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外圓切削刀具受力分析與研究
2019-2-22  來源: 長(zhǎng)春大學(xué) 機(jī)械與車輛工程學(xué)院   作者:李慶華,龐 楠



  
      摘 要: 在切削加工過程中,刀具和工件的相互作用是影響切削加工質(zhì)量的重要因素,也是加工系統(tǒng)中至關(guān)重要的環(huán)節(jié),為了加強(qiáng)質(zhì)量,提高切削效率,本文以硬質(zhì)合金刀具切削外圓為例,對(duì)刀具受力情況進(jìn)行了分析和研究,建立了完整的分析系統(tǒng); 對(duì)切削加工過程中刀具內(nèi)應(yīng)力及變形情況進(jìn)行了有限元仿真分析和試驗(yàn)分析,得到了加工過程中刀具內(nèi)應(yīng)力及變形的變化規(guī)律,為后續(xù)刀具幾何角度優(yōu)化的相關(guān)研究奠定了基礎(chǔ)。

      關(guān)鍵詞: 外圓切削; 刀具; 有限元; 仿真
  
      0 引言
  
      對(duì)于切削加工,刀具的整體結(jié)構(gòu)、幾何形狀以及切削刃材料都會(huì)直接影響切削生產(chǎn)效率、刀具使用壽命和工件加工質(zhì)量。
  
      因此,對(duì)切削過程中的刀具受力及變形進(jìn)行有效分析,不僅有利于在加工過程中合理選擇刀具,而且為刀具的幾何角度進(jìn)行有效的優(yōu)化,提高刀具使用壽命提供理論依據(jù)。
  
      以往很多學(xué)者對(duì)切削加工的研究注重于通過對(duì)金屬切削過程中工件剪切區(qū)的形成過程、應(yīng)力和應(yīng)變場(chǎng)的變化過程的分析,得出刀具本身在切削過程中所受接觸載荷的分布情況,從而決定刀具結(jié)構(gòu)形態(tài)的好壞。

      很少對(duì)刀具本身建立系統(tǒng)的分析,分析缺乏準(zhǔn)確性和說服力。本文針對(duì)上述問題,對(duì)刀具本身結(jié)構(gòu)形態(tài)參數(shù)進(jìn)行了一系列理論分析及仿真實(shí)驗(yàn),為更多相關(guān)研究提供有力理論依據(jù)。

      1 、刀具體外圓切削形變及應(yīng)力分析
  
      1.1 刀具受力計(jì)算
   
      切削過程中,可由單位切削力與切削面積求得主切削力,計(jì)算如式( 1) :
  
      
  
    
  
      1.2 刀具變形分析
  
      在切削過程中,將刀具視為整體,刀具夾持部分視為固定端,受力主要以主切削力為主,則刀具受力模型如懸臂梁,受力分析如圖 1 所示。
  
  
     圖中: F 是主切削力 FZ,L 是懸臂梁總伸出長(zhǎng)度,x 是刀具距離固定端長(zhǎng)度,正方向如方向圖標(biāo)所示,w為撓度,即刀具的變形長(zhǎng)度,正方向如圖標(biāo)所示,根據(jù)刀具受力模型分析,可得出彎矩方程。
  
     
    
    
   
     
  
     根據(jù)刀具的材料和幾何尺寸,建立 ANSYS 刀具有限元實(shí)體模型。本文選擇硬質(zhì)合金刀具,彈性模量 EX 為 2.1e12,泊松比 PRXY為 0.3,采用 Solid185 單元類型構(gòu)造三維固體結(jié)構(gòu),單元通過 8 個(gè)節(jié)點(diǎn)來定義,每個(gè)節(jié)點(diǎn)有 3 個(gè)沿著 xyz 方向平移的自由度,且單元具有超彈性,大變形和大應(yīng)變能力,計(jì)算精度較高。
  
  
     將刀具劃分為2001 個(gè)節(jié)點(diǎn)、9344 個(gè)單元,如圖 2 所示。得到切削過程中刀具內(nèi)部變形區(qū)域應(yīng)力及變形分布,如圖 3 所示,圖 3 給出的是在刀具尖端楔角為 30°、35°、40°、45°
時(shí)模擬得到的不同刀具行程下的等效應(yīng)力分布圖及最大位移變形圖,而尖端楔角與刀具前角、
后角之和為 90°。

  
  
圖 3 刀具變形及應(yīng)力分布情況
  
     圖 3( a) 是刀具楔角為 30°時(shí)的內(nèi)部應(yīng)力分布及位移變形圖,最大的應(yīng)力為 σmax= 228.217Pa,最大位移量為 smax= 0.00000149mm。圖 3( b) ~ ( d) 分別是刀具楔角為 35°40°、45°時(shí)的內(nèi)部應(yīng)力分布及位移變形圖。最大 應(yīng) 力 分 別 為 157. 956Pa 和 203. 801Pa 之 間 變 化,最 大 變 形 位 移 量 分 別 為 為 0. 00000142mm、0. 00000122mm 和 0.00000113mm。
  
     從圖中分析得到,進(jìn)入到穩(wěn)定的切削過程中,刀具的楔角在一定范圍內(nèi)增大,則所受的應(yīng)力減小,相對(duì)變形減小,刀具磨損也會(huì)減小,仿真結(jié)果與計(jì)算結(jié)果也較為符合。
  
     1.4 試驗(yàn)驗(yàn)證
  
    為了進(jìn)一步驗(yàn)證理論分析和仿真結(jié)果,進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn),以硬質(zhì)合金刀具對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸的外圓切削為例,切削材料為鑄鐵,材料軸徑為 12mm,長(zhǎng) 20mm。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由應(yīng)變測(cè)試模塊、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、接收模塊和上位機(jī) 4 個(gè)部分組成。

    由于刀具外力主要是切削力,故刀具上下面拉伸變形相對(duì)明顯,所以將應(yīng)變片貼在刀具下表面,刀具懸出長(zhǎng)度為 60mm,綜合考慮將應(yīng)變片貼在距離刀尖位置 37mm 處,實(shí)驗(yàn)環(huán)境及實(shí)驗(yàn)結(jié)
果如圖 4 所示。
  
 
 
  
  
圖 4 切削試驗(yàn)對(duì)比分析

  
    由圖 4 ( b) 可知,在應(yīng)變片處位移相對(duì)穩(wěn)定,變形平均值為 0. 0000003mm,根據(jù)撓度公式可知當(dāng) x =37mm 處,刀具變形值為 0. 00000016mm,同時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果也大致相同。

     2 、結(jié)語
  
     通過對(duì)硬質(zhì)合金刀具切削外圓的有限元靜力理論分析及實(shí)驗(yàn)分析,得到了硬質(zhì)合金刀具在外圓切削過程中刀具內(nèi)應(yīng)力與變形的變化情況,確定了外圓切削過程中刀具受力及變形的最大值。由對(duì)刀具受力理論分析及實(shí)驗(yàn)分析可知,在硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行細(xì)長(zhǎng)軸外圓切削時(shí),刀尖楔角在 40°至 45°范圍內(nèi),受力及變形情況最佳,前角與后角之和為 45°左右為合理值,這為進(jìn)一步進(jìn)行細(xì)長(zhǎng)軸切削刀具幾何角度優(yōu)化的相關(guān)研究設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。


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