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外圓切削刀具受力分析與（yǔ）研究

2019-2-22 來源：長春大學機械與車輛工程學院作者：李（lǐ）慶華，龐楠

摘要: 在（zài）切削加（jiā）工過程中，刀具和工件的相互作用是影響切削加工質量的（de）重要因素，也是加（jiā）工（gōng）係統中至關（guān）重要的環節，為了加強（qiáng）質量，提高切（qiē）削效率，本（běn）文以硬質合金刀具（jù）切削外圓為例，對刀（dāo）具（jù）受力（lì）情況進（jìn）行了分析和研究，建立了完整的分析係統; 對切削（xuē）加工過程中刀具內（nèi）應（yīng）力及變形情況進行了有限元仿真分析和試驗分析，得到了加工過程中刀具內應力及變形的（de）變化規律，為後續刀具幾何角度優化的相關研究奠（diàn）定了基礎。

關鍵詞: 外圓切削（xuē）; 刀具（jù）; 有限元; 仿真

0 引言

對於（yú）切削加工，刀具的整體結構、幾何形狀以及切削刃材料都會直接影響切削生產效（xiào）率、刀具使用壽（shòu）命和工件加工（gōng）質量（liàng）。

因（yīn）此（cǐ），對切削過程中的（de）刀具受力及變形進行有效分析，不僅有利於在加工過（guò）程中合（hé）理選擇刀具，而且（qiě）為刀具的（de）幾何（hé）角度進行有（yǒu）效的優化，提高刀具使用壽命提供理論依據。

以往很多學者對切削加工的研究（jiū）注重於通過對金屬切削過程中工件剪切區的形成過程、應力和應變場的變（biàn）化過程的分析，得出刀具本身在切削過程中所受（shòu）接觸載荷（hé）的分布情況，從而決定刀具結構（gòu）形態的好（hǎo）壞。

很少對刀具本身建立係統的分析，分析缺乏準確（què）性和說服力。本文針對上述問（wèn）題，對刀具本身結（jié）構（gòu）形態參數進行了一係列理論分析及仿真實驗，為更多相關研究（jiū）提供有力理論依據。

1 、刀具體（tǐ）外圓切削形變及應力分析

1．1 刀具受力計算

切削過程中，可由單位切削力與切削麵積求得主切削力，計算如式( 1) :

1．2 刀具變形分析

在切削過程中，將刀具視（shì）為整體，刀具夾持部分視為固定端，受力主（zhǔ）要（yào）以主切削力為主，則刀具受力模型如懸臂（bì）梁，受力分析如圖 1 所示。

圖中: F 是（shì）主（zhǔ）切削力 FZ，L 是懸臂梁總伸出（chū）長（zhǎng）度，x 是刀具距離固定端長度，正方向如方向圖標所（suǒ）示，w為撓（náo）度，即刀具的變形長度，正方向如圖標所示，根據刀具受力模型分析，可得出彎（wān）矩方程。

根據刀具的材料和幾何尺寸（cùn），建立 ANSYS 刀具有限（xiàn）元實體模型。本文選擇硬質合金刀具，彈性模量 EX 為 2．1e12，泊鬆比 PＲXY為 0．3，采用 Solid185 單元類型構造（zào）三維固體結構，單元通過 8 個節點來定義，每個節點有 3 個沿著 xyz 方向平移的自由度，且（qiě）單元具有超彈性，大變（biàn）形和大應變能力，計算精度（dù）較高。

將刀具劃分為2001 個節點、9344 個單元，如圖 2 所示。得到切削過程中刀具內部變形區域（yù）應力及變形分布，如圖 3 所示，圖 3 給出的是（shì）在刀具尖端楔角為 30°、35°、40°、45°

時模擬得到（dào）的不同刀具（jù）行程下的等效應（yīng）力分（fèn）布圖及最大位移變形圖，而（ér）尖端楔（xiē）角與刀具前角、

後角之和為 90°。

圖 3 刀具變形及應力分布情況

圖 3( a) 是刀具楔角為 30°時的內部應力分布及位移（yí）變形（xíng）圖，最大的應力為 σmax= 228．217Pa，最（zuì）大位移量為 smax= 0．00000149mm。圖 3( b) ～ ( d) 分別是刀具楔（xiē）角為 35°40°、45°時的內部應力分布及位移變形圖。最（zuì）大應力分別（bié）為（wéi） 157. 956Pa 和 203. 801Pa 之間變化，最大變形位移量分別為為 0. 00000142mm、0. 00000122mm 和 0.00000113mm。

從圖（tú）中分析得到，進入到穩定的切削過程中，刀具的楔角在一定範圍內增大，則所受的應力減小，相（xiàng）對變形減小，刀具磨損也會減小，仿真結（jié）果與計算結（jié）果也較為（wéi）符合。

1．4 試驗驗證

為（wéi）了進（jìn）一步驗證理論分析和仿真結果，進行了對比試驗，以硬質合金刀具對細長軸的外圓切削為例，切削材料為鑄鐵（tiě），材料軸徑為 12mm，長 20mm。實驗數據（jù）采集係統由應變測試模塊、無線數據傳輸模塊、接（jiē）收模塊和（hé）上位（wèi）機 4 個部分組成。

由於刀具（jù）外（wài）力（lì）主要是切削力，故刀具上下（xià）麵拉（lā）伸（shēn）變形相對明顯，所以將應變片貼在（zài）刀具下表麵，刀具懸出（chū）長度為 60mm，綜合考（kǎo）慮將（jiāng）應變片貼在距離刀尖位置 37mm 處，實驗環境及實驗結

果如圖 4 所示。

圖（tú） 4 切削試驗（yàn）對比分析

由圖 4 ( b) 可知，在應變片處（chù）位移相對穩定，變形平（píng）均值為 0. 0000003mm，根據撓度公式可知當 x =37mm 處，刀具變形值為 0. 00000016mm，同時實驗結果與仿（fǎng）真結果也大致相同。

2 、結語

通過對（duì）硬質（zhì）合金刀具切削外圓的有限元靜力理論分析及實驗分析，得（dé）到了硬質合金刀（dāo）具在外圓切（qiē）削過程中刀具內應力與變形的變化情況，確定了外圓切削過程中刀具受力及變形的（de）最大（dà）值。由對刀具（jù）受力理（lǐ）論分析及實驗（yàn）分析可（kě）知，在（zài）硬質合金刀具進行細長軸外圓切削（xuē）時，刀尖楔角在 40°至 45°範圍內，受力及變形情（qíng）況最佳，前角與後角（jiǎo）之和（hé）為 45°左右為合理值，這為進一步進行細長軸切削刀具幾何角度優化的相關研究設計奠（diàn）定了理論基礎。

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