刀具冲击破损实验装置的设计研究.doc

精品论文刀具冲击破损实验装置的设计研究邹斌（山东大学机械学院先进射流加工中心，济南 250061）5摘要：基于通用性、操作方便性、安全性和可靠性的使用要求，设计了一种能够安装在 ca6140车床的刀具冲击破损试验装置台具。设计的基本思路是，将刀具固定在车床刀架上，将台 具安装在车床卡盘上，并将工件安装在台具上，利用车床的主轴带动装有工件的台具旋转，工件断续的冲击刀具，从而测试刀具的冲击性能。利用有限元方法研究台具的不同结构在静10态和动态冲击时的受力分布，确定制造台具所使用的材料和台具的结构，研究发现采用调质 处理的 45 号钢和双头平槽式结构设计可以满足刀具冲击破损实验装置的实验要求。 关键词：机械制造及其自动化；刀具；冲击；破损中图分类号：th161+.1215a study on design of experimental fixture for impactingfailure of toolzou bin(centre for advanced jet engineering technologies (cajet), school of mechanical engineering, shandong university, jinan 250061, p. r. china)20abstract: based on the requirements of commonarity, operating convenience, security and performance, an experimental device of impacting failure for tool-a fixture that can be set on the ca6140 was designed. the principle idea of desing was that the tool was fastened on the tool carrier of lathe, and the fixture was set on the chuck of lathe and then workpiece was set on the fixture. and the spindle of lathe drived the rotation of the fixture and then workpiece impacted the25tool intermittently. so the resistance of tool to impact was measured. the stress distribution of the fixture with the different structure throght the finite element method when the fixture was beared by the static force and dynamic force, and the fixture material and structure were determined. it was found that the experimental requirements of experimental device of impacting failure for tool can be met if the fixture material was hardening and tempering 45#steel and its structure was30double-head flat slot style.key words: machinery manufacturing and its automation; tool; impacting; failure0引言车床是一种通用性较强的机床，刀具又是机械加工中不可缺少的工具。切削加工中刀具35的破损是一种很常见的失效形式1；不同的机加工方式，刀具的失效形式方式并不相同，然 而通过不同的机床很难对刀具的破损进行共性的评价，因为不同的机加工方式刀具的受力方 式并不完全一致2。如果能将刀具破损的评价采用共同的平台去评比，则无疑是对刀具破损 性能的评价起到很好的作用，然后针对刀具进行破损失效试验研究的装置却很少3。刀具冲 击破损过程中，刀具和测试装置都承受巨大的冲击力，这要求测试装置一定要夹持住工件，40不能让工件飞出，或者让测试装置出现断裂损坏的现象，这对设备的安全性提出了很大的要 求。本研究基于刀具安装的方便性、设备的通用性以及实验的安全性，采用以 ca6140 车床 为设计平台，设计一种刀具冲击破损实验装置，即以 ca6140 车床为基础，设计一种台具， 将其安装在 ca6140 车床上，通过车床卡盘和顶尖定位夹紧台具；将工件放入台具的开口槽基金项目：教育部高等学校博士学科点专项科研基金（no.20090131120036）作者简介：邹斌（1978-11），男，副教授，高效加工. e-mail: - 6 -中，固定住工件，利用机床的旋转运动去冲击刀具，从而评价刀具的破损性能。本研究所研45制的刀具冲击破损试验装置的关键是台具的设计，因此本研究主要从台具的结构设计、选材 和可靠性设计三个方面进行讨论，最终研制出能够用于刀具冲击破损实验的装置。1装置结构设计依据机械设计理论4，从安全性和实用性角度，提出三种台具设计方案，如图 1 所示：50图 1 台具的三种设计方案：(a) 单头沉槽式, (b)单头平槽式, (c) 双头平槽式设计fig. 1 three design schemes of fixture: (a) single-head settling slot style, (b) single-head flat slot style and(c) double-head flat slot style55方案一采用单头沉槽式设计，将圆柱一端夹持在车床主轴三爪卡盘上，另一端通过定尖顶紧，中间开有四个安装工件的槽，侧壁上同时开有七个沉头槽。该设计方案优点是安全性较好（台具侧壁上沉槽边缘起到了加强筋的作用）；缺点是台具制造较麻烦，同时台具重量 较重，装上工件后重量大，并且工件安装较为麻烦。方案二采用单头平槽式设计，圆柱一端夹持在车床主轴三爪卡盘上，另一端通过定尖60顶紧，中间开有四个安装工件的槽，侧壁上同时开有平底面槽，为增加安全性在槽的双壁上 增加一贯穿通孔（工件相应部位也同时钻通孔），安装时利用长螺栓拴住工件，防止高速旋 转时工件被甩出去。该设计方案优点是台具重量较轻，加工方便，工件安装也较为方便；缺 点是台具刚性较差，端部槽壁易于产生应力集中，长期使用槽壁根部以及槽壁钻孔部位易产 生裂纹。65方案三采用双头平槽式设计，圆柱一端夹持在车床主轴三爪卡盘上，另一圆柱端面通过 定尖顶紧，中间开有四个安装工件的槽，侧壁上同时开有平底面槽，为增加安全性在槽的双 壁上增加一贯穿通孔（工件相应部位也同时钻通孔），安装时利用长螺栓拴住工件，防止高 速旋转时工件被甩出去。该设计方案优点是台具重量轻，加工方便，工件安装也较为方便， 同时刚性也较好，同时克服了方案一和方案二的缺点。70比较以上方案可以看出，方案二和方案三较为合理。方案一由于可制造性能和结构性 不合理，因此本研究重点研究方案二和方案三，从中选出最有的设计方案。2装置的选材台具材料的选择应考虑经济性和安全性。由于 45#钢为常用中碳钢，经过调质处理后具 有良好的综合机械性能，主要用于制造强度高的运动件，如轴、齿轮、齿条、蜗杆等，因此75本研究采用调质 45#钢作为台具材料。由于台具是刀具冲击破损实验装置中最为重要的部 件，且试验中使用的刀具材料和被加工材料的种类繁多，所采用的切削条件差别非常大，因 此所产生的切削力差别较大。本研究通过有限仿真方法从静力学角度对方案二和方案三的选 材进行研究。如采用方案二单头平槽式设计，不难发现在切削加工中台具的最容易损伤或者说刚性最80差部位应为台具端部的槽壁。假设切削加工产生的切削力为 1000n，通过力学计算分析发现（如图 2 所示），台具端部槽壁将产生 136mpa 的应力。假设切削加工产生的切削力为 3000n， 通过力学计算分析发现（如图 3 所示），台具端部槽壁将产生 362mpa 的应力，此时切削力 已经超过了 45#调质钢的屈服极限5（抗拉强度 650mpa，屈服点 360mpa），说明台具将产 生应力变形。85图 2 静态力 1000n 时单头平槽式台具应力图fig. 2 stress graphs of single-head settling slot style fixture applying 1000n static force9095100105图 3 施加静态力 3000n 时单头平槽式台具应力图fig. 3 stress graphs of single-head settling slot style fixture applying 3000n static force采用方案三双头平槽式设计，不难发现在切削加工中台具的最容易损伤或者说刚性最差 部位应为台具中部的槽壁。假设切削加工产生的切削力为 1000n，通过力学计算分析发现（如 图 4 所示），台具的中部槽壁将产生 70.91mpa 的应力。假设切削加工产生的切削力为 3000n， 通过力学计算分析发现（如图 1-5 所示），台具的中部槽壁将产生 213mpa 的应力。从图 2- 图 5 可见，由于一般的切削加工中切削力很少能够达到 3000n，这说明采用调质 45 号钢可 以满足试验要求，且采用方案三设计的台具可靠性要优于方案二。图 4 施加静态力 1000n 时双头平槽式台具应力图fig. 4 stress graphs of double-head flat slot style fixture applying 1000n static force图 5 施加静态力 3000n 时双头平槽式台具应力图fig. 5 stress graphs of double-head flat slot style fixture applying 3000n static force3装置可靠性校核设计从以上分析可见，采用方案三设计的台具可靠性更好，由此本部分从冲击角度采用有限 元动力学仿真手段，研究采用的双头平槽式设计的台具工作状态时承受的应力分布。图 6 是双头平槽式台具工作状态时台具、工件和刀具的位置图。考虑到计算成本的限制，研究中110115120125需对刀具冲击装置的有限元动力学模型进行一定的简化。实际工作中车床卡盘夹持台具并将主轴的旋转运动传递给台具，台具带动四块工件做旋转运动；工件运动中刀具固定不动，并 不断冲击工件，将工件材料切除。此处，将工件旋转产生的动能等效转换成刀具做直线运动 的动能（即仿真中台具和工件固定不动，刀具做直线运动），分析刀具冲击工件材料时，台 具所承受的应力分布。图 7 双头平槽式台具夹持的工件一端受刀具冲击时的应力图，刀具假 设为刚体，刀具的角度参数为前角 0、后角-10、刀尖半径 0，倒棱 0、主偏角 90，刀 具的切削速度为 150m/min、切削深度 10mm。从图 1-7 可见，当刀具冲击工件端部时，工件 材料中产生了高应力，由于台具槽壁距离刀具冲击工件点较远，并且刀具的冲击时间很短， 高应力波尚未完全到达台具槽壁，此时台具槽壁的应力分布大体在 256mpa 以内，完成处于 台具材料的屈服极限之内，因此刀具冲击所产生的冲击能量尚不能对其造成破坏。图 8 是双 头平槽式台具夹持的工件中端受刀具冲击时的应力图，刀具假设为刚体，刀具的角度参数为 前角 0、后角-10、刀尖半径 0，倒棱 0、主偏角 90，刀具的切削速度为 150m/min、 切削深度 10mm。从图 8 可见，台具的受应力状态要小于图 7 刀具冲击工件端部的受应力状 态。综上所述，采用方案三的双头平槽式设计的台具可以满足试验的使用要求。图 6 双头平槽式台具工作状态时台具、工件和刀具的位置图fig. 6 relative location of fixture, workpiece and tool using double-head flat slot style fixture图 7 双头平槽式台具夹持的工件一端受刀具冲击时的应力图fig. 7 stress graphs of one end impacted by tool using double-head flat slot style fixture to clamp the workpiece130135140145150图 8 双头平槽式台具夹持的工件中端受刀具冲击时的应力图fig. 8 stress graphs of middle part impacted by tool using double-head flat slot style fixture to clamp the workpiece4结论本文给出了一种刀具破损装置的设计方案，结论如下：1）设计出了三种台具方案，分别是单头沉槽式设计、单头平槽式设计和双头平槽式设计。 从可制造性和结构性看，方案二和方案三较方案一更为合理。2）选用调质 45#钢作为台具的制造材料，利用有限仿真方法从静力学角度研究发现，加 工中单头平槽式台具最易损伤部位为其端部的槽壁；而加工中双头平槽式台具最易损伤部位