基于ANSYS的可轉(zhuǎn)位車刀有限元分析

張海霞 王南 劉月英

摘 要：應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件對可轉(zhuǎn)位車刀，從其刀具的切削參數(shù)及其受力的分布規(guī)律等方面進(jìn)行詳細(xì)分析，分析結(jié)果對改善可轉(zhuǎn)位車刀的工作性能，增加其使用壽命等方面都具有重要的參考意義和實際應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：ANSYS;可轉(zhuǎn)位車刀

1.前沿

可轉(zhuǎn)位車刀是一種應(yīng)用在數(shù)控車床上的刀具，主要用來進(jìn)行零件加工時的切斷、外表面切削、圓周切削等作業(yè)，在機(jī)械加工領(lǐng)域具有十分重要的意義，可轉(zhuǎn)位車刀刀片具有供切削時選用的幾何參數(shù)和三個以上供轉(zhuǎn)位用的切削刃，當(dāng)一個切削刃磨損后，松開夾緊機(jī)構(gòu)，將刀片轉(zhuǎn)位到另一切削刃后再夾緊，即可進(jìn)行切削，當(dāng)所有切削刃磨損后，則可取下再代之以新的同類刀片。不僅可以大大提高切削加工效率，還可以節(jié)省加工制造的成本，如今可轉(zhuǎn)位車刀被越來越多的應(yīng)用在零件加工的場合。

2.可轉(zhuǎn)位車刀有限元分析

有限元分析（FEA，F(xiàn)inite Element Analysis）是使用數(shù)學(xué)計算的方式對真正的工況以及場等抽象的物理現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值化模擬，將真實存在的現(xiàn)象和物品進(jìn)行抽象化描述，將其劃分為簡單的盡可能多的元素去模擬無限接近原型，以逼近真實環(huán)境，其算法與高等數(shù)學(xué)中的微積分原理相似。本文采用有限元分析法，應(yīng)用ANSYS軟件對可轉(zhuǎn)位車刀進(jìn)行分析。

2.1 可轉(zhuǎn)位車刀有限元分析模型的建立

根據(jù)可轉(zhuǎn)位刀片實際應(yīng)用的情況，選用牌號為YT14的硬質(zhì)合金材料，它的主要力學(xué)特性參數(shù)是彈性模量E=5.25Gpa，泊松比P=0.25，刀桿材料是45號鋼，彈性模量E=210Gpa，泊松比v=0.3。利用ANSYS進(jìn)行分析之前，考慮到可轉(zhuǎn)位刀片的具體形狀及受力特點，在不影響計算精度的情況下，采用了四面體實體單元對其進(jìn)行有限元網(wǎng)格的自由劃分，由于在整個切削過程中，應(yīng)力應(yīng)變的變化主要集中在刀尖周圍區(qū)域，因而對該部位進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)分。? ?根據(jù)以上方法，可轉(zhuǎn)位刀片共被劃分為35146個節(jié)點，24940個元素，最終生成的網(wǎng)格模型如圖1-1所示。

2.2 施加約束和載荷

為了得到較為精確的計算結(jié)果，需要根據(jù)可轉(zhuǎn)位刀片的實際情況對其施加約束和載荷。分析可轉(zhuǎn)位刀具的結(jié)構(gòu)，刀體通過機(jī)械的方式將刀片加緊在刀體上，刀柄槽中放置刀片，刀片Z軸負(fù)方向的位置由刀片底面約束，刀片Z軸正方向的位置被刀片前面的壓板約束，刀柄槽的兩側(cè)面約束刀片Y方向位移，刀片的X，Y，Z軸的旋轉(zhuǎn)被刀槽底面、兩側(cè)、中心孔和壓板等同時約束。

針對可轉(zhuǎn)位車刀施加載荷，某些載荷的施加對之后的求解有一定的影響，通過選擇Main Menu-Solution-Loads-Settings菜單進(jìn)行設(shè)置，在刀片和刀桿之間有三種載荷。第一種載荷是刀片與刀桿產(chǎn)生的緊壓力，第二種載荷是刀片產(chǎn)生的切削力，第三種載荷是熱量載荷，是在切削過程中在前刀面和工件接觸中由于摩擦，溫度劇烈升高而產(chǎn)生的。

2.3 分析求解

圖1-2為可轉(zhuǎn)位車刀應(yīng)力應(yīng)變云圖，可以看出主切削刃靠近刀尖的部位應(yīng)變最大，應(yīng)力也最大。如圖1-3為可轉(zhuǎn)位車刀刀尖位置的應(yīng)力應(yīng)變云圖，最大應(yīng)力值為：1.975×（10的9次方）pa，與車刀實際工作狀況較為相符。

由此得出該刀片的刀尖是非常重要的失效部位。

3.結(jié)論

使刀尖失效的因素有很多，例如刀具本身的質(zhì)量，如果刀具質(zhì)量較差則其不能承受過大的應(yīng)力，機(jī)床的工作性能也是影響因素之一，工件夾緊方式是否正確，刀具的硬度和使用刀片的合理性以及切削參數(shù)是否合理等因素都對刀具的失效產(chǎn)生影響，其中，對切削性能影響最為重要的是刀具本身的結(jié)構(gòu)性能參數(shù)。在實際加工過程中，要使刀具達(dá)到最佳狀態(tài)，才能保證加工要求。

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