車床刀套設(shè)計制造和結(jié)構(gòu)有限元分析

王坤峰 王龍飛

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，西安 710300）

數(shù)控車床常用的刀具刀桿規(guī)格為20mm×20mm和25mm×25mm，在日常的生產(chǎn)加工中，不同的刀架臺使用不同規(guī)格的刀具。但是，在加工一些特殊形狀時，如梯形螺紋，如果刀桿尺寸較小，相對應(yīng)的螺紋螺距也較小。這樣20mm×20mm的刀桿所裝夾的刀片無法加工大螺距梯形螺紋，而滿足要求的25mm×25mm刀桿又無法安裝到20mm×20mm的刀架臺上。為了將25mm×25mm刀桿安裝到20mm×20mm的刀架臺上，筆者設(shè)計了一款車床刀套，以實現(xiàn)不同規(guī)格刀桿的轉(zhuǎn)換使用[1-2]。

首先使用Pro/E軟件設(shè)計出車床刀套的結(jié)構(gòu)，再使用ABAQUS軟件對設(shè)計好的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，分析車床刀套的受力分析等情況，觀察其是否滿足強度要求，最后使用數(shù)控銑床進(jìn)行加工和制造，并將車床刀套安裝在數(shù)控車床上，試驗其切削加工效果，觀察其使用中存在的問題[3-5]。

1 車床刀套設(shè)計

大連機床集團(tuán)生產(chǎn)的CKA6136數(shù)控車床刀架臺如圖1所示，其使用20mm×20mm刀桿，無法安裝25mm×25mm的刀桿，因為刀尖高度大于零件回轉(zhuǎn)中心?，F(xiàn)設(shè)計一款刀架刀套，如圖2所示。

圖1 車床刀架臺

基于現(xiàn)有材料，使用φ80的45鋼棒料來制作刀套。刀套右邊臺階尺寸20mm×25mm，20mm與原20mm×20mm刀桿寬度一致，方便裝夾。刀套左邊方槽裝夾25mm×25mm刀桿，其尺寸為25mm×30mm，25mm與刀桿寬度一致，30mm比25mm大5mm，方便通過螺栓裝夾刀桿。刀套的整體設(shè)計中，關(guān)鍵點在于左邊的方槽比右邊的臺階低5mm，以實現(xiàn)25mm×25mm刀桿的刀尖中心高度與20mm×20mm刀桿中心高度裝夾高度一致。在刀套左邊方槽上方設(shè)計兩個均布M12螺紋孔，用以安裝螺栓，固定25mm×25mm刀桿。整個刀套依靠右邊臺階安裝在刀架臺上，由刀架臺螺栓固定。

圖2 車床刀套二維圖

2 刀套三維建模

通過Pro/E軟件，對車床刀套進(jìn)行三維仿真建模，首先選擇“拉伸”工具，放置在FRONT 平面進(jìn)行草繪，繪制一直徑為φ80mm，拉伸長度為75mm的圓柱體，結(jié)果如圖3（a）所示。第二步繼續(xù)選擇“拉伸”工具，放置在FRONT平面進(jìn)行草繪，繪制如圖2所示外形輪廓，然后進(jìn)行反向切除，如圖3（b）所示。第三步以FRONT平面為基準(zhǔn)面偏25mm建立兩個輔助平面DTM1和DTM2，然后使用“拉伸”工具，在TOP平面建立兩個φ12螺紋孔，如圖3（c）所示。第四步，點擊“插入”“螺紋掃描”“切口”按步驟建立螺紋，最后對稱到另外一個孔，如圖3（d）所示。

3 刀套有限元分析

在加工過程中，車床會受到材料的一個反作用力Fr，如圖4所示，該反作用力Fr可分解為Fx、Fy和Fz，本文近似將車刀受到的反作用力應(yīng)用于刀套上，作用點如圖2所示的a點，以便進(jìn)行應(yīng)力分析。假設(shè)刀套安裝YT15硬質(zhì)合金車刀，縱車σb=0.588GPa的熱軋鋼外圓，切削速度vc=100m/min，背吃刀量ap=4mm，進(jìn)給量f=0.3mm/r。相關(guān)變量的關(guān)系如下：

由 式（1） 計 算 可 得：Fx=783.32N，F(xiàn)y=456.7N，F(xiàn)z=1620N。

圖3 車床刀套三維模型

圖4 車刀受力圖

同時，刀套右邊20mm×25mm臺階被M12螺栓固定，計算得知向下的預(yù)緊力為26976～37766.4N，取預(yù)緊力為27000N，刀套材料為45鋼，密度7890kg/m3，彈性模量為209000GPa，泊松比為0.269。然后，利用ABAQUS軟件對刀套進(jìn)行有限元分析。

通過圖5觀察得知，刀套的最大應(yīng)力值為8256Pa，小于45鋼的屈服極限355MPa。同時發(fā)現(xiàn)，刀套的應(yīng)力集中點為螺栓和刀套接觸點、刀具與刀套的接觸點，說明刀套結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，沒有應(yīng)力突出點。

圖5 刀套有限元分析圖

4 加工和制造

利用西門子數(shù)控銑床，可對設(shè)計好的機械零件進(jìn)行加工。加工過程中需要考慮臺階與方槽之間5mm的高度差，這是車床車套設(shè)計的關(guān)鍵點，同時需要保證這5mm的精度。將加工好的車床車套安裝好刀具，裝夾到車床刀架臺，便可以進(jìn)行機械零件的加工，如圖6所示。在車床車套使用的過程中，需要注意的是，換刀時，刀架臺一定要遠(yuǎn)離三爪卡盤，防止撞刀。

圖6 刀套安裝使用示意圖

5 結(jié)語

本文基于Pro/E軟件，設(shè)計了一款新型車床刀套，解決了大尺寸刀桿無法安裝到小尺寸刀架臺的問題，解決了不同尺寸刀桿之間的轉(zhuǎn)換問題。最后對刀套進(jìn)行了有限元建模，分析了其應(yīng)力、應(yīng)變。分析結(jié)果表明，該車床刀套設(shè)計合理。該車床刀套的設(shè)計和制造，具有一定的生產(chǎn)實踐作用，解決了實際生產(chǎn)加工過程中存在的一些問題，為數(shù)控車床制造提出了新思路。