不同幾何角度車刀的溫度- 應(yīng)力耦合場分析

1、不同幾何角度車刀的溫度應(yīng)力耦合場分析X彭彬彬王愛玲龐學(xué)慧((華北工學(xué)院機(jī)械工程系山西太原030051)摘要:目的目的為了得出刀具的幾何角度與其強(qiáng)度和剛度之間的關(guān)系.方法方法以車刀為例利用有限元軟件ANSYS對(duì)車刀的各主要切削角度(包括前角、后角、主偏角、副偏角、刃傾角等)在應(yīng)力場和溫度場的共同作用下的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行了分析.結(jié)果結(jié)果得出了刀具的各主要幾何角度對(duì)刀具的強(qiáng)度和剛度的影響.結(jié)論結(jié)論刀具的溫度應(yīng)力耦合場分析分析精度明顯優(yōu)于單純的結(jié)構(gòu)

2、分析為金屬切削的理論研究與實(shí)踐以及切削力學(xué)的研究提出了一種新方法并作了有效嘗試.關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞:刀具角度有限元分析耦合中圖分類號(hào)中圖分類號(hào):TH161.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A0引言由于金屬切削加工的復(fù)雜性切削過程牽涉到刀刃前段刀具材料的大塑性變形高的切削溫度新鮮的具有化學(xué)敏感性的切出表面刀具以及加工表面的相當(dāng)高的機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力和刀具的磨損或破損等等眾多因素[1].因此盡管刀具在切削加工時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變對(duì)加工精度、刀具耐用度等因素有重大影

3、響但是在這方面的研究仍然進(jìn)行得很少或僅限于用實(shí)驗(yàn)的方法[2].近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在工業(yè)中的廣泛應(yīng)用和有限元技術(shù)的逐步完善用有限元法對(duì)刀具系統(tǒng)在切削過程中的狀態(tài)進(jìn)行模擬的方法越來越多但是對(duì)于刀具在切削過程中所受到的應(yīng)力場和溫度場大多只是分別研究這當(dāng)然與真實(shí)的切削狀況有一定的差距.作者則綜合考慮了刀具所受到的應(yīng)力場和溫度場并進(jìn)行了刀具的溫度應(yīng)力耦合場分析.由于外圓車刀的切削部分可以看作各類刀具切削部分的基本形態(tài)故作者以外圓車刀為例分析了車

4、刀各主要幾何角度對(duì)車刀的剛度及強(qiáng)度的影響.1分析方案的確立分析方案的確立車刀的主要幾何角度有前角(Co)后角(Ao)主偏角(kr)副偏角(k′r)及刃傾角(Ks)因此只需對(duì)這5個(gè)因素進(jìn)行考察.根據(jù)二水平正交表的要求作者給出刀具幾何角度的分組如表1所示[4].作者根據(jù)每一組刀具的角度值在ANSYS中用實(shí)順序耦合場分析相當(dāng)于首先進(jìn)行熱分析然后再進(jìn)行應(yīng)力分析兩次分析所采用的單元必須具有相圖2車刀的網(wǎng)格劃分及載荷分布圖Fig.2Meshload

5、distributiontofalathecutter同的結(jié)構(gòu)型式并且由于兩次分析之間有載荷的傳遞因此兩次分析只能進(jìn)行一次單元網(wǎng)格劃分這樣才能保證兩次分析所用有限元模型的一致.作者綜合考慮各因素決定熱分析采用SOLID70單元應(yīng)力分析采用SOLID45單元兩者同為8節(jié)點(diǎn)線性單元.SOLID70具有一個(gè)溫度自由度SOLID45具有UXUYUZRXRYRZ6個(gè)自由度.工件材料45鋼刀具材料W18Cr4V載荷工況的選擇為不失一般性切削速度v=

6、25mmin進(jìn)給量f=0.3mmr背吃刀量ap=4mm[5].由此得到:切削力Fz=2863N背向力FY=1301N進(jìn)給力FX=1278N切削溫度H=406℃[1].將應(yīng)力邊界條件施加于劃分完網(wǎng)格的車刀.圖2為具有第三組刀具角度值的車刀的網(wǎng)格劃分及載荷分布圖.4計(jì)算結(jié)果分析計(jì)算結(jié)果分析由ANSYS的后置處理程序可以得到如表2表3所示的基本數(shù)據(jù).當(dāng)分析各主要幾何角度的取值(本例為二水平)對(duì)最大軸向變形量以及最大應(yīng)力的影響時(shí)可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行如