1缰畦、 引言

　　金屬切削過程是刀具與工件相互作用的過程嚷缭。在機(jī)床—夾具—刀具—工件構(gòu)成的加工系統(tǒng)中屡久，合理選用刀具十分重要。刀具的整體結(jié)構(gòu)慨绳、切削刃材料與幾何形狀都會(huì)直接影響刀具使用壽命掉冶、工件加工質(zhì)量和切削生產(chǎn)效率。因此脐雪，在切削過程中厌小，刀具應(yīng)具有較高的強(qiáng)度、良好的韌性战秋、較長(zhǎng)的壽命以及良好的工藝性璧亚。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)辟堡，不僅有利于在加工過程中合理選擇刀具价岭，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)触晃。

　　2冗吟、 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)皂计、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合演侍，具有豐富、完善的單元庫辉九、材料模型庫和求解器色递，可利用數(shù)值模擬技術(shù)高效求解各類結(jié)構(gòu)動(dòng)力、靜力和線性盏萝、非線性問題寂贱。ANSYS作為一種有限元分析軟件，已成為CAE和工程數(shù)值模擬的有效工具澡呼，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)厉碟，通過對(duì)所施加的載荷進(jìn)行數(shù)值模擬喊巍，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)崭参。

　　3呵曹、 刀具力學(xué)模型的建立

　　在金屬切削過程中，當(dāng)?shù)毒咔腥牍ぜr(shí)何暮，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奄喂。切削力的大小直接影響刀具、機(jī)床海洼、夾具的設(shè)計(jì)與使用跨新。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坏逢。

　　為便于分析域帐、計(jì)算和測(cè)量刀具受力情況，可按切削主運(yùn)動(dòng)速度方向是整、切深方向和進(jìn)給方向建立空間直角坐標(biāo)系赚朱，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)以叛、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)谁班。

　　主切削力Fz是最大的分力，也是設(shè)計(jì)疼喝、使用刀具的主要依據(jù)景捅，同時(shí)還可用于驗(yàn)算機(jī)床、夾具主要零部件的強(qiáng)度摊房、剛度以及機(jī)床電機(jī)功率等赚懊。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)生影響昨哑，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)你朝，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)域毡，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)爪只。

　　 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考余，主要用于車削加工各種回轉(zhuǎn)表面和回轉(zhuǎn)體端面等先嬉。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)值模擬分析楚堤。

　　(1)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)疫蔓。工件材料為的碳素鋼。選取刀具幾何參數(shù)：刀桿材料：45鋼身冬；刀桿幾何尺寸：B×H=20mm×25mm衅胀，L=150mm岔乔。刀片材料：YT15；車刀主要角度：前角  滚躯，刀具材料的機(jī)械性能：強(qiáng)度極限：600Mpa雏门；屈服極限：355MPa；彈性模量E=206GPa掸掏；泊松比=0.27茁影。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丧凤，背吃刀量

　　 (2)劃分單元格

　　根據(jù)刀具的幾何尺寸募闲，在ANSYS交互模式下創(chuàng)建刀具有限元實(shí)體模型。

　　通過ANSYS自帶的自適應(yīng)網(wǎng)格劃分方法進(jìn)行單元格的劃分伴严，自定義單元長(zhǎng)度膳庵。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)贡垃，將車刀劃分為1569個(gè)節(jié)點(diǎn)描休、6934個(gè)單元，并作如下假設(shè)：

　　* 將刀桿和刀片材料視為一體令久，便于模擬加載分析和計(jì)算肥册。

　　* 計(jì)算中假定材料為線彈性，即不發(fā)生屈服沧唧。

　　* 刀具在切削過程中會(huì)受到一定的沖擊和振動(dòng)严荷，考慮到這種沖擊和振動(dòng)的有限性，為簡(jiǎn)化計(jì)算叫砚，視刀具在切削過程中某時(shí)刻為靜應(yīng)力分布啼康。

　　* 在切削過程中，刀具因劇烈摩擦?xí)a(chǎn)生高溫铡涣，但為便于計(jì)算凑逗，暫不考慮溫度場(chǎng)影響。

　　 (3)模擬加載求解

　　由于切削力的影響因素較多否淤，計(jì)算較復(fù)雜悄但，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)力石抡、第III變形區(qū)的變形與摩擦力等條件下推導(dǎo)出來的檐嚣，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啰扛，不宜用于實(shí)際計(jì)算嚎京。因此，根據(jù)本實(shí)例的原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)侠讯，采用一個(gè)文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)公式挖藏，計(jì)算出三個(gè)切削分力的經(jīng)驗(yàn)值分別為：

　　根據(jù)上述分析暑刃，按切削條件最惡劣的極限情況(即集中作用于刀尖一點(diǎn))進(jìn)行模擬加載厢漩，在刀具末端施加全部約束(這樣并不影響分析果)膜眠。

　　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溜嗜，最大應(yīng)力點(diǎn)的坐標(biāo)為(-0.025宵膨，-0.008，0.002)丢墅。采用類似方法兔憨，可計(jì)算出刀尖處的最大應(yīng)變值為0.00426m。最大合位移DMX=0.609莽简，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況相符扶楣。

　　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線性分析淹宽，因此得出的最大應(yīng)力值略大于強(qiáng)度極限值仍應(yīng)屬于允許范圍睬毒。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)劫丧，且分析結(jié)果會(huì)更為精確遣株。

　　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浊待，因此選用高強(qiáng)度刀片材料對(duì)于增加刀具強(qiáng)度是十分必要的革哄。由于切削過程中會(huì)產(chǎn)生高溫，且刀具與工件材料之間存在較大壓力缔类，因此當(dāng)溫度和應(yīng)力達(dá)到一定水平時(shí)庭叙，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绘盟，為此必須調(diào)整切削參數(shù)以降低應(yīng)力鸠真，以保證刀具在穩(wěn)定的切削狀態(tài)下工作。此外奥此，由于刀尖部位應(yīng)力最大弧哎，磨損嚴(yán)重，將直接影響加工質(zhì)量稚虎，因此需要及時(shí)檢查刀具狀況并進(jìn)行刀具補(bǔ)償撤嫩。

　　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蠢终，合理調(diào)整切削參數(shù)序攘。

　　為了更清楚地說明應(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)作切片寻拂，以顯示截面應(yīng)力變化曲線程奠。由于本文分析的車刀結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單丈牢，故從略。

　　5瞄沙、 結(jié)語

　　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)值模擬分析已箫，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)律坟荤，獲得應(yīng)力應(yīng)變分布圖并方便地找出危險(xiǎn)點(diǎn)蕴节。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)挽沧，為刀具強(qiáng)度和壽命的分析計(jì)算提供了一種新方法贷弧。

　　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)度與失效分析糙官。對(duì)于受力情況較復(fù)雜的分析對(duì)象窟潜，可采用非線性動(dòng)態(tài)分析法，以使分析結(jié)果更為精確鱼催。本文的分析結(jié)果表明翅栖，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)值千覆。

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