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基於ABAQUS 的數控（kòng）車（chē）床刀具刀架的有限元分析

2016-12-7 來源：遼寧（níng）建築職業學院機械（xiè）工程作者：紀海峰

摘　要:在切（qiē）削加工中,刀具的剛度、強度以及產生的共振等問題都會影響加（jiā）工精度,是機械機構設計（jì）研究時不可忽視的問題,利用有限元分析軟（ruǎn）件ABAQUS 對在粗（cū）車時對刀具的剛度和強度進行了（le）靜（jìng）力學分析,對刀具（jù）刀架進行了（le）模態分析,得到刀具刀架的前4 階固有頻率和（hé）振（zhèn）型,並驗（yàn）證了刀具和刀（dāo）架的設計均合理,所使用（yòng）的研究方法為今後驗證類似模型驗證提供了參考依據。

關鍵詞:數控（kòng）車床;刀具刀（dāo）架;ABAQUS;有限元分析

0.引　言

在車削（xuē）加（jiā）工中（zhōng）,刀具的（de）剛度和強度是保證加工（gōng）精（jīng）度的重要原因之一,在加工過程中工件及刀架係統的變形（xíng）而產生的（de）低（dī）頻（pín）振動和因頻率接近（jìn）車刀的固有頻率而使車刀發生變形的高頻振動均（jun1）是產生振動的原因[1] 。這會使加工精度大大降低,使加工後的工件（jiàn）尺寸產生較大誤差,同時也會直接影響車床的穩定性。因此有必要對刀具和刀架進行（háng）模態分析,從而加深對其（qí）動態特性的進一步了解。

筆者（zhě）主要以CAK40100 數控車床上（shàng）的刀具刀架為（wéi）研究對（duì）象,通過使用ABAQUS 軟件對刀（dāo）具刀架進行有限元靜力分析和模態（tài）分析,對（duì）刀具的（de）剛度和（hé）強度進行分析,同時找出刀具刀架的共振頻率,並通過機床的共振頻率來對結（jié）果加以驗證。

1.車刀有限元靜力分析

對工件加工的過程中（zhōng）,刀具質量和性能的優劣對工件的加工精度有著十分重要的影響。這樣對刀具的分析則顯得十分必要。接下來就（jiù）以車刀為例,使ABAQUS 軟件對車刀進行靜力分析和模（mó）態分析,獲得車刀受力後的參數、固有頻率和振型,並對結（jié）果進行分析和驗證。

1. 1　車刀選擇

本次選用的數（shù）控車刀為55°的偏（piān）刀,其組成為可轉位刀片,刀（dāo）杆和螺釘,並使用Pro/ E 軟件完成了對刀具的建模,車刀（dāo）的組裝圖如圖1 所示。該車刀的主要物理特性參數（shù）如表1 所示,其中刀杆材料為鋼,可轉位刀片材料為WC 硬（yìng）質合金。

表1　可轉（zhuǎn）位（wèi）車刀主要（yào）的物理參數表

1. 2　模型導入

為了避免在模型導入後的（de）網格劃分（fèn）階段出（chū）現（xiàn）問題,需要（yào）對車刀模型進（jìn）行簡化,將（jiāng）其上麵所有的倒圓角去掉,並且（qiě）將螺釘部分進（jìn）行省略,簡化之後的車刀模型如圖2 所示（shì）。簡化後將其（qí）保存成Parasolid(?. x_t)格式,以備（bèi）後續調用。

1. 3　網格劃分

對車刀的網（wǎng）格劃分使用四麵體單元來進行（háng）劃分（fèn）。在劃分的過程中,主要受力部分的（de）網格（gé）需要對其進行詳細劃分,由於刀（dāo）尖受力較複（fù）雜且為了今後能夠更（gèng）好的對其進行分析,所以刀尖部分的（de）網格劃分需要十分（fèn）詳細。由於刀杆部分是固定的,受力相對簡單,且考慮到應盡量的節（jiē）省計算機的資源,所以在對刀杆（gǎn）部分簡化處理,這樣完成整（zhěng）體網格劃分的（de）刀具如圖3。

1. 4　刀具受力分析（xī）

在車削（xuē）加工工件的過程中（zhōng）,車刀主要受（shòu）兩種外力:第一種是在生成切屑的過程中,所（suǒ）發（fā）生的彈性和及塑性變形對車刀（dāo）所（suǒ）產生的抗力,第二（èr）種是切屑和工件表麵對車刀的阻力,它作用在前刀（dāo）麵和（hé）後刀麵上,但是對於（yú）尖銳的刀具來說,作用在前刀麵的（de）切（qiē）削力是主要的,作用在後刀麵的力所占（zhàn）的（de）比例很小[3] ,所以在大切深的時候,可（kě）近似的認為前刀麵的作用力約等於切削力。車削時刀（dāo）具受力分析如圖4 所（suǒ）示[4] 。

在車（chē）削過程中,考（kǎo）慮到低轉速（sù）,大切深的情況下是（shì）切削力最大的極（jí）限工況,所以選（xuǎn）擇粗車的情況來進行分析,粗車時相關參數如表2。由於模擬的是（shì）刀具（jù）所受的軸向力最大的極限情況,所以刀具（jù）主要受軸向力（lì）作用,即（jí）刀杆固定,刀尖處主要（yào）施加軸向載荷。

表2　粗車時的各項參數

1. 5　結果分析

通過ABAQUS 軟件分析可知在（zài）粗車的工況下:粗車的靜態（tài）分析刀尖處是應力、應變最集中地地方,同時發生位移也最大（dà）,其最大應力為（wéi）4. 984e+3 MPa,即4 984 MPa;最大位移量為1. 662e-01 mm,即0.166 2 mm;最大應變1. 366e-02,車刀各項分析（xī）結果如圖5 所示。從分析結果可看出（chū）,在粗車時最大位移和最大（dà）應力均發生在刀尖處（chù）,應力值為4 984 MPa,已經非常接近5 460 MPa,但（dàn）在其允許範圍內。最大位移為0. 166 2 mm,位移量（liàng）也（yě）十分微小,而（ér）應（yīng）變為0.013 66,非常微小可（kě）以（yǐ）忽略不計（jì）,所車刀是合格的。

圖5　車刀各項分析結果

通（tōng）過本（běn）次分析可以看到,當粗車時如果一些參數沒（méi）有調整好,很可能會發生刀具（jù）破壞即崩（bēng）刀現象（xiàng）,這與實際的加工情況吻合,所以在進行粗車時進（jìn）給量不（bú）應（yīng）過大,以避免出現崩刀（dāo）現象（xiàng）,從（cóng）而影（yǐng）響加工。

模態分析（xī）理論

假設結構的自由度為N,則結構的其矩（jǔ）陣形式如下所示[5-8] :

2.刀具（jù）刀架的有限元模態分析

2. 1　刀具刀架三維模型的建立

刀具刀架可看做是（shì）一個係統的模態分析,主要任務是計算其固有頻（pín）率和振型,由（yóu）於刀（dāo）具刀架零件比較（jiào）複（fù）雜,適當的處理簡化可以減少計算機運算資源,因此在進行模態分析前對刀（dāo）具刀架零件模型（xíng）進（jìn）行了相應的簡化處理,將刀具刀架三維模型導入ABAQUS軟件後生成的刀（dāo）具和刀架模型如圖6 所示。

2. 2　刀（dāo）具（jù）刀架有（yǒu）限元模（mó）型的建立

接下來使用（yòng）ABAQUS 軟件來模擬所建立的刀具刀架模型的模態分析,在屬性中將刀頭、刀杆（gǎn）和刀架的各項物理特性(如（rú）密度、彈性（xìng）模量和泊鬆比等)如表3 所列,並參數輸入（rù）到屬性裏。

表3　刀具刀架主要的物理參數表

對刀具刀架（jià）的三維模型進行網格劃分,選用四麵體單元來對主軸進行網格劃分,在進行網格劃分的過程中,一些關鍵的地方（fāng）需要進行更加細致的網格劃（huá）分,這（zhè）樣才能將分析的結果與真實（shí）加工的情況更加貼切。在加工過程中,刀（dāo）具的刀尖部分受（shòu）力是最主要的,所以需要更加詳細的來進行劃分,刀架頂部的屬於非受力和（hé）變形區域,所以網格可劃分密度較低,劃分完畢的刀具和刀（dāo）架的網格劃（huá）分模型如圖7 所示。

3.刀具刀架的（de）有限元模態分析（xī）

對刀具刀架進（jìn）行模態分（fèn）析,為了與實際的加工（gōng）工況相（xiàng）一致,在對其進行受力分析的過程中,在刀架的底部（bù）施加邊界條件,對其進行約束,以模擬真實（shí）加工中的載荷情況。分析完畢後,取前4 階（jiē）結果,如表4。經（jīng）過分析計算後,所（suǒ）得前4 階的振型圖如圖8。

表4　刀具刀架分析結果

通（tōng）過對以上的頻率進行分析,在第1 階和第2階,刀具的獨（dú）立振動較（jiào）大,從第3 階開始刀具和刀架（jià）均發生比較大的振動,所以在對其進行模態分析的（de）時候,首先（xiān）分析（xī）較低階的模態。已知轉速（sù）與（yǔ）頻率的關係為:n =60 f,式中,n 為轉速,f 為頻率。處於對安（ān）全性能考慮,要求刀具和刀架的最高轉速應低於1 階臨界轉速的75%。從表4 中可得,其1 階的臨界轉速的（de）75%為60×247. 51×0. 75 =11 137. 95 r/ min,而本車床最高轉速為2 500 r/ min,遠（yuǎn）遠低於1 階的臨界轉速,說明刀具刀架的設計（jì）也是合理的,並能夠避開共振區（qū）,保證加工精（jīng）度。

圖（tú）8　前4 階各（gè）階的陣型圖（tú）

4.結論

介紹了使用ABAQUS 軟件對（duì）刀具進行靜力分析,通過刀具的應力、應變和位（wèi）移雲圖的分（fèn）析對其剛度和強度進行了驗證,同時又對刀具（jù）刀架進行了（le）模態分析,計算了刀具刀架的固有頻率和振（zhèn）型, 並通過對固有頻率（lǜ）和振型的分析, 得到了（le）刀架（jià）係統在切削過（guò）程中（zhōng）容易發生共振的（de）頻率（lǜ）範圍,同（tóng）時也驗（yàn）證了原有的刀具刀架設計的（de）合理性,為今後進一步的動力學（xué）研究（jiū）提供了依據。

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