2 有限元數(shù)值分析軟件ANSYS簡(jiǎn)介

3 刀具力學(xué)模型的建立

4 刀具強(qiáng)度有限元分析實(shí)例

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)藤为。工件材料為s=90kgf/mm²(0.883GPa)的碳素鋼怪与。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缅疟，L=150mm分别。刀片材料：YT15；車刀主要角度：前角g=15°存淫，后角a_o=a_o'=5°耘斩，主偏角k_r=75°，k_r=10°瘫篮，刃傾角l_s=-5°扯连。刀具材料的機(jī)械性能：強(qiáng)度極限：600Mpa；屈服極限：355MPa唆皇；彈性模量E=206GPa梨浑；泊松比μ=0.27。切削用量：切削速度)v_c=100m/min吨肆，進(jìn)給量(或進(jìn)給速度)f=0.5mm/r迂儡，背吃刀量a_p=5mm芙捏。
2. 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)體模型杰打。
   

   圖2 有限元網(wǎng)格圖

   通過ANSYS自帶的自適應(yīng)網(wǎng)格劃分方法進(jìn)行單元格的劃分粤唤，自定義單元長度。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搁鞭，且計(jì)算精度較高)预锅，將車刀劃分為1569個(gè)節(jié)點(diǎn)、6934個(gè)單元(見圖2恢恼，單元?jiǎng)澐州^密是為了更清楚地顯示應(yīng)力集中區(qū))民傻，并作如下假設(shè)：

   • 將刀桿和刀片材料視為一體，便于模擬加載分析和計(jì)算场斑。
   • 計(jì)算中假定材料為線彈性漓踢，即不發(fā)生屈服。
   • 刀具在切削過程中會(huì)受到一定的沖擊和振動(dòng)漏隐，考慮到這種沖擊和振動(dòng)的有限性喧半，為簡(jiǎn)化計(jì)算，視刀具在切削過程中某時(shí)刻為靜應(yīng)力分布青责。
   • 在切削過程中挺据，刀具因劇烈摩擦?xí)a(chǎn)生高溫，但為便于計(jì)算脖隶，暫不考慮溫度場(chǎng)影響吴菠。
3. 模擬加載求解
   由于切削力的影響因素較多，計(jì)算較復(fù)雜浩村，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)力占哟、第III變形區(qū)的變形與摩擦力等條件下推導(dǎo)出來的心墅，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谴童，不宜用于實(shí)際計(jì)算辖京。因此，根據(jù)本實(shí)例的原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)整雷，采用一個(gè)文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)公式克干，計(jì)算出三個(gè)切削分力的經(jīng)驗(yàn)值分別為：F_z=4407N，F(xiàn)_y1410N珠焦，F(xiàn)_x=1830N讽噪。
   根據(jù)上述分析，按切削條件最惡劣的極限情況(即F_z股背、F_y渠吮、F_x集中作用于刀尖一點(diǎn))進(jìn)行模擬加載客止，在刀具末端施加全部約束(這樣并不影響分析結(jié)果)。
4. 結(jié)果分析
   通過ANSYS的靜載荷計(jì)算僻绸，可得到圖3所示刀具內(nèi)部應(yīng)力分布圖巾甲、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可知蛀醉，車刀最大應(yīng)力點(diǎn)位于刀尖部位(第21節(jié)點(diǎn)處)悬襟，最大應(yīng)力值為676MPa，最大應(yīng)力點(diǎn)的坐標(biāo)為(-0.025拯刁，-0.008脊岳，0.002)。采用類似方法筛璧，可計(jì)算出刀尖處的最大應(yīng)變值為0.00426m逸绎。由圖5可知，最大合位移DMX=0.609夭谤，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況相符棺牧。
   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線性分析朗儒，因此得出的最大應(yīng)力值略大于強(qiáng)度極限值仍應(yīng)屬于允許范圍颊乘。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)醉锄，且分析結(jié)果會(huì)更為精確乏悄。
   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恳不，因此選用高強(qiáng)度刀片材料對(duì)于增加刀具強(qiáng)度是十分必要的褥辰。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麸河，因此當(dāng)溫度和應(yīng)力達(dá)到一定水平時(shí)力邻，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冰枯，為此必須調(diào)整切削參數(shù)以降低應(yīng)力认平，以保證刀具在穩(wěn)定的切削狀態(tài)下工作。此外庵窄，由于刀尖部位應(yīng)力最大弃净，磨損嚴(yán)重，將直接影響加工質(zhì)量炉展，因此需要及時(shí)檢查刀具狀況并進(jìn)行刀具補(bǔ)償绩罩。
   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)母逸。
   為了更清楚地說明應(yīng)力集中處的應(yīng)力分布狀況潘尿，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)力變化曲線徒溪。由于本文分析的車刀結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單忿偷，故從略。

5 結(jié)語