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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