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彭彬彬王愛玲龐學慧((華北工學院機械工程系山西太原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)變進行了分析.結(jié)果結(jié)果得出了刀具的各主要幾何角度對刀具的強度和剛度的影響.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踐以及切削力學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中圖分類號:TH161.3文獻標識碼文獻標識碼:A0引言由于金屬切削加工的復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敏感性的切出表面刀具以及加工表面的相當高的機械應(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的應(yīng)力應(yīng)變對加工精度、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行得很少或僅限于用實驗的方法[2].近年來隨著計算機技術(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刀具系統(tǒng)在切削過程中的狀態(tài)進行模擬的方法越來越多但是對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然與真實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車刀的剛度及強度的影響.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)因此只需對這5個因素進行考察.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中用實順序耦合場分析相當于首先進行熱分析然后再進行應(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)點線性單元.SOLID70具有一個溫度自由度SOLID45具有UXUYUZRXRYRZ6個自由度.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計算結(jié)果分析計算結(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).當分析各主要幾何角度的取值(本例為二水平)對最大軸向變形量以及最大應(yīng)力的影響時可以對數(shù)據(jù)進行如