對(duì)于Pro/mechanica的數(shù)控車(chē)刀的有限元分析

李進(jìn)東++吳國(guó)明

【摘 要】在數(shù)控機(jī)床當(dāng)中，最重要的組成結(jié)構(gòu)就是數(shù)控車(chē)刀，加工精度的高低是由車(chē)刀的動(dòng)態(tài)性能和靜態(tài)性能的好壞決定的。數(shù)控機(jī)床當(dāng)中會(huì)用到Pro/Mechanica軟件，這主要是利用其對(duì)硬質(zhì)合金車(chē)刀進(jìn)行3D建模，然后對(duì)數(shù)控車(chē)刀進(jìn)行有限元分析。通過(guò)分析結(jié)果，車(chē)刀的前八種模式的固有頻率超出數(shù)控加工過(guò)程中的頻率范圍，因此斷定車(chē)刀很難出現(xiàn)共振，從而保證了數(shù)控機(jī)床的安全運(yùn)行。本文就對(duì)Pro/Mechanica的數(shù)控車(chē)刀進(jìn)行有限元分析，旨在為數(shù)控機(jī)床的安全運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】車(chē)刀 硬質(zhì)合金 Pro/Mechanica 有限元分析

Pro/Mechanica屬于Pro/Engineer，這當(dāng)中的另外兩個(gè)次模塊就是結(jié)構(gòu)分析和熱力分析。在結(jié)構(gòu)分析模塊當(dāng)中，我們主要是對(duì)零件和裝配體進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，這種結(jié)構(gòu)分析就包括對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)分析、模態(tài)分析、屈曲分析、接觸分析、預(yù)應(yīng)力分析和振動(dòng)分析；熱力分析模塊包括穩(wěn)態(tài)分析和分布分析，且熱力狀態(tài)會(huì)對(duì)靈敏度分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響。

本文中，我們需要對(duì)車(chē)刀進(jìn)行三維建模，這時(shí)就會(huì)采用Pro/Engineer作為輔助軟件，在對(duì)車(chē)刀進(jìn)行模態(tài)分析和靜態(tài)分析的時(shí)候，我們采用Pro/Mechanica作為輔助軟件，從而得到數(shù)控車(chē)刀的固有頻率，然后結(jié)合生產(chǎn)當(dāng)中出現(xiàn)的實(shí)際情況做靜力分析，這樣我們就能清楚每一種加工過(guò)程當(dāng)中的切削力會(huì)對(duì)車(chē)刀產(chǎn)生怎樣的應(yīng)力影響。

1 Pro/Mechanica的簡(jiǎn)介

不是每一個(gè)大型的有限元分析軟件都具備較強(qiáng)的建模功能，有一些只是用來(lái)做一些簡(jiǎn)單的三維模型；在分析復(fù)雜的零件或組件的時(shí)候，我們首先利用CAD軟件建模，然后把工作圖形導(dǎo)入到分析軟件里面，這時(shí)的工作圖形需要是IGES或STEP格式，也可以利用軟件接口導(dǎo)入。這種做法的缺點(diǎn)就是在模型的簡(jiǎn)化和修補(bǔ)方面，CAE工程師會(huì)花費(fèi)很多的時(shí)間和精力，降低了工作效率。鑒于這種情況，美國(guó)方面在Pro/Engineer的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了Pro/Mechanica有限元分析軟件，這樣就實(shí)現(xiàn)了幾何建模和有限元分析的集成。

1.1 Pro/Mechanica的優(yōu)點(diǎn)

把Pro/Mechanica和其他有限元分析軟件進(jìn)行比較，我們可以發(fā)現(xiàn)其存在以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）Pro/Mechanica對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，就能對(duì)產(chǎn)品的性能進(jìn)行評(píng)估，并及時(shí)找出產(chǎn)品存在的缺點(diǎn)，從而對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，這種做法不只減少了成本的支出，而且還提高了設(shè)計(jì)效率。

（2）在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)模塊里面，Pro/Mechanica可以實(shí)現(xiàn)無(wú)縫集成，不用在簡(jiǎn)化和修補(bǔ)方面花費(fèi)太多的時(shí)間和精力，并且也能讓軟件可以簡(jiǎn)便的計(jì)算出相應(yīng)的產(chǎn)品參數(shù)。

（3）Pro/Mechanica讓分析的流程變得簡(jiǎn)單，在對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格單元的操作的時(shí)候，不只可以進(jìn)行精確的收斂，還能夠進(jìn)行簡(jiǎn)便運(yùn)算。

（4）Pro/Mechanica和Pro/Engineer的界面一樣，能提高設(shè)計(jì)效率。

1.2 Pro/Mechanica的組件分析

在實(shí)際的應(yīng)用當(dāng)中，我們對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行有限元分析，主要是對(duì)其組件進(jìn)行分析。通常情況下，我們都是分析關(guān)鍵性的零件，這樣可以減少求解規(guī)模，但是這不可以全方面的了解零件在組件當(dāng)中的行為，因此得到的結(jié)果不是十分精確。組件的Pro/Mechanica有限元分析，是為了在Pro/Mechanica當(dāng)中得到裝配信息，能夠把產(chǎn)生接觸的兩個(gè)零件作為一個(gè)獨(dú)立的個(gè)體來(lái)對(duì)待。Pro/Engineer存在很多的連接方法，這些連接方法能夠讓組件模型更能接近實(shí)際情況，在Pro/Mechanica當(dāng)中，我們可以模擬螺栓和螺釘連接、剛性連接、焊接等固定連接。

Pro/Mechanica當(dāng)中的網(wǎng)格劃分工作是自動(dòng)完成的，并且不會(huì)和AutoGEM網(wǎng)格劃分工具產(chǎn)生沖突。在Native Mode下，默認(rèn)采用P-Code單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，這樣就可以更容易讓求解出現(xiàn)收斂。

2 數(shù)控車(chē)刀建模及切削力分析

2.1 數(shù)控車(chē)刀建模

本文選用數(shù)控車(chē)刀為35°偏刀，這種車(chē)刀由以下幾個(gè)部分組成：刀柄、刀粒、墊片和緊固件，其主要參數(shù)如表1所示。我們?cè)趯?duì)車(chē)刀進(jìn)行三維建模的時(shí)候，是采用Pro/Engineer Wildfire5.0作為輔助軟件，所得的模型和刀具實(shí)物如圖1所示。

2.2 數(shù)控車(chē)刀受力分析

數(shù)控車(chē)床在對(duì)工件進(jìn)行車(chē)削加工的時(shí)候，車(chē)刀除了會(huì)承受變形力之外，還會(huì)承受摩擦阻力，變形力是工件在產(chǎn)生切屑的時(shí)候，切屑因?yàn)楫a(chǎn)生彈性變形和塑性變形而形成的，摩擦阻力則是因?yàn)榈毒咔行己凸ぜ砻娉霈F(xiàn)摩擦而形成的?？朔@兩方面的構(gòu)成了切削合力，它作用在前刀面和后刀面上，如果刀具比較如理或者出現(xiàn)了正常磨損，那么，切削合力大部分作用在刀具的前刀面。本文當(dāng)中的切削力是用刀具前刀面的作用力代替的。根據(jù)牛頓第三定律，工件在切削的時(shí)候，車(chē)刀所受的力是切削合力的反作用力，其特點(diǎn)是方向相反、大小相同。

2.3 數(shù)控車(chē)刀的模態(tài)分析

在對(duì)車(chē)刀進(jìn)行3D建模的時(shí)候，我們需要利用到Pro/Engineer Wildfire5.0軟件，F(xiàn)EM是用來(lái)分析Pro/Mechanica軟件，求解出固有頻率。

2.3.1 對(duì)指定材料進(jìn)行設(shè)置

數(shù)控車(chē)刀的組成部分比較多，每一部分都是由不同的材料制成的，除了刀粒屬于硬質(zhì)合金材料之外，其他的都是鋼材料，其特性參數(shù)如表1所示。

2.3.2 劃分網(wǎng)格

Pro/Mechanica軟件當(dāng)中具備AutoGEM功能，這樣就可以對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到以下參數(shù)：邊數(shù)252，面數(shù)338，四面體數(shù)142，邊角最小度數(shù)為5.06°，最大度數(shù)為169.91°。

2.3.3 設(shè)置約束

在加工工件的時(shí)候，車(chē)刀刀柄的底部和側(cè)面要根據(jù)其實(shí)際情況進(jìn)行固定，刀粒和刀具主體之間是螺紋連接，所以，在平面約束的設(shè)置當(dāng)中需要設(shè)置銷(xiāo)釘約束。

2.3.4 計(jì)算模態(tài)分析

完成以上的幾個(gè)步驟之后就可以進(jìn)行模態(tài)分析，在模態(tài)分析當(dāng)中沒(méi)有載荷，因此模態(tài)當(dāng)中的分析模式數(shù)為8，不同的模式具備不同的應(yīng)力、位移、應(yīng)變。

3 數(shù)控車(chē)刀的靜態(tài)分析和參數(shù)優(yōu)化

針對(duì)數(shù)控車(chē)刀的靜態(tài)分析，我們可以按照以下幾個(gè)步驟進(jìn)行：第一步，設(shè)置材料；第二步，指定材料；第三步，網(wǎng)格劃分；第四步，設(shè)置約束；第五步，設(shè)置載荷；第六步，分析計(jì)算。這當(dāng)中有幾個(gè)步驟的分析過(guò)程是一樣的，那就是設(shè)置材料、網(wǎng)格劃分、設(shè)置約束和模態(tài)分析；在對(duì)數(shù)控車(chē)刀進(jìn)行設(shè)置載荷這一步驟的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生以下幾種載荷：刀柄的夾持力、切削力的反作用力。本文當(dāng)中會(huì)對(duì)車(chē)刀的粗車(chē)和半精車(chē)過(guò)程進(jìn)行分析，主要是分析切削力對(duì)車(chē)刀的應(yīng)力影響，工件為鋼料，刀具是WC硬質(zhì)合金材料。

我們知道，數(shù)控車(chē)刀在進(jìn)行粗車(chē)的時(shí)候，靜態(tài)分析之后的最大應(yīng)力可達(dá)到6.189e+3MPa，最大位移量是1.036e-2mm，而數(shù)控車(chē)刀在進(jìn)行半精車(chē)的時(shí)候，所得到的靜態(tài)分析最大應(yīng)力為3.053e+3MPa，最大位移量是5.11e-3mm。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，我們可以知道，數(shù)控車(chē)刀在進(jìn)行粗車(chē)加工的時(shí)候，刀尖處會(huì)發(fā)生最大應(yīng)力，應(yīng)力值比硬質(zhì)合金的抗彎強(qiáng)度還要大，硬質(zhì)合金的抗彎精度為5460MPa，因此，數(shù)控車(chē)刀在進(jìn)行粗車(chē)的時(shí)候，車(chē)刀會(huì)因其應(yīng)力值的增大而遭到破壞，但是數(shù)控車(chē)刀在進(jìn)行半精車(chē)加工的時(shí)候，因?yàn)槠鋺?yīng)力值處于安全范圍，因此不會(huì)出現(xiàn)破壞情況。以上所述的只是理論上的結(jié)果，我們需要在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中去驗(yàn)證這個(gè)結(jié)論，實(shí)踐中使用粗車(chē)參數(shù)加工進(jìn)行到一定時(shí)間的時(shí)候，我發(fā)現(xiàn)數(shù)控車(chē)刀出現(xiàn)了崩刀的情況，驗(yàn)證了該分析結(jié)果。因此，我們需要對(duì)數(shù)控車(chē)刀粗車(chē)過(guò)程當(dāng)中產(chǎn)生的切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使其最大應(yīng)力值處于硬質(zhì)合金材料的抗彎強(qiáng)度之中。

4 結(jié)論

本文當(dāng)中，我們對(duì)硬質(zhì)合金車(chē)刀進(jìn)行三維建模，并且采用Pro/Engineer作為輔助軟件，再結(jié)合上Pro/Mechanica的有限元分析，通過(guò)其所得到的分析結(jié)果，我們可以得到以下的結(jié)論：

（1）在加工過(guò)程當(dāng)中，數(shù)控車(chē)刀的頻率由于模式的增加也變得越來(lái)越快，頻率數(shù)值通常是在12671.2-30181.4Hz之間，數(shù)控機(jī)床在進(jìn)行加工的時(shí)候，電源的頻率是50Hz，低速車(chē)床主軸轉(zhuǎn)速的頻率在100Hz以下，但是車(chē)刀的固有頻率都不在這兩個(gè)范圍之內(nèi)，因此數(shù)控機(jī)床在生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中不容易發(fā)生共振，并能夠安全、可靠的運(yùn)行，這個(gè)特點(diǎn)能夠從其生產(chǎn)過(guò)程的動(dòng)態(tài)分析之中得到。

（2）在對(duì)數(shù)控車(chē)刀的切削力進(jìn)行計(jì)算時(shí)，我們同時(shí)對(duì)數(shù)控車(chē)刀的受力情況也做出了分析，結(jié)果顯示數(shù)控車(chē)刀在進(jìn)行粗車(chē)的時(shí)候，所得到的靜態(tài)分析最大應(yīng)力為6.189e+3MPa，最大位移量是1.036e-2mm，而數(shù)控車(chē)刀在進(jìn)行半精車(chē)的時(shí)候，所得到的靜態(tài)分析最大應(yīng)力為3.053e+3MPa，最大位移量是5.11e-3mm。數(shù)控車(chē)刀在粗車(chē)的過(guò)程當(dāng)中，其產(chǎn)生的最大應(yīng)力值比硬質(zhì)合金材料的抗壓強(qiáng)度還要大，而在進(jìn)行半精車(chē)的時(shí)候，數(shù)控車(chē)刀的最大應(yīng)力值比抗彎強(qiáng)度小，因此，我們需要對(duì)數(shù)控車(chē)刀的粗車(chē)加工過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化之后，數(shù)控車(chē)刀的最大應(yīng)力值是4.942e+3MPa，比硬質(zhì)合金的抗彎強(qiáng)度還要小，因此，把這樣的切削參數(shù)加在數(shù)控車(chē)刀上，再去進(jìn)行數(shù)控加工，自然是安全可靠的。

5 結(jié)語(yǔ)

機(jī)械加工當(dāng)中，需要對(duì)工件的精度具備很高的要求，數(shù)控刀具的個(gè)體分析和靜態(tài)分析與其是息息相關(guān)的，因此，我們需要對(duì)數(shù)控刀具進(jìn)行動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的分析和計(jì)算。本文對(duì)數(shù)控車(chē)刀的分析當(dāng)中，詳細(xì)的介紹了兩種輔助軟件，Pro/Engineer和Pro/Mechanica，由此來(lái)進(jìn)行三維建模和有限元分析。在此期間，我們對(duì)數(shù)控刀具的結(jié)構(gòu)分析和計(jì)算，驗(yàn)證了理論上得出的結(jié)果，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化處理，使數(shù)控車(chē)刀在數(shù)控機(jī)床當(dāng)中的使用變得更加安全、可靠。機(jī)械加工制造業(yè)對(duì)我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)而言至關(guān)重要，因此，我們更應(yīng)該提高對(duì)數(shù)控車(chē)刀的有限元分析能力，借此提升企業(yè)的制造力，增強(qiáng)企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

參考文獻(xiàn)：

[1]羅飛，曾齊高，陳恒亮.等基于Pro/Mechanica的電梯曳引機(jī)承重梁的模態(tài)分析[J].機(jī)電工程技術(shù)，2014（02）：57-60，101.

[2]二代龍震工作室Pro/ME-CHANICA Wildfire 5.0結(jié)構(gòu)/熱力分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[3]喻步賢.數(shù)控車(chē)床的電動(dòng)刀架故障診斷與維修[J].機(jī)床與液壓，2013（22）：160-162.