基于UG的高速鋼車刀的力學(xué)分析

摘 要：金屬切削過程中刀具具有足夠的強(qiáng)度才能延長刀具使用壽命。文章利用UG軟件對高速鋼車刀進(jìn)行了受力分析，確定了高速鋼車刀在試驗(yàn)條件下所受切削力與切削深度的關(guān)系及此條件下刀具所受極限載荷數(shù)值。

關(guān)鍵詞：高速鋼；切削力；切削深度；極限載荷

1 切削用量與切削力

1.1 切削用量

在切削加工過程，刀具與工件的相對運(yùn)動形成切削運(yùn)動，切削用量是切削運(yùn)動時各參數(shù)的合稱，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。但是切削速度、進(jìn)給量和切削深度的最佳組合手冊中無法查到。

1.2 切削力

車削加工中，刀具受到3個方向的切削力，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(yàn)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=248.32ap1.2 （1）

Fy=213.32ap0.9 （2）

Fz=722.77ap （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所承受的最大切削深度。即可通過公式求出刀具所能承受的極限載荷數(shù)值。

2 UG環(huán)境下車刀的受力分析

2.1 試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)條件：工件材料為碳素鋼，刀具材料為W18Cr4V高速鋼，刀體幾何尺寸：BH=16mm×16mm，L=116mm。車刀主要角度：車刀主要角度：前角？酌0=0°，后角？琢o=5°，主偏角？資r=90°，副偏角？資'r=3°，刃傾角？姿s=-0°。刀具材料的機(jī)械性能：許用應(yīng)力[？滓]=392MPa；彈性模量E=225GPa；泊松比？滋=0.29；密度8.26×10-8g/cm3。切削用量：切削速度v=0.6m/S，進(jìn)給量（或進(jìn)給速度）f=0.4mm/r，切削深度（背吃刀量）ap=2.4～4.7mm，文章就是通過UG軟件，在確定的切削速度和進(jìn)給量及切削深度的推薦范圍內(nèi)，找到可以使用的最大切削深度，進(jìn)而計算刀具所能承受的極限載荷數(shù)值。

2.2 刀具有限元分析

利用UG軟件對高速鋼車刀進(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6.25mm，共劃分節(jié)點(diǎn)1528個、單元730個。在刀體的上、下面和側(cè)面施加固定約束。高速鋼車刀的單元格劃分和施加約束結(jié)果如圖2所示。

2.3 刀具受力分析

在UG軟件中對車刀施加載荷，由于實(shí)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(yùn)動時，有三個作用力Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z作用在主切削刃上，其中，F(xiàn)z沿-Zc方向，F(xiàn)x則沿-Xc方向作用在主切削刃上，F(xiàn)y沿Yc方向方向作用于刀尖。刀具受力如圖2所示。

用UG自帶的UG Nastran求解器進(jìn)行分析解算。求解完成后點(diǎn)擊查看“應(yīng)力-單元的”中的“Von-Mises”，結(jié)果顯示應(yīng)力云圖見圖3，圖中所示為切削深度在3.25mm時的應(yīng)力云圖，可看到刀尖處最大應(yīng)力？滓max為391.93MPa。按此方法，可以得到不同切削深度時的應(yīng)力云圖，得到不同切深時刀具所受最大應(yīng)力值。具體關(guān)系見表1。

2.4 受力結(jié)果分析

通過改變切削深度的大小而改變切削力的數(shù)值，其定量關(guān)系見公式（1）～（3），不同切削深度下，刀尖的最大接觸應(yīng)力值也不一樣。通過試驗(yàn)找到有代表性的幾組數(shù)值。詳細(xì)情況見表1。

由表1可以看到，切削深度為3.25mm時，刀尖所受最大應(yīng)力沒有超過許用應(yīng)力，而當(dāng)切削深度為3.26mm時，刀尖所受最大應(yīng)力超過許用應(yīng)力。切削深度3.25mm就是W18Cr4V高速鋼在切削速度為0.6m/S，進(jìn)給量為0.4mm/r時的最大切深，對應(yīng)的切削力就是刀具在此條件下的極限載荷數(shù)值。即Fz=2511.5N，F(xiàn)y=616.2N，F(xiàn)x=1021.5N。

3 結(jié)束語

（1）文章以外圓車刀為例進(jìn)行刀具受力模擬分析，得到W18Cr4

V高速鋼在試驗(yàn)條件下，切削力和切削深度的關(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(yàn)條件下所受極限載荷數(shù)值。該方法可為合理選擇切削用量以及對刀具進(jìn)行失效分析提供理論依據(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(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014：34.

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