不同几何角度车刀的温度- 应力耦合场分析.doc

不同几何角度车刀的温度- 应力耦合场分析X彭彬彬, 王爱玲, 庞学慧( (华北工学院机械工程系, 山西太原030051)摘要: 目的为了得出刀具的几何角度与其强度和刚度之间的关系. 方法以车刀为例, 利用有限元软件AN SYS 对车刀的各主要切削角度(包括前角、后角、主偏角、副偏角、刃倾角等) 在应力场和温度场的共同作用下的应力应变进行了分析. 结果得出了刀具的各主要几何角度对刀具的强度和刚度的影响. 结论刀具的温度- 应力耦合场分析, 分析精度明显优于单纯的结构分析, 为金属切削的理论研究与实践以及切削力学的研究提出了一种新方法, 并作了有效尝试.关键词: 刀具角度; 有限元分析; 耦合中图分类号: TH161+ . 3文献标识码: A0引言由于金属切削加工的复杂性, 切削过程牵涉到刀刃前段刀具材料的大塑性变形, 高的切削温度, 新鲜的具有化学敏感性的切出表面, 刀具以及加工表面的相当高的机械应力、热应力和刀具的磨损或破损等等众多因素1 . 因此, 尽管刀具在切削加工时的应力应变对加工精度、刀具耐用度等因素有重大影响,但是在这方面的研究仍然进行得很少或仅限于用实验的方法2 . 近年来, 随着计算机技术在工业中的广泛应用和有限元技术的逐步完善, 用有限元法对刀具系统在切削过程中的状态进行模拟的方法越来越多, 但是, 对于刀具在切削过程中所受到的应力场和温度场大多只是分别研究, 这当然与真实的切削状况有一定的差距. 作者则综合考虑了刀具所受到的应力场和温度场, 并进行了刀具的温度- 应力耦合场分析. 由于外圆车刀的切削部分可以看作各类刀具切削部分的基本形态, 故作者以外圆车刀为例分析了车刀各主要几何角度对车刀的刚度及强度的影响.1分析方案的确立车刀的主要几何角度有前角(Co) , 后角(Ao ) , 主偏角(k r) , 副偏角(kr ) 及刃倾角(Ks ) , 因此只需对这5个因素进行考察. 根据二水平正交表的要求, 作者给出刀具几何角度的分组, 如表1 所示4 .作者根据每一组刀具的角度值, 在AN SYS 中用实体造型构造了8 把车刀. 对于每把车刀所处的温度- 应力耦合场, 采用了顺序分析的方法, 即首先进行温度场分析(第一次分析) , 得到车刀内的温度场分布, 然后将第一次分析得到的结果(温度场分布) 作为体载荷施加于应力场分析(第二次分析) , 从而得到车刀的温度- 应力耦合场分析的结果, 其数据流程如图示._2温度- 应力耦合场分析的数学物理方程温度- 应力耦2温度- 应力耦合场分析的数学物理方程式中M 为质量矩阵; C 为阻尼矩阵; K 为刚度矩阵; F 为力矢量; Q 为热流矢量; c 为比热矩阵; k 为传导矩阵; T 为温度矢量; u 为位移矢量3单元类型及载荷工况的确定顺序耦合场分析相当于首先进行热分析, 然后再进行应力分析, 两次分析所采用的单元必须具有相图2车刀的网格划分及载荷分布图Fig. 2M esh and load distribution chart of a lathe cutter同的结构型式; 并且由于两次分析之间有载荷的传递, 因此两次分析只能进行一次单元网格划分, 这样才能保证两次分析所用有限元模型的一致. 作者综合考虑各因素, 决定热分析采用SOL ID70 单元, 应力分析采用SOL ID45 单元, 两者同为8 节点线性单元. SOL ID70 具有一个温度自由度, SOL ID45 具有U X , U Y , U Z , R X , R Y , R Z 6 个自由度.工件材料45 钢, 刀具材料W 18Cr4V; 载荷工况的选择为不失一般性; 切削速度v = 25 m m in, 进给量f =0. 3 mm r, 背吃刀量ap = 4 mm 5 . 由此得到: 切削力F z= 2 863N , 背向力F Y= 1 301N , 进给力FX = 1 278N , 切削温度H= 406 1 .将应力边界条件施加于划分完网格的车刀. 图2 为具有第三组刀具角度值的车刀的网格划分及载荷分布图.4计算结果分析由AN SYS 的后置处理程序, 可以得到如表2, 表3 所示的基本数据.当分析各主要几何角度的取值(本例为二水平) 对最大轴向变形量以及最大应力的影响时, 可以对数据进行如下处理: 例如, 要分析后角对最大轴向变形的影响, 可令式中U X A为后角取大值(此例为8) 时最大轴向变形量的平均值; U X A为后角取小值(此例为4) 时最大轴向变形量的平均值.5结论(1) 由表4 中的数据可知: 在各主要几何角度二水平中, 相对较小的前角、后角、主偏角、副偏角、刃倾角将导致相对较大的最大轴向变形, 其中后角的变化对刀具的最大轴向变形影响最大. 这主要是由于各刀具几何角度的增大, 不同程度地减小了刀具刃部的截面尺寸, 使其整体刚度降低所致.66 华北工学院学报2002 年第1 期 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. (2) 由表5 中的数据可知: 在各主要几何角度二水平中, 相对较小的前角、后角、主偏角、副偏角、刃倾角将导致相对较大的最大应力. 该结论可由结论(1) 以及应力与应变的物理关系(R= E E) 得到.(3) 刀具头部的最大应力所在的位置并不在刀尖, 而在距刀尖距离为切削宽度aw 的主切削刃上, 这主要是由于在该处存在最大的温度梯度造成的.需要说明的是, 本文得出的只是温度- 应力耦合场中刀具的主要几何角度对刀具的刚度及强度的影响程度, 而最佳的角度组合则要根据其主要满足的技术指标的不同而不同. 另外, 金属切削过程涉及非常复杂的物理、化学变化, 而该课题的分析过程和结果是建立在一定的几何简化及假设条件之上的, 因此, 与实际的切削状况肯定会有一定的差距, 要得到准确的结果, 仍需要作大量艰苦、细致的工作.参考文献:1 陈日曜. 金属切削原理M . 北京: 机械工业出版社, 1992. 36 42.2 周泽华. 金属切削理论M . 北京: 机械工业出版社, 1987. 77 89.3 乐兑谦. 金属切削刀具M . 北京: 机械工业出版社, 1992. 63 74.4 袁哲俊. 金属切削实验技术M . 北京: 机械工业出版社, 1982. 85 94.5 艾兴, 肖诗钢. 切削用量手册M . 北京: 机械工业出版社, 1984. 154 186.6 王瑁成, 邵敏. 有限单元法基本原理和数值方法M . 北京: 清华大学出版社, 1997.7 吴雪松, 刘培德. 正交切削时刃前区应力分析的一个新模型J . 应用力学学报, 1985,