基于UG的車刀強(qiáng)度有限元分析

摘 要：金屬切削過程中刀具各部分受到的載荷強(qiáng)度是不一樣的，掌握各部分的應(yīng)力分布狀態(tài)，對于挑選零件，延長刀具使用壽命，提高車削工作安全系數(shù)都擁有很大的價(jià)值。文章中利用UG軟件強(qiáng)大的參數(shù)化建模以及高級仿真功能，對高速鋼車刀進(jìn)行了有限元分析，確定了高速鋼車刀工作時(shí)各點(diǎn)的應(yīng)力分布情況。

關(guān)鍵詞：高速鋼；參數(shù)化建模；高級仿真；有限元分析

引言

在車刀進(jìn)行切削運(yùn)動(dòng)的過程中，能夠?qū)Φ毒叩氖褂脡勖?、工作效率以及加工的質(zhì)量產(chǎn)生影響的原因較多，包括有刀具整體的構(gòu)造情況、構(gòu)成刀具的材料的性質(zhì)功能，甚至刀具的外觀形狀也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。因此，只有做好各個(gè)方面的設(shè)計(jì)，才能實(shí)現(xiàn)刀具在工作過程中強(qiáng)度、韌度、壽命以及工藝性的優(yōu)質(zhì)表現(xiàn)。所以何種情況下該使用何種刀具就變得尤為重要。文章主要利用UG的參數(shù)化建模以及高級仿真功能，研究車刀內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，以便于更好的選擇切削工作中的所需的刀具。

1 UG高級仿真的優(yōu)勢

UG高級仿真的優(yōu)勢非常明顯，第一可以進(jìn)行有限元建模；第二則是能夠?qū)⒔Y(jié)果可視化；第三還能夠?qū)崿F(xiàn)對多種產(chǎn)品性能的評估解算。UG高級仿真模塊的使用，為業(yè)界許多解算和材料的構(gòu)建提供了幫助。

首先是對解算器的支持。通常情況下，許多行業(yè)都會(huì)期望支持解算器的系統(tǒng)能夠做到無縫、透明，對于這一要求，UG高級仿真模塊能夠很好的滿足這一點(diǎn)。在對一些解算器如NX Nastran、MSC Nas-tran和ABAQUS等提供支持時(shí)，能夠提升工作的效率，不用先導(dǎo)出解算器文件，直接通過解算模型來進(jìn)行解算，在UG高級仿真中就能夠查看結(jié)果。

同時(shí)，UG高級仿真模塊中的設(shè)計(jì)功能非常完善，這是因?yàn)樵赨G高級仿真模塊中含有一個(gè)較為完善的材料庫，在設(shè)計(jì)時(shí)能夠根據(jù)設(shè)計(jì)者的需求來完成任務(wù)，創(chuàng)建的材料能夠擁有各向同性、各向異性、正交各向異性，并且如果設(shè)計(jì)者有需求，還能夠設(shè)計(jì)流體和超彈性材料。文章就將使用UG高級仿真模塊對高速鋼車刀模型進(jìn)行有限元分析。

2 車刀參數(shù)化力學(xué)模型的建立

通常情況下，在進(jìn)行金屬切削時(shí)，我們需要重點(diǎn)考慮刀具的切削力，切削力的大小與金屬和刀具的構(gòu)成有非常大的關(guān)系，因?yàn)檫@是一種在切削過程中金屬對刀具抵抗所產(chǎn)生的阻力，此時(shí)，要對切削力進(jìn)行準(zhǔn)確的分析，就需要進(jìn)行建模計(jì)算，提前對刀具的受力情況進(jìn)行預(yù)測。因此，可以建立一個(gè)以切削主運(yùn)動(dòng)速度方向、切深方向以及機(jī)床進(jìn)給方向的空間直角坐標(biāo)系OXYZ，以三個(gè)方向的分析來對切削力的分解進(jìn)行觀察計(jì)算，在此模型中，以Fz來代表切向力、切深抗力，F(xiàn)y來表示徑向力和進(jìn)給抗力，F(xiàn)x則為軸向力，見圖1。[2]

從受力分析圖中來看，機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)會(huì)受到進(jìn)給抗力Fx，進(jìn)給抗力的作用，能夠?qū)C(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的受力情況進(jìn)行預(yù)測，尤其是進(jìn)給系統(tǒng)中的核心零部件。然后是切深抗力Fy，切深抗力整體來說不會(huì)消耗功率，但是能夠?qū)α慵募庸べ|(zhì)量有很好的檢測能力，會(huì)直接影響到工藝系統(tǒng)的變形，也會(huì)對零件加工的效果有較大的影響。還有一種情況是切深抗力Fy對于零件變形和加工振動(dòng)的影響非常大，此時(shí)很可能是工藝系統(tǒng)的剛性較弱，機(jī)床是以一夾具一刀具一工件的組成模式，F(xiàn)y將直接作用于工藝系統(tǒng)并產(chǎn)生非常大的影響。從分力大小的角度來分析，最大的分析時(shí)主切削力Fz，在設(shè)計(jì)和使用刀具時(shí)一定要對主切削力Fz的情況進(jìn)行準(zhǔn)確的分析，同時(shí)，還可將分析主切削力Fz的數(shù)據(jù)用于對機(jī)床、夾具等零件的輕度、剛度進(jìn)行核算。

3 UG環(huán)境下刀片的有限元分析

3.1 模型建立及前置處理

3.1.1 模型建立

利用UG對高速鋼車刀進(jìn)行精確建模，如圖2所示。由于車刀工作時(shí)只要刀片受到力的作用，刀體只起到添加約束的作用，所以模型可進(jìn)行簡化，如圖3所示，提取高速鋼車刀的刀片進(jìn)行應(yīng)力分析。

3.1.2 添加材料屬性

UG高級仿真模塊內(nèi)嵌的常用工程材料數(shù)據(jù)庫，用戶可以從中指定分析對象的材料屬性，也可以根據(jù)所研究的材料，創(chuàng)建新材料并定義材料屬性。文中高速鋼刀片材料為W18Cr4V，密度為8.26×106g/cm3，楊氏模量225GPa，泊松比0.29，許用應(yīng)力343～392MPa。

3.1.3 網(wǎng)格劃分

考慮刀片的精度要求及計(jì)算求解時(shí)間等實(shí)際因素，文章采用3D四面體網(wǎng)格中的CTETRA（10）類型對刀片進(jìn)行網(wǎng)格劃分。高速鋼車刀結(jié)果如圖3所示，單元設(shè)計(jì)尺寸1.82mm，共劃分節(jié)點(diǎn)636個(gè)、單元261個(gè)。

3.1.4 添加約束

考慮到刀片受到的約束是刀體施加給它的，所以刀片受到的約束都作用在與刀體的接觸面。結(jié)合圖2可知，接觸面為刀片下表面及側(cè)面曲面。我們可以給其施加固定約束。

3.1.5 添加載荷

由于實(shí)際情況比較復(fù)雜，為方便計(jì)算做出以下假設(shè)：（1）假設(shè)材料不會(huì)發(fā)生屈服；（2）假設(shè)刀具在整個(gè)切削過程中不會(huì)受到?jīng)_擊，是處于靜應(yīng)力分布的狀態(tài)；（3）假設(shè)在整個(gè)切削的過程中刀具不會(huì)受

到溫度變化的影響。

刀具在進(jìn)行切削運(yùn)動(dòng)時(shí)，三個(gè)作用力Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z作用在主切削刃上，其中Fy，F(xiàn)z分別沿圖4所示Xc方向和-Zc方向作用在主切削刃上，F(xiàn)x則沿Yc方向作用于刀尖。

用W18Cr4V高速鋼車刀車外圓縱車δ=0.637GPa的結(jié)構(gòu)鋼，車刀集合參數(shù)為：主偏角？資r=90°，？酌=10°，刃傾角？姿=0°，切削用量為：背吃刀量3mm，進(jìn)給量0.4mm，速度v=0.6m/s。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得：Fx=542N，F(xiàn)y=614.8N，F(xiàn)z=2553N。

3.2 分析求解

文章選用UG自帶的UG Nastran求解器進(jìn)行分析計(jì)算。打開求解對話框，系統(tǒng)對仿真方案進(jìn)行求解。求解完成后點(diǎn)擊查看結(jié)果，“應(yīng)力-單元節(jié)點(diǎn)”中的“Von-Mises”顯示如圖5高速鋼車刀的“應(yīng)力云圖”。[3]

3.3導(dǎo)出報(bào)告

最后也是最重要的一步，將報(bào)告導(dǎo)出。首先是點(diǎn)擊下拉菜單中的“工具”，然后選擇“導(dǎo)出報(bào)告”，在點(diǎn)擊了導(dǎo)出報(bào)告后，系統(tǒng)上會(huì)顯示出創(chuàng)建好的報(bào)告，此時(shí)可以對報(bào)告的內(nèi)容進(jìn)行核對，其中應(yīng)該包含投在本次UG有限元設(shè)置的所有內(nèi)容和進(jìn)度報(bào)告，確認(rèn)無缺漏和差錯(cuò)后，將報(bào)告導(dǎo)出，整個(gè)UG有限元的分析也就完成了。

4 結(jié)束語

（1）UG軟件功能比較強(qiáng)大，利用其仿真功能，對刀具強(qiáng)度進(jìn)行應(yīng)力分析，能夠比較精確的掌握刀具各點(diǎn)的受力情況。便于我們更好的選擇并使用合適的刀具進(jìn)行切削工作。

（2）車刀在進(jìn)行車削運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)受力點(diǎn)來分析，最大的受力點(diǎn)應(yīng)該在刀尖部位，因此，要避免刀具受到破壞，就一定要增強(qiáng)刀具的強(qiáng)度，可以盡量使用高強(qiáng)度的刀片材料，這樣能夠很好的保護(hù)刀尖和刀刃。同時(shí)，切削的過程是會(huì)產(chǎn)生非常大摩擦作用的，在巨大的摩擦力下，刀具與工件材料之間的溫度會(huì)有明顯的提升。高溫的影響會(huì)使刀具發(fā)生變形或刀刃點(diǎn)蝕，這樣對于加工的精度會(huì)產(chǎn)生非常不利的影響，尤其是在最大受力點(diǎn)的刀尖部位。因此，要重點(diǎn)對切削參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，盡量減少刀具受到的力，讓刀具在進(jìn)行切削的過程中，整個(gè)運(yùn)作是出于穩(wěn)定狀態(tài)的。而對于一些已經(jīng)使用過的刀具，再次使用時(shí)要進(jìn)行檢查，如果有缺損的情況，則及時(shí)進(jìn)行刀具補(bǔ)償，提升工件加工的精準(zhǔn)率。

參考文獻(xiàn)

[1]袁銳強(qiáng)，梁繼洪，張貴成，等.基于UG高級仿真模塊的壓力機(jī)曲軸危險(xiǎn)截面的分析[J].2011（8）：36-37.

[2]寧仲良，張廣軍.刀具強(qiáng)度的有限元數(shù)值模擬分析[J].金屬學(xué)與金屬工藝，2013（37）：13-15.

[3]李濤，姜琨久.基于UG軟件有限元分析的零件受力分析[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2013（28）：63-64.

作者簡介：蘆嘯天（1994，2-），男，漢族，河南開封人，學(xué)歷：本科，在校大學(xué)生，研究方向：農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動(dòng)化。