基于UG7.5細長桿類數(shù)控刀具屈曲響應(yīng)分析

王繼群,張文兵（北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程學(xué)院,北京 100042）

基于UG7.5細長桿類數(shù)控刀具屈曲響應(yīng)分析

王繼群,張文兵
（北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程學(xué)院,北京 100042）

摘 要：本文利用UG軟件對細長桿類刀具系統(tǒng)進行屈曲響應(yīng)分析，計算出了產(chǎn)生失穩(wěn)狀態(tài)的臨界荷載，并對改變刀桿的懸臂長度對臨界荷載的影響程度進行了分析。最后分別采用線性靜態(tài)和非線性靜態(tài)解算模塊對超荷載狀態(tài)下的刀具加以分析，對比驗證了分析結(jié)果。

關(guān)鍵詞：UG；細長桿類刀具；屈曲響應(yīng)分析；臨界荷載

隨著CNC雕刻加工技術(shù)在數(shù)控加工領(lǐng)域的發(fā)展，小直徑細長桿類刀具被越來越廣泛的應(yīng)用。但是在生產(chǎn)加工過程中，隨之也帶來一系列的問題，由于數(shù)控精雕類的刀具刀桿較長，極易出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，對產(chǎn)品加工精度造成一定的影響，因此，對于所使用的細長桿類刀具進行屈曲響應(yīng)分析就十分必要[1]。

1　UG軟件的簡介

UG軟件是全球最為高端的工業(yè)軟件之一，涵蓋了產(chǎn)品開發(fā)的所有過程——設(shè)計、制造和仿真分析，廣泛的應(yīng)用在國防、機械、汽車、電子等各個領(lǐng)域。它實現(xiàn)了CAD/CAM/CAE無縫對接，為企業(yè)提供了解決問題的方案。該軟件的計算機輔助分析功能十分強大，其有限元分析種類越來越多，解算功能越來越強，本文以UG7.5版本為平臺，對細長桿類刀具進行了相應(yīng)的屈曲響應(yīng)分析。

2　 屈曲響應(yīng)分析概述

所謂屈曲就是指處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)的細長桿類結(jié)構(gòu)當(dāng)承受荷載達到某一值時，突然喪失平衡狀態(tài)，這一過程就稱為失穩(wěn)或屈曲，相應(yīng)的荷載稱為臨界荷載。屈曲響應(yīng)分析主要用于研究結(jié)構(gòu)在特定荷載下的穩(wěn)定性以及確定結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的臨界荷載，主要包括：線性屈曲和非線性屈曲分析。

線性屈曲是以小位移小應(yīng)變的線彈性理論為基礎(chǔ)的，分析中不考慮結(jié)構(gòu)在受載變形過程中結(jié)構(gòu)構(gòu)形的變化，也就是在外力施加的各個階段，總是在結(jié)構(gòu)初始構(gòu)形上建立平衡方程。我們對刀具系統(tǒng)的屈曲分析絕大多數(shù)都屬于線性屈曲分析。

細長桿類刀具在數(shù)控加工中，易出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，對產(chǎn)品的加工精度產(chǎn)生影響，甚至出現(xiàn)加工事故。為防止出現(xiàn)上述問題，首先就要對其進行屈曲響應(yīng)分析，求解出臨界荷載，并對刀具結(jié)構(gòu)的其它參數(shù)進行適當(dāng)?shù)姆治?。下面以細長桿類數(shù)控銑刀為例，利用UG軟件的CAE（計算機輔助分析）功能對其進行解算分析。

3　 細長桿類數(shù)控刀具系統(tǒng)實例

下面是某精雕企業(yè)生產(chǎn)加工高頻鞋模的真實案例。數(shù)控刀具就安裝在CNC精雕機上，實例中刀桿直徑較小，懸臂長度較長，如圖1。刀柄和刀桿的材料都是優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼40CrNiMuA，屈服強度是1178MPa，抗拉強度是1240MPa。

4　臨界荷載的求解

4.1 分別建立刀柄和刀桿的有限元分析模型

首先，利用UG軟件的建模功能結(jié)合實例建立刀柄和刀桿的立體模型，也可以在其它軟件中創(chuàng)建刀柄和刀桿，利用UG軟件的轉(zhuǎn)換接口導(dǎo)入模型[2]。之后進入“高級仿真模塊”，分別賦予刀柄和刀桿材料屬性為優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼40CrNiMuA，物理屬性為PSOLID，定義單元類型為3D四面體10節(jié)點，最后完成刀柄和刀桿各種網(wǎng)格劃分操作，如圖2。這里的網(wǎng)格數(shù)量要適當(dāng)，太少，有限元分析精度下降，太多，計算量會增加，計算時間會過長[3]。

4.2 建立有限元分析裝配模型

由于我們是對整個刀具系統(tǒng)進行有限元屈曲響應(yīng)分析，而不是單單分析一個刀桿，因此，需要把這兩個有限元模型進行裝配。裝配的方法與UG中裝配普通立體模型完全一樣，先通過移動和旋轉(zhuǎn)等動態(tài)操作方法，將刀柄和刀具基本對齊，再通過移動組件命令進行調(diào)整，使兩個組件完成最終的裝配。裝配后的效果如圖3。我們后面的分析都是以整個刀具系統(tǒng)作為有限元分析對象。

4.3 建立有限元分析仿真模型

首先新建仿真模型，在“解算方案類型”中選擇“SEBUCKL105”（屈曲響應(yīng)分析專用解算模塊）解算類型。通過“約束類型”命令，設(shè)置仿真模型的邊界條件。利用“模型對象”命令，設(shè)置刀柄與刀桿之間的接觸條件，由于UG7.5版本中屈曲分析模塊中沒有曲面接觸功能，這里采用曲面粘和功能來代替。再利用“荷載類型”命令，設(shè)置作用荷載方向從刀桿端面圓心沿軸線指向刀柄[4]。至此，仿真模型創(chuàng)建完畢，如圖4。

4.4 屈曲響應(yīng)臨界荷載的求解

臨界荷載的求解是屈曲響應(yīng)分析中最為關(guān)鍵的一步，首先在“仿真導(dǎo)航器”中右鍵單擊Solution1，彈出的快捷菜單中單擊“求解”命令，此時軟件系統(tǒng)進行求解計算，等計算完成后，雙擊“Results”節(jié)點[5]。然后進入“后處理導(dǎo)航器”，查看結(jié)果，整個刀具系統(tǒng)失穩(wěn)臨界荷載為2058N，荷載工況節(jié)點情況如圖5。（注意：2.058e+003是科學(xué)計數(shù)法，e代表10，+0.003代表3次方，即2.058×103=2058）

5　改變刀桿的懸臂長度對臨界荷載的影響

上面只是把實例中產(chǎn)生屈曲響應(yīng)的臨界荷載計算出來了，為了進一步研究細長桿刀具的屈曲特點，改變刀桿的懸臂長度，分析刀具改變結(jié)構(gòu)參數(shù)后，對臨界荷載變化的影響[6]。剛才的有限元分析裝配模型刀桿懸臂長度是120mm，現(xiàn)在利用“組件移動”命令把裝配模型刀桿懸臂長度縮短至80mm。然后建立起相應(yīng)的仿真模型，再進行臨界荷載的求解，方法同上。最后解算的結(jié)果是4602N，荷載工況節(jié)點情況如圖6。

我們把上述兩個結(jié)果進行對比，由此不難得出結(jié)論：隨著刀桿懸臂長度的減小，屈曲響應(yīng)臨界荷載增大。換句話說，刀桿懸臂長度越短，整個刀具系統(tǒng)穩(wěn)定性越強。

6　刀具線性和非線性靜態(tài)分析比較

在數(shù)控加工中，如果由于荷載過大，刀桿會進入到塑性變形階段，我們對其進行靜力學(xué)分析[7]。在此種情況下，采用線性靜態(tài)和非線性靜態(tài)兩種解算方案那一個更好呢？我們通過實際的解算來驗證一下。作用荷載選取6010N。

6.1 線性靜態(tài)解算

首先回到有限元分析裝配模型狀態(tài)下，把刀桿懸臂長度進一步減小到75mm。新建仿真模型，在“解算方案類型”中選擇“SESTATIC101-單約束”（線性靜力學(xué)分析專用解算模塊）解算類型。然后在“荷載類型”中把力改為6010N，其它參數(shù)不變，進行重新求解。最后在“后處理導(dǎo)航器”中調(diào)出線性靜態(tài)模型節(jié)點應(yīng)力云圖，如圖7所示，最大應(yīng)力值是1726MPa，處于刀桿斷面的圓邊處，已經(jīng)超過刀具材料的屈服強度了。

6.2 非線性靜態(tài)解算

還是回到有限元分析裝配模型狀態(tài)下，新建仿真模型，在“解算方案類型”中選擇“NLSTATIC106”（非線性靜力學(xué)分析專用解算模塊）解算類型。還是把力改為6010N，其它參數(shù)不變，進行重新求解。最后也在“后處理導(dǎo)航器”中調(diào)出線性靜態(tài)模型節(jié)點應(yīng)力云圖，如圖8所示，最大應(yīng)力值是17000MPa，不是在刀桿端面邊緣處，而是處于刀桿和刀柄的連接處，而此時，刀桿在這么大的荷載下已經(jīng)斷裂了[8]。

由此可見，當(dāng)?shù)毒呦到y(tǒng)在超荷載的情況下，經(jīng)過彈性變形階段，進入塑性變形階段以后，采用非線性靜態(tài)解算比線性靜態(tài)解算結(jié)果更為準確。

7　結(jié)束語

本文以加工高頻鞋模的細長桿類數(shù)控刀具為例，利用UG軟件對其進行了屈曲響應(yīng)分析，取得了很好的效果。根據(jù)上述解算的相關(guān)數(shù)據(jù)，就可以采取相應(yīng)的措施，避免該刀具在數(shù)控加工中失穩(wěn)現(xiàn)象的出現(xiàn)，從而提高模具產(chǎn)品的質(zhì)量，防止加工事故的發(fā)生。隨著小直徑細長桿類刀具被更多的使用，利用UG軟件的CAE功能對其進行有限元分析，解決工程中實際問題的情況也會越來越多，相信在UG軟件的不斷研發(fā)、升級下，其有限元分析的功能也會越來越強，在工業(yè)生產(chǎn)中會發(fā)揮更大的作用。

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論文課題：大學(xué)生科研訓(xùn)練項目—細長桿類數(shù)控銑刀切削加工的屈曲響應(yīng)分析 編號：110601502/017

作者簡介：王繼群（1978-），男，遼寧康平人，工程碩士，講師，從事數(shù)控機械類專業(yè)教學(xué)及研究工作。