刀具強(qiáng)度的有限元數(shù)值模擬分析
- 2008-5-29 15:37:36
- 來(lái)源：金屬加工在線
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關(guān) 鍵 詞：有限元,數(shù)值模擬
文獻(xiàn)摘要：對(duì)刀具強(qiáng)度進(jìn)行理論分析，了解刀具內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，不僅有利于在加工過(guò)程中合理選擇刀具，而且可為進(jìn)一步改善刀具內(nèi)部受力狀態(tài)、提高刀具使用壽命提供理論依據(jù)。
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1 引言
金屬切削過(guò)程是刀具與工件相互作用的過(guò)程。在機(jī)床—夾具—刀具—工件構(gòu)成的加工系統(tǒng)中，合理選用刀具十分重要。刀具的整體結(jié)構(gòu)、切削刃材料與幾何形狀都會(huì)直接影響刀具使用壽命、工件加工質(zhì)量和切削生產(chǎn)效率。
因此，在切削過(guò)程中，刀具應(yīng)具有較高的強(qiáng)度、良好的韌性、較長(zhǎng)的壽命以及良好的工藝性。對(duì)刀具強(qiáng)度進(jìn)行理論分析，了解刀具內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，不僅有利于在加工過(guò)程中合理選擇刀具，而且可為進(jìn)一步改善刀具內(nèi)部受力狀態(tài)、提高刀具使用壽命提供理論依據(jù)。
2 有限元數(shù)值分析軟件ANSYS簡(jiǎn)介
有限元數(shù)值分析軟件(ANSYS)將現(xiàn)代數(shù)學(xué)、力學(xué)的基礎(chǔ)理論與有限元分析技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合，具有豐富、完善的單元庫(kù)、材料模型庫(kù)和求解器，可利用數(shù)值模擬技術(shù)高效求解各類結(jié)構(gòu)動(dòng)力、靜力和線性、非線性問(wèn)題。ANSYS作為一種有限元分析軟件，已成為CAE和工程數(shù)值模擬的有效工具，是當(dāng)今CADFCAEFCAM軟件中的主流產(chǎn)品之一。
利用ANSYS進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析時(shí)，通過(guò)對(duì)所施加的載荷進(jìn)行數(shù)值模擬，分析應(yīng)力應(yīng)變集中區(qū)，從而達(dá)到強(qiáng)度分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。ANSYS求解的三個(gè)主要步驟為：創(chuàng)建有限元模型(前處理)→施加載荷并求解(求解)→查看分析結(jié)果(后處理)。
3 刀具力學(xué)模型的建立
在金屬切削過(guò)程中，當(dāng)?shù)毒咔腥牍ぜ䲡r(shí)，使被加工材料發(fā)生變形并形成切屑所需的力稱為切削力。切削力的大小直接影響刀具、機(jī)床、夾具的設(shè)計(jì)與使用。切削力包括克服被加工材料變形時(shí)產(chǎn)生的彈性和塑性變形抗力、克服切屑對(duì)刀具前刀面的摩擦力以及刀具后刀面對(duì)加工表面和已加工表面之間的摩擦力。
為便于分析、計(jì)算和測(cè)量刀具受力情況，可按切削主運(yùn)動(dòng)速度方向、切深方向和進(jìn)給方向建立空間直角坐標(biāo)系xyyyz，將切削合力Fr在該坐標(biāo)系中分解成三個(gè)分力，即主切削力Fz——切削速度方向分力(切向力)、切深抗力Fy——切深方向分力(徑向力)和進(jìn)給抗力Fx——進(jìn)給方向分力(軸向力)(見圖1)。
圖1 刀具受力分析示意圖
主切削力Fz是最大的分力，也是設(shè)計(jì)、使用刀具的主要依據(jù)，同時(shí)還可用于驗(yàn)算機(jī)床、夾具主要零部件的強(qiáng)度、剛度以及機(jī)床電機(jī)功率等。切深抗力Fy并不消耗功率，主要對(duì)工藝系統(tǒng)的變形及零件的加工質(zhì)量產(chǎn)生影響，但當(dāng)機(jī)床—夾具—刀具—工件組成的工藝系統(tǒng)剛性不足時(shí)，F(xiàn)y是造成零件變形和加工振動(dòng)的主要因素。進(jìn)給抗力Fx主要作用于機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)，是驗(yàn)算機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)主要零部件強(qiáng)度和剛性的重要依據(jù)。
4 刀具強(qiáng)度有限元分析實(shí)例
車刀是應(yīng)用最廣泛的金屬切削刀具之一，主要用于車削加工各種回轉(zhuǎn)表面和回轉(zhuǎn)體端面等。下面以典型的外圓車刀為例，應(yīng)用ANSYS對(duì)刀具強(qiáng)度進(jìn)行有限元數(shù)值模擬分析。
試驗(yàn)參數(shù)
采用硬質(zhì)合金車刀在C630臥式車床上進(jìn)行車削試驗(yàn)。工件材料為s=90kgf/mm2(0.883GPa)的碳素鋼。選取刀具幾何參數(shù)：刀桿材料：45鋼；刀桿幾何尺寸：B×H=20mm×25mm，L=150mm。刀片材料：YT15；車刀主要角度：前角g=15°，后角ao=ao'=5°，主偏角kr=75°，kr=10°，刃傾角ls=-5°。刀具材料的機(jī)械性能：強(qiáng)度極限：600Mpa；屈服極限：355MPa；彈性模量E=206GPa；泊松比µ=0.27。切削用量：切削速度)vc=100m/min，進(jìn)給量(或進(jìn)給速度)f=0.5mm/r，背吃刀量ap=5mm。
劃分單元格
根據(jù)刀具的幾何尺寸，在ANSYS交互模式下創(chuàng)建刀具有限元實(shí)體模型。
通過(guò)ANSYS自帶的自適應(yīng)網(wǎng)格劃分方法進(jìn)行單元格的劃分，自定義單元長(zhǎng)度。采用八節(jié)點(diǎn)六面體Solid45單元類型(該單元類型便于施加載荷，且計(jì)算精度較高)，將車刀劃分為1569個(gè)節(jié)點(diǎn)、6934個(gè)單元(見圖2，單元?jiǎng)澐州^密是為了更清楚地顯示應(yīng)力集中區(qū))，并作如下假設(shè)：
圖2 有限元網(wǎng)格圖
將刀桿和刀片材料視為一體，便于模擬加載分析和計(jì)算。
計(jì)算中假定材料為線彈性，即不發(fā)生屈服。
刀具在切削過(guò)程中會(huì)受到一定的沖擊和振動(dòng)，考慮到這種沖擊和振動(dòng)的有限性，為簡(jiǎn)化計(jì)算，視刀具在切削過(guò)程中某時(shí)刻為靜應(yīng)力分布。
在切削過(guò)程中，刀具因劇烈摩擦?xí)a(chǎn)生高溫，但為便于計(jì)算，暫不考慮溫度場(chǎng)影響。
模擬加載求解
由于切削力的影響因素較多，計(jì)算較復(fù)雜，加之目前所用切削力理論計(jì)算公式是在忽略了溫度、正應(yīng)力、第III變形區(qū)的變形與摩擦力等條件下推導(dǎo)出來(lái)的，與實(shí)際切削狀態(tài)差別較大，故只能用于切削力的定性分析，不宜用于實(shí)際計(jì)算。因此，根據(jù)本實(shí)例的原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用一個(gè)文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)公式，計(jì)算出三個(gè)切削分力的經(jīng)驗(yàn)值分別為：Fz=4407N，F(xiàn)y1410N，F(xiàn)x=1830N。
根據(jù)上述分析，按切削條件最惡劣的極限情況(即Fz、Fy、Fx集中作用于刀尖一點(diǎn))進(jìn)行模擬加載，在刀具末端施加全部約束(這樣并不影響分析結(jié)果)。
結(jié)果分析
通過(guò)ANSYS的靜載荷計(jì)算，可得到圖3所示刀具內(nèi)部應(yīng)力分布圖、圖4所示刀尖部分應(yīng)變分布圖和圖5所示全部自由度解USUM分布圖(位移等值線圖)。
 
圖3 車刀應(yīng)力分布示意圖 圖4刀尖部位應(yīng)變分布圖
圖5位移等值線圖
由圖3可知，車刀最大應(yīng)力點(diǎn)位于刀尖部位(第21節(jié)點(diǎn)處)，最大應(yīng)力值為676MPa，最大應(yīng)力點(diǎn)的坐標(biāo)為(-0.025，-0.008，0.002)。采用類似方法，可計(jì)算出刀尖處的最大應(yīng)變值為0.00426m。由圖5可知，最大合位移DMX=0.609，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況相符。
由于上述分析結(jié)果是在極限條件(切削力集中作用于刀尖一點(diǎn))下得到的，且采用ANSYS線性分析，因此得出的最大應(yīng)力值略大于強(qiáng)度極限值仍應(yīng)屬于允許范圍。如進(jìn)行ANSYS非線性分析，則最大應(yīng)力值應(yīng)在許用應(yīng)力范圍之內(nèi)，且分析結(jié)果會(huì)更為精確。
由于刀尖部位為最大應(yīng)力點(diǎn)，由此可知刀具破壞的主要形式為刀尖和刀刃破壞，因此選用高強(qiáng)度刀片材料對(duì)于增加刀具強(qiáng)度是十分必要的。由于切削過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生高溫，且刀具與工件材料之間存在較大壓力，因此當(dāng)溫度和應(yīng)力達(dá)到一定水平時(shí)，在應(yīng)力最大處就可能產(chǎn)生刀刃點(diǎn)蝕以及刀具材料塑性變形，使加工精度難以保證，為此必須調(diào)整切削參數(shù)以降低應(yīng)力，以保證刀具在穩(wěn)定的切削狀態(tài)下工作。此外，由于刀尖部位應(yīng)力最大，磨損嚴(yán)重，將直接影響加工質(zhì)量，因此需要及時(shí)檢查刀具狀況并進(jìn)行刀具補(bǔ)償。
以上述分析為理論依據(jù)，即可在切削加工中正確選擇和使用刀具，合理調(diào)整切削參數(shù)。
為了更清楚地說(shuō)明應(yīng)力集中處的應(yīng)力分布狀況，還可利用ANSYS沿應(yīng)力最大處的縱切面表面節(jié)點(diǎn)作切片，以顯示截面應(yīng)力變化曲線。由于本文分析的車刀結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，故從略。
5 結(jié)語(yǔ)
應(yīng)用大型有限元數(shù)值分析軟件ANSYS對(duì)刀具強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)值模擬分析，可較精確地掌握刀具上各點(diǎn)的受力情況，了解刀具內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變的分布規(guī)律，獲得應(yīng)力應(yīng)變分布圖并方便地找出危險(xiǎn)點(diǎn)。該方法可為改進(jìn)刀具受力情況、合理設(shè)計(jì)刀具結(jié)構(gòu)以及對(duì)刀具進(jìn)行失效分析提供理論依據(jù)，為刀具強(qiáng)度和壽命的分析計(jì)算提供了一種新方法。
本文以外圓車刀為例進(jìn)行的刀具強(qiáng)度數(shù)值模擬分析具有一定典型性。該方法還可應(yīng)用于其它類型的刀具以及主軸等多種零部件的強(qiáng)度與失效分析。對(duì)于受力情況較復(fù)雜的分析對(duì)象，可采用非線性動(dòng)態(tài)分析法，以使分析結(jié)果更為精確。本文的分析結(jié)果表明，ANSYS有限元數(shù)值分析軟件可完成采用傳統(tǒng)計(jì)算方法難以完成(或效果不佳)的強(qiáng)度模擬分析計(jì)算工作，因此具有重要的實(shí)用價(jià)值。
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