基于UG的硬質(zhì)合金車刀的受力分析

摘 要：刀具強度是影響刀具使用壽命的因素之一。文章利用UG軟件對硬質(zhì)合金車刀進(jìn)行了受力分析，確定了硬質(zhì)合金車刀在試驗條件下，切削深度對切削力的影響關(guān)系及此條件下刀具合理的切削用量。

關(guān)鍵詞：硬質(zhì)合金；切削力；切削深度；應(yīng)力

1 概述

在車刀進(jìn)行切削運動的過程中，刀具的使用壽命受多種因素的影響。切削用量就是影響刀具壽命的因素之一。文章主要利用UG軟件研究硬質(zhì)合金車刀在試驗條件下合理的切削用量。

2 切削用量與切削力

2.1 切削用量

切削用量包括切削速度、進(jìn)給量和切削深度。在車刀材料、車刀幾何參數(shù)、工件材料及刀具磨損情況確定時，切削力的大小由切削用量決定。車削加工中切削用量的使用范圍[1]可以查到。

2.2 切削力

實際車削加工中，作用在刀具上的力分解為3個方向，分別以Fz代表切向力，F(xiàn)y表示切深抗力，F(xiàn)x則為進(jìn)給力，如圖1所示。切削力大小可由經(jīng)驗公式[2]計算，在確定的刀具材料、刀具幾何角度、工件材料、進(jìn)給量和切削速度的前提下，切削力的計算公式可以簡化，具體見公式（1）-（3）。

Fx=313.39ap （1）

Fy=234.81ap0.9 （2）

Fx=614.61ap （3）

由上述公式可見，只要切削深度ap改變，切削力數(shù)值也會發(fā)生變化。文章就是利用UG軟件，找到刀具在確定的進(jìn)給量和切削速度條件下，切削深度與切削應(yīng)力和受力點的位移的關(guān)系。

3 UG 環(huán)境下車刀的受力分析

3.1 試驗參數(shù)

試驗條件：工件材料為中碳合金鋼，刀具材料為YT5硬質(zhì)合金，刀體幾何尺寸：B×H=16mm×16mm，L=110mm。車刀主要角度：前角0=10°，后角o=5°，主偏角kr=90°，副偏角kr'=3°，刃傾角s=-5°。刀具材料的機械性能：彈性模量E=600GPa；泊松比=0.27；密度12.8g/cm3。切削用量：切削速度v=1.33m/S，進(jìn)給量（或進(jìn)給速度）f=0.4mm/r，切削深度（背吃刀量）ap由試驗確定。

3.2 刀具有限元分析

利用UG軟件對硬質(zhì)合金車刀進(jìn)行建模，然后進(jìn)行單元格劃分，文章采用3D四面體網(wǎng)格中的CTETRA（10）類型對車刀進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元尺寸6.12mm，共劃分節(jié)點2136個、單元1080個。在刀體的上、下面和側(cè)面施加固定約束。車刀的單元格劃分和施加約束結(jié)果如圖1所示。

3.3 刀具受力分析

在UG軟件中對車刀施加載荷，由于實際情況比較復(fù)雜，為方便計算做出以下假設(shè)[3]：（1）假設(shè)刀具在整個切削過程中不會受到?jīng)_擊，是處于靜應(yīng)力分布的狀態(tài)。（2）假設(shè)在整個切削的過程中，刀具不會受到溫度變化的影響。刀具在進(jìn)行切削運動時，有三個作用力，其中Fx，F(xiàn)z作用在主切削刃上，F(xiàn)y作用于刀尖。刀具受力如圖1所示。

用UG對刀具模型分析解算。切削深度在2.36mm時的應(yīng)力云圖見圖2和位移圖見圖3。從圖2可以看到，切削深度為2.36mm時，刀尖處最大應(yīng)力滓max為580.08MPa。由圖3可以得知，此時刀具受力點處位移為3.785×10-3mm。按此方法，可以得到不同切削深度時的最大應(yīng)力數(shù)值和位移大小，切削深度與位移的關(guān)系見圖4，切削深度與應(yīng)力的關(guān)系見圖5。

3.4 受力結(jié)果分析

由公式（1）～（3）可知，改變切削深度的大小，刀刃所受切削力的數(shù)值會變。改變切深，刀具所受應(yīng)力及受力點處的位移也會發(fā)生變化，通過試驗找到有代表性的幾組數(shù)值。詳細(xì)情況見圖4和圖5。

圖4橫坐標(biāo)表示切深，單位mm，縱坐標(biāo)表示位移，單位x10-3mm。由圖4可知，刀具受力點處的位移隨切深增大而增大。UG軟件試驗結(jié)果與實際情況吻合。

圖5橫坐標(biāo)表示切深，單位mm，縱坐標(biāo)表示最大應(yīng)力，單位MPa。由圖5可知，刀具最大應(yīng)力開始隨切深增大而增大，切深在2.36mm時應(yīng)力達(dá)到最大值，隨后，最大應(yīng)力隨切深增大而減小。為保證刀具具有足夠的強度，刀具加工應(yīng)該在較小應(yīng)力下進(jìn)行，實際加工中切削深度推薦的數(shù)值為2.5～4.7mm，UG軟件試驗結(jié)果也顯示切深在2.5～3mm是合理的，這點與實際情況相符。

4 結(jié)束語

（1）文章以YT5硬質(zhì)合金的外圓車刀為例進(jìn)行刀具受力模擬分

析，得到該刀具在試驗條件下，切削深度對切削力的影響關(guān)系。（2）通過改變切削深度而改變切削力的數(shù)值，得到刀具在試驗條件下，切深與應(yīng)力及切深與位移的關(guān)系。該方法可為合理選擇切削用量提供理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]陳則鈞.車工工作手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007：350.

[2]盧秉恒.機械制造技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2014：34.

[3]寧仲良，張廣軍.刀具強度的有限元數(shù)值模擬分析[J].工具技術(shù)，2013（37）：13-15.

作者簡介：王秀芝（1969，4-），女，漢族，天津人，學(xué)歷：本科，現(xiàn)職稱：高級講師，研究方向：機械制造。