完全一樣，先通過移動和旋轉等動態操作方法，將刀柄和刀具基本對齊，再通過移動組件命令進行調整，使兩個組件完成最終的裝配。裝配后的效果如圖3。我們后面的分析都是以整個刀具系統作為有限元分析對象。

4.3 建立有限元分析仿真模型

首先新建仿真模型，在“解算方案類型”中選擇“SEBUCKL105”（屈曲響應分析專用解算模塊）解算類型。通過“約束類型”命令，設置仿真模型的邊界條件。利用“模型對象”命令，設置刀柄與刀桿之間的接觸條件，由于UG7.5版本中屈曲分析模塊中沒有曲面接觸功能，這里采用曲面粘和功能來代替。再利用“荷載類型”命令，設置作用荷載方向從刀桿端面圓心沿軸線指向刀柄[4]。至此，仿真模型創建完畢，如圖4。

4.4 屈曲響應臨界荷載的求解

臨界荷載的求解是屈曲響應分析中最為關鍵的一步，首先在“仿真導航器”中右鍵單擊Solution1，彈出的快捷菜單中單擊“求解”命令，此時軟件系統進行求解計算，等計算完成后，雙擊“Results”節點[5]。然后進入“后處理導航器”，查看結果，整個刀具系統失穩臨界荷載為2058N，荷載工況節點情況如圖5。（注意：2.058e+003是科學計數法，e代表10，+0.003代表3次方，即2.058×103=2058）

5　改變刀桿的懸臂長度對臨界荷載的影響

上面只是把實例中產生屈曲響應的臨界荷載計算出來了，為了進一步研究細長桿刀具的屈曲特點，改變刀桿的懸臂長度，分析刀具改變結構參數后，對臨界荷載變化的影響[6]。剛才的有限元分析裝配模型刀桿懸臂長度是120mm，現在利用“組件移動”命令把裝配模型刀桿懸臂長度縮短至80mm。然后建立起相應的仿真模型，再進行臨界荷載的求解，方法同上。最后解算的結果是4602N，荷載工況節點情況如圖6。

我們把上述兩個結果進行對比，由此不難得出結論：隨著刀桿懸臂長度的減小，屈曲響應臨界荷載增大。換句話說，刀桿懸臂長度越短，整個刀具系統穩定性越強。

6　刀具線性和非線性靜態分析比較

在數控加工中，如果由于荷載過大，刀桿會進入到塑性變形階段，我們對其進行靜力學分析[7]。在此種情況下，采用線性靜態和非線性靜態兩種解算方案那一個更好呢？我們通過實際的解算來驗證一下。作用荷載選取6010N。

6.1 線性靜態解算

首先回到有限元分析裝配模型狀態下，把刀桿懸臂長度進一步減小到75mm。新建仿真模型，在“解算方案類型”中選擇“SESTATIC101-單約束”（線性靜力學分析專用解算模塊）解算類型。然后在“荷載類型”中把力改為6010N，其它參數不變，進行重新求解。最后在“后處理導航器”中調出線性靜態模型節點應力云圖，如圖7所示，最大應力值是1726MPa，處于刀桿斷面的圓邊處，已經超過刀具材料的屈服強度了。

6.2 非線性靜態解算

還是回到有限元分析裝配模型狀態下，新建仿真模型，在“解算方案類型”中選擇“NLSTATIC106”（非線性靜力學分析專用解算模塊）解算類型。還是把力改為6010N，其它參數不變，進行重新求解。最后也在“后處理導航器”中調出線性靜態模型節點應力云圖，如圖8所示，最大應力值是17000MPa，不是在刀桿端面邊緣處，而是處于刀桿和刀柄的連接處，而此時，刀桿在這么大的荷載下已經斷裂了[8]。

由此可見，當刀具系統在超荷載的情況下，經過彈性變形階段，進入塑性變形階段以后，采用非線性靜態解算比線性靜態解算結果更為準確。

7　結束語

本文以加工高頻鞋模的細長桿類數控刀具為例，利用UG軟件對其進行了屈曲響應分析，取得了很好的效果。根據上述解算的相關數據，就可以采取相應的措施，避免該刀具在數控加工中失穩現象的出現，從而提高模具產品的質量，防止加工事故的發生。隨著小直徑細長桿類刀具被更多的使用，利用UG軟件的CAE功能對其進行有限元分析，解決工程中實際問題的情況也會越來越多，相信在UG軟件的不斷研發、升級下，其有限元分析的功能也會越來越強，在工業生產中會發揮更大的作用。

參考文獻：

[1]彭海.超細長小直徑深孔的加工工藝研究[J].工藝與工藝裝備,2003(11):42-43.

[2]張金偉，李和孝.往復泵介稈的有限元分析方法[J].煤礦機械,2013，34(4):136-137.

[3]杜小東.小直徑銑刀高速銑削淬硬鋼的動力學建模與仿真[D].南

京:南京理工大學,2007.

[4]陳國華.高速加工中小直徑銑刀銑削過程研究[D].南京:南京理工大學,2008.

[5]石嵐，王成勇.高速銑削小直徑立銑刀的有限元分析[J].高速加工與裝備,2007(08):28-30.

[6]徐盛學，李林，鄒忠.小直徑刀具的設計和磨制[J].工具技術,2013,47(02):48-50.

[7]張潔,彭芳瑜,李斌.面向加工特征的小直徑螺旋球頭立銑刀切削力模型[J].機械科學與技術,2006,25(08):895-899.

[8]曹景源.小直徑銑刀銑削淬硬鋼圓弧動態特性及混合推理銑削數據庫研究[D].廣西:廣西大學,2009.

論文課題：大學生科研訓練項目—細長桿類數控銑刀切削加工的屈曲響應分析 編號：110601502/017

作者簡介：王繼群（1978-），男，遼寧康平人，工程碩士，講師，從事數控機械類專業教學及研究工作。