擠壓—犁削成形刀具的有限元分析

李西兵　萬(wàn)穎思　李明　李明鑒　武儒晨

摘 要：通過(guò)分析擠壓-犁削刀具的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出了刀具的有限元模型。在UG中，對(duì)擠壓-犁削刀具的模型進(jìn)行了參數(shù)化實(shí)體造型，并通過(guò)接口傳遞數(shù)據(jù)，借助Ansys Workbench，最終得到了刀具在工作中受力的總應(yīng)變和等效應(yīng)力。

關(guān)鍵詞：刀具設(shè)計(jì)；三維有限元仿真；有限元分析；邊界條件

中圖分類號(hào)：TG376 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.01.070

現(xiàn)如今，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)擠壓-犁削刀具如何散熱這一問(wèn)題給予了高度關(guān)注。熱管是通過(guò)液體的蒸發(fā)和凝結(jié)來(lái)傳遞熱量的，目前，微小型熱管在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛運(yùn)用。梁良、全燕鳴對(duì)熱管刀具的設(shè)計(jì)和散熱性能進(jìn)行了測(cè)試，訾克明、陳勁松對(duì)熱管技術(shù)在高速干切削加工中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，劉志軍、全燕鳴對(duì)熱管銑刀散熱的基本結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，周小青、孫濤、杜冬東、馬飛對(duì)ABAQUS旋轉(zhuǎn)熱管磨具進(jìn)行了有限元分析。這些研究為微熱管技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

1 有限元法分析的一般步驟

根據(jù)得出點(diǎn)的位移分量用幾何方程算出應(yīng)變分量，然后用物理方程算出應(yīng)力分量。結(jié)構(gòu)離散化、單元分析和整體分析這三步是有限元法分析的一般步驟。具體步驟為：①結(jié)構(gòu)離散化。結(jié)構(gòu)被離散成一定限制內(nèi)很小的單元，然后通過(guò)節(jié)點(diǎn)銜接每個(gè)單元和單元與邊界。②建立整體剛度矩陣，構(gòu)建整體平衡方程。③根據(jù)單元在全局坐標(biāo)系中的位置，通過(guò)排列疊加，為不同的單元建立剛度矩陣，然后得出整體剛度矩陣Kσ的結(jié)構(gòu)。④對(duì)節(jié)點(diǎn)載荷列陣組進(jìn)行集成，使其作用在各單元上，從而求出整體載荷陣列P，最終列出節(jié)點(diǎn)的平衡方程。在單個(gè)節(jié)點(diǎn)受力平衡的基礎(chǔ)上，構(gòu)建結(jié)構(gòu)的整體平衡方程，為：

Kσ=P. （1）

式（1）中：σ為所有節(jié)點(diǎn)位移組成的列陣，σ=[σ1，σ2，…σn]T；P為所有節(jié)點(diǎn)載荷組成的列陣，P=[P1，P2，…Pn]T。

2 有限元模型的建立

當(dāng)擠壓-犁削時(shí)，因?yàn)閱锡X刀具的前刀面是對(duì)稱分布的，所以在反向作用力下的前刀面會(huì)使工件前面出現(xiàn)塑性變形。根據(jù)阻力最小原理，此刻在前刀面的交匯處，即中間切削刃出現(xiàn)的金屬流動(dòng)會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象，而中間切削刃從中將金屬切開(kāi)分流是避免這一現(xiàn)象發(fā)生的唯一途徑。

2.1 幾何建模

選用了UG作為刀具的三維造型軟件，擠壓角為90°，然后優(yōu)化建模，截取一個(gè)齒作為分析對(duì)象，并導(dǎo)入到Ansys Workbench中進(jìn)行分析。

2.2 定義材料

選擇了比較常用的W18Cr4V材料，其密度為 8 260 kg/m3，彈性模量為2.25×105 MPa。根據(jù)材料屬性，在Engineering Data中修改了材料相應(yīng)的屬性，如圖1所示。

2.3 劃分網(wǎng)格

自動(dòng)劃分網(wǎng)格主要是根據(jù)實(shí)體的幾何性自動(dòng)檢測(cè)，對(duì)于那些可以自動(dòng)掃掠的實(shí)體，就進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分。使用六面體網(wǎng)格劃分方法可以減少單元的數(shù)量，提高運(yùn)算效率。掃掠網(wǎng)格時(shí)，要在某個(gè)指定的方向上進(jìn)行，然后生成六面體或棱柱單元。掃掠網(wǎng)格對(duì)實(shí)體的要求比較嚴(yán)格，要求實(shí)體在某一個(gè)方向上具有相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2.4 邊界條件的施加

刀齒模型是擠壓-犁削刀具的一個(gè)刀齒，這里選擇的加工工件材料為純銅，速度為51 mm/s，擠壓-犁削深度為0.5 mm，受力主要集中在刀刃上，有徑向力和軸向力，按犁削條件最惡劣的情況（Fx，F(xiàn)z集中作用于切削刃部分）——158 MPa進(jìn)行模擬加載。加載時(shí)，在刀齒內(nèi)部施加固定約束力，如圖2所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)實(shí)際擠壓-犁削過(guò)程的有限元分析，得出了如下三個(gè)結(jié)論：①犁削力集中作用在刀齒的切削刃上，切削刃和刀尖的強(qiáng)度較大；②在犁削力的有限元仿真實(shí)驗(yàn)中，刃部并沒(méi)有發(fā)生大的塑性變形，變形量也沒(méi)有超出范圍，說(shuō)明犁削力不會(huì)影響加工精度，刀齒不會(huì)產(chǎn)生局部斷裂；③采用有限元分析方法提高了操作的準(zhǔn)確度，為進(jìn)一步改進(jìn)刀具提供了理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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[4]劉志軍，全燕鳴.熱管銑刀散熱基本結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化[J].中國(guó)機(jī)械工程，2014（24）.

〔編輯：王霞〕