机械毕业设计1018可转位车刀受力的ANSYS分析.doc
机械毕业设计1018可转位车刀受力的ANSYS分析
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机械毕业设计1018可转位车刀受力的ANSYS分析,机械毕业设计论文
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第 1 页 共 24 页 第一章 引言 1.1 本课题研究的意义 随着计算机技术和计算方法的发展，负责的工程问题可以采用离散化的数值计算技术并借助计算机得到满足工程要求的数值解。数值模拟技术是现代工程学形成和发展的重要推动力之一。 目前，在工程领域应用最广泛的数值模拟方法是有限元法，有限元计算结果已成为各类工业产品设计和性能分析的可靠依据和有效手段。 ANSYS 能对有效的模拟可转位 刀具的受力分析，选择合理的刀具结构、几何参数及切削用量参数是提高其切削性能的重要因素，国际生产研究会（ CIRP）的一项研究报告指出：“由于刀具材料的改进， 刀具使用寿命每隔十年几乎提高一倍；而由于刀具结构和几何参数的改进，刀具 使用寿命每隔十年几乎提高二倍”。 由此可见，选择合理的刀具几何参数的重要性，所以利用相关软件进行直接模拟优化结构、几何参数有其及其重要的现实意义。此外，在生产中，切削用量的合理选择是一个很重要的问题，它与生产率、加工成本、利润和加工质量等有着密切的联系，所以根据刀具最低有效应力标准来优化切削用量可以达到最优的经济技术指标，具有可观的经济效益。 基于有限元的方法来对刀具的应力应变进行分析进而得出刀具的最佳几何参数一直是研究的热点。该方法 利用基于有限元的数值模拟技术，在计算机上通过建立有限元模型、输入材料性能参数、加载、计算来真实地模拟出切削的整个过程，从而可得出切削区及刀具中的应力应变的变化。在此基础上分析不同几何参数下刀具的应力应变分布，进而选取合理的优化标准，并结合刀具材料的性能特点，设计出较合理的刀具结构及几何参数。 因此，随着新型刀具材料的发展，明确切削力和刀片夹紧力在刀片和刀槽之间接触表面上的分布情况是非常重要的，这样就更有利于刀片和刀具的设计，以便防止塑性变形和疲劳破损的产生，确保刀片和刀具的性能。 随着 CAE技术的 发展，应用有限元方法进行车削过程仿真分析，可以研究切削的流动状态、刀具 -工件的车削应力 -应变状况和温度场分布状态等，研究的结果对车削过程的优化起到一定的作用。但就目前的研究状况看，实用的方法大多具有一定的局限性： (1) 目前基于有限元模拟的车削过程大多采用二维有限元模型，但实际上刀具 -工件的整个作用过程是三维、空间、立体的； (2) 许多有限元模拟工作基于简化处理后的车刀几何结构，座了一些理想化处理，因而在一定程度上限制了仿真结果对实际加工的预测和指导意义； (3) 对硬质合金可转位刀具而言，根据其 实际加工状况，该刀具刀片的前刀面上实际承受的式分布载荷，但以往多数采用静力等效集中载荷法或弹性理论极坐标通解法来处理前刀面上分布载荷，往往很难得到与实际相符的计算结果。 nts第 2 页 共 24 页 基于此，本文在充分考虑硬质合金可转位车刀几何参数及刀片 -工件实际作用状况的基础上，主要对整个切削过程的力学特性进行了深入研究，分析处于实际加工状态的硬质合金刀具的应力、应变状况，为该刀片的优化设计提供了一定的理论依据。 nts第 3 页 共 24 页 第二章 可转位车削刀具 2.1 可转位外圆车削刀具结构 2.1.1 可转位刀具的概述 机夹可转位刀具是将有合理的几何参数、断屑槽形、装夹孔和具有多个切削刃的多边形刀片用机械夹固的方法夹持在刀杆，一般由刀片、刀垫、夹紧元件和刀体组成”。当在使用过程中一个切削刃磨钝了后，只要将刀片的夹紧松开，转位或更换刀片，使新的切削刃进入工作位置，再经夹紧就可以继续使用。刀片 承担切削，形成被加工表面； 刀垫 保护刀体，确定刀片位置； 夹紧元件一一夹紧刀片及 (或 )刀垫； 刀体 刀体及 (或 )刀垫的载体，承担和传递切削力及切削扭矩，完成刀片与机床的联接。 可转位刀具切削效率高，辅 助时间少，所以提高了工效，而且可转位刀具的刀体可重复使用，节约了材料和制造费用，促进了刀具技术的进步。可转位刀片的出现，基本上解决了刀杆材料大量浪费和贵重的硬质合金材料可以回收的问题。但这种可转位刀片，其几何角度仍按加工对象的材料性质和加工要求等所确定，从而限制了刀杆、刀片的通用性。刀垫结构，可使刀片的支撑刚性增加，保护了刀杆。但由于刀垫的前角 Y o垫和刃倾角入 s垫均为 O。，它与刀片配合使用时，刀片主刃上的切削角度没有变，一旦工件材料或加工要求变动时，这种结构便不能适应。 2.1.2 可转位刀片设计的基本 要求 可转位刀片设计的基本要求： (1)在同一刀片上，要有尽可能多的切削刃供转位使用，以提高可转位刀片的利用率； (2)要有一定的制造精度，保证可转位刀片完全互换；尽量简化或有利于刀 片在刀具上的定位与夹紧； (3)要有足够的强度，以承受切削时产生的切削力及冲击、振动等，在此前提下，刀片体积尽量小，以求经济性好： (4)各切削刃要具有相同的几何参数，保证转位或更换刀片后的切削效果不 变。车刀片的断屑 (卷屑 )性能好； (5)尖刀刃切削加工时位置的可达性要好； (6)保证上述要求的前提下，刀片几何形状尽可能简单， 以简化刀片制造工 艺。 2.1.3 可转位刀片结构特点 按照可转位刀片结构设计要求，把可转位刀片设计成正多边形或圆形，在需要加长刀片切削刃时，可制造成长方形或平行四边形。边数愈多，可供转位使用的切削刃也愈多，刀尖强度也愈好，但切削力将增大，同时刀尖、刀刃位置的重复性也差。 由于可转位刀片是用机械加固的方法，将刀片夹紧在可转位刀具上的，因此， 通常按刀片在刀杆或刀体上的安装方法不 同，把可转位刀片分为如下几类： nts第 4 页 共 24 页 (1)无孔可转位刀片 刀片采用上压式结构将刀片夹紧。 (2)圆孔可转位刀片 刀片中间有一圆柱形孔，用来将刀片安装夹紧在刀杆上。 (3)可转位刀片 刀片夹紧时，用一沉头螺钉穿入孔内直接将刀片夹紧在刀杆或刀体上，简化了刀具的夹紧结构。 2.2 可转位外圆车削刀具夹紧方式 2.2.1 刀片的夹固要求 刀片的夹固必须满足下列要求： (1)定位精度高刀片转位或更换新刀片后，刀尖位置的变化应在工件精度允 许的范围内。 (2)刀片夹紧可靠夹紧元件应 将刀片压向定位面，应保证刀片、刀垫、刀杆接触面紧密贴合，经得起冲击和振动，但夹紧力也不宜过大，应力分布应均匀，以免压碎刀片。 (3)排屑流畅 刀片前面上最好无障碍，保证切屑排出流畅，并容易观察。刀片的夹紧方式受刀片形状、刀具尺寸和刀具功用等因素的影响。 夹 紧时必须满足以下条件：刀片装夹定位要符合切削力定位夹紧原理，即切削力的合力必 须作用在刀片支承面周界内。刀片周边尺寸定位满足三点定位原理。切削力与装 夹力的合力在定位基面 (刀片与刀体 )上所产生的摩擦力必须大于切削振动等引起 的使刀片脱离定位基面的交变力。刀片通过刀垫 的转位，在刀槽的安装位置上，其侧面的三个定位点将发生变动，由此而可能产生刀尖的位置变动。但对于车刀来说，只要刀垫的最大厚度能保证刀尖位于工件的中心平面上，则其他位置变动， 都是可以通过刀杆的调整而得到修正。 2.2.2 可转位车刀的夹紧形式 可转位车刀按刀片夹紧形式可分为杠杆式、插销式、楔块式、上压式、偏心式、拉垫式、压孔式等。下面是刀片夹固的几种典型结构： (1)上压式 上压式夹紧结构利用桥形压板或鹰抓形压板通过螺钉从上面将刀片夹紧。特点是结构简单，夹紧可靠，定位精度高 ，但压紧元件易被切屑划伤，主要 用于夹固不带孔，带后角的内孔车刀。 (2)偏心式 偏心式夹紧结构利用螺钉上端的一个偏心心轴将刀片夹紧在刀杆上，该结构依靠偏心夹紧，螺钉自锁，结构简单，操作方便，但不能双边定位。当偏心量过小时， 要求刀片制造的精度高，若偏心量过大时，在切削力冲击作用下刀片易松动，因此 偏心式夹紧结构适于连续平稳切削的场合。 (3)杠杆式 杠杆式夹紧结构应用杠杆原理对刀片进行夹紧。当旋动螺钉时，通过杠杆产生夹紧力，从而将刀片定位在刀槽侧面上，旋出螺钉时，刀片松开，半圆筒形弹簧片可保持刀nts第 5 页 共 24 页 垫位置不动。该结构特点是定位精度高、夹固牢靠、 受力合理、适 用方便，但工艺性较差 。 (4)楔块式 刀片内孔定位在刀片槽的销轴上，带有斜面的压块由压紧螺钉下压时，楔块一面靠紧刀杆上的凸台，另一面将刀片推往刀片中 间孔 的圆柱销上压紧刀片。该结构的特点是操作简单方便， 但定位精度较低，且夹紧力与切削力相反 。 2.3 可转位外圆车削刀具材料 2.3.1 刀具材料的重要性 切削工具是实现生产过程优质、高效、低耗必不可少的条件和保证，而先进的切削刀具很大程度上有取决于刀具的材料技术。刀具材料的进步是切削加工技术进步的决定性因素之一。因此，刀具材料的开发、推广和正确选用是 推动制造技术发展进步的重要动力，也是提高产品质量、降低加工成本和提高生产率的重要手段。如高速切削的目的是以较高的切削速度，高效、低成本地加工工件，并获得较高的加工质量。为了提高切削速度，必须提高刀具的硬度，为了提高进给量，必须增强刀具的韧性，而为了实现高速大进给量切削，则必须同时提高上述两项指标。切削过程中，随着切削速度和切削温度的升高，刀尖会产生急剧磨损和烧蚀现象，这会严重降低刀具的使用寿命。另外工件材料和刀具材料的匹配问题，更会发生一些意想不到的影响刀具寿命的现象，如 PCD刀具在高温下与铁元素发生严重的 化学反应，故不宜用于加工黑色金属，因此，对于高速切削加工，刀具材料与刀具技术具有举足轻重的作用。近四十年来，刀具材料取得了巨大的发展。开发了一系列具有高强度、高韧性、高硬度及良好红硬性的，能适用于现代切削要求的刀具材料，尤其是超硬材料的出现使得难加工材料的机加工成为现实。 2.3.2 现代刀具材料的分类及性能 （ 1） 高速钢刀具 高速钢材料发明于 19世纪末，一般用熔炼法制成。在 20 世纪后期，逐步出现了许多高性能的高速钢，高性能高速钢是在普通高速钢的基础上，通过调整化学成分并添加其它合金元素，使其常温和高 温性能得到显著提高。高速钢刀具韧性和刃磨性较好，但硬度较低。其常温硬度为 65 70HRC，高温硬度为 50-55 HRC 在 6004C 时 )。熔炼高速钢容易出现的问题是碳化物偏析。硬而脆的碳化物在高速钢中分布不均匀，且晶粒粗大，对高速钢刀具的耐磨性、韧性及切削性能产生不利的影响。而粉末冶金高速钢是将高频感应炉熔炼出的钢液，用高压气体 (氩气或氮气 )喷射使之雾化，再急冷而得到细小均匀的结晶组织 (粉末 )。再将粉末在高温 (约 1100 )、高压 (约 lOOMpa)下压制成刀坯，或先制成钢坯再经过锻造、轧制成刀具形状，因此粉末 冶金高速钢没有碳化物的偏析缺陷，碳化物晶粒尺寸在 2 la m 以下，其抗弯强度与韧性得以提高，一般比熔炼高速钢高出20一 50，适用于制造承受冲击载荷的刀具。但高速钢只能承受 600以下的温度。nts第 6 页 共 24 页 受耐热性的限制，其切削速度不能过高，其切削效率处于较低的水平，高速钢的硬度低，很难切削淬硬钢和冷硬铸铁 。 （ 2） 硬质合金刀具 硬质合金是于 1923年开始投入使用的，其硬度比陶瓷、立方氮化硼及金刚石低，但比高速钢高，而韧性比高速钢低，但比陶瓷、立方氮化硼及金刚石好。硬质合金刀具主要优点之一是在高的切削温度下，其红硬性比 高速钢刀具高，这种性能使得硬质合金刀具能以高于高速钢刀具的切削速度进行切削，从而提高生产效率及工件表面质量。在金属切削中，硬质合金刀具约占金属切削刀具的 45一 50，其中硬质合金铣削刀具约占硬质合金刀具的 5 -20。特别是硬质合金材料与涂层材料结合，可制作出切削超硬材料的刀具，如 EMUGE、 Gunther公司开发的采用整体硬质合金丝锥、立铣刀、球头铣刀、钻头等，刀具经 TiAlN涂层后，可加工硬度高达 70HRC的工件材料。硬质合金的主要化学成分是碳化钨、碳化钛、碳氮化钛及钴等。用于刀具的主要是碳化钨、碳化 钛基的硬质合金。硬质合金是高硬度、难熔的金属化合物粉末 (WC、 TiC等 )，用钴、镍等作粘结剂，压制烧结而成的粉末冶金制品，其中高温硬度比高速钢高，故能承受很高的切削温度，允许采用很高的切削速度。硬质合金的硬度达 89-93 5 HRA，抗弯强度达 0 9-1 6Gpa以上。但随着各种难加工材料不断的涌现，普通硬质合金刀具已不能满足要求，于是研制出多种新型硬质合金。主要有以下几类： 1)添加钽、铌的硬质合金； 2)细晶粒和超细晶粒硬质合金； 3)Ti(C， N)基和 TiC基硬质合金； 4)表面涂层硬质合金； 5)添 加稀土元素硬质合金。 （ 3） 陶瓷刀具 20世纪前期，人们开始研制作为刀具材料的陶瓷，其硬度尚可，但太脆，难以真正付诸应用。经过长期的努力，陶瓷材料的制造技术不断改进，机械性能大幅度提高。到20世纪 80年代，硬度达 91 95 HRA，抗弯强度达 0.70 0.95Gpa。虽然陶瓷刀具的抗弯强度和断裂韧性仍不如硬质合金，但己满足某些切削加工的要求，其应用范围逐渐扩大。目前陶瓷刀片的制造主要有热压法，即将粉末状原料在高温高压下，压制成饼状，然后切割成刀片；另一种方法是冷压法，即将原材料粉末在常温下压制成坯，经烧结成 为刀片。热压法制品质量好，因此目前陶瓷刀片的主要制造方法是热压法。按化学成分，陶瓷刀具材料可以分为氧化铝系、氮化硅系、复合氮化硅 氧化铝系三大类。其中氧化铝系和氮化硅系是在氧化铝或氮化硅基体中分别加入氧化物、氮化物、硼化物、碳化物等烧结而成的。而 Si3N。一 A1： 0。一 Y： O。复合陶瓷叫赛阿龙 (Sialon)。为增强韧性研制成功了 Al：魄或 Si批基晶须增韧陶瓷“屯捌。陶瓷的常温硬度和高温硬度均高于硬nts第 7 页 共 24 页 质合金，其高温弹性模量也高于硬质合金，且在高温下其化学稳定性和抗扩散磨损的能力高于 WC、 TiC。这些性能使得 陶瓷刀具可在 200 1000m min的切削速度范围内加工软钢、淬硬钢、铸铁、合金，以及复合材料。 陶瓷刀具材料主要应用于车削、镗削和端铣等精加工和半精加工工序。最适宜加工淬硬钢、高强度钢与高硬度铸铁，切削效果比硬质合金显著提高。 （ 4） 超硬刀具材料 超硬材料在 20世纪后 40年中有了较大的发展。超硬材料的化学成分及其形成规律与其它刀具材料不同，立方氮化硼是非金属硼合物，晶体结构为面心立方体；而金刚石由碳元素转化而成，其晶体结构与立方氮化硼相似。它们的硬度大大高于其它物质。 1)立方氮化硼 (CBN)刀具 立方 氮化硼 CBN单晶粉，用于制作磨具；还有 PCBN聚晶片及 PCBN聚晶复合片，用于制作刀具及其他工具。立方氮化硼 (CBN)刀具具有极高的硬度 (达 7500HV)及红硬性，对铁族元素呈惰性，是高速精加工或半精加工淬硬钢、冷硬铸铁、高 温合金等的理想刀具材料 。 CBN含量高的 PCBN刀具硬度高、耐磨性好、抗压强度高及耐冲击性好，适用于耐热合金、铸铁和铁系烧结金属的加工。复合 PCBN刀具中 CBN颗粒含量较低，采用陶瓷粘结剂，其硬度较低，但弥补了前一种材料热稳定性差化学惰性低的缺点，适用于淬硬钢的切削加工 H5l。 CBN刀具加 工高硬度材料时可获得较低的表面粗糙度，因此采用该种刀具加工淬硬钢可实现“以切代磨”。 2)聚晶金刚石 (PCD)刀具 金刚石分为天然金刚石 (ND)与人造金刚石。人造金刚石 PCD单晶粉，用于制造磨具；PCD单晶粒 (达 8000HV)可做刀具； PCD聚晶片及聚晶复合片，用于制作刀具及其他工具；CVD金刚石薄膜 (达 9000HV)，可用于制作刀具、工具。聚晶金刚石 (PCD)是由经过筛选的人造金刚石微晶体在高温高压下烧结而成，具有较高的硬度、耐磨性、导热性和极低的摩擦系数，热稳定性在 700-800，但成本远远低于天 然金刚石。利用 PCD刀具可对有色金属和耐磨非金属材料进行高速、高精度、高稳定性的切削加工。金刚石在氧气中约660开始石墨化，铁族元素特别是铁元素能催进石墨化，所以 PCD刀具不适用于加工钢铁等黑色金属材料。 2.4 可转位外圆车削刀具的受力问题 2.4.1 刀具的夹紧可靠度 可转位刀片由夹紧元件紧固在刀槽内，其目的是将刀片压向各定位面 侧 面和底面，要保证准确的刀尖位置精度，并不是完全依靠夹紧元件来承受切削力。正确而良好的设计应保证切削过程中总切削反力始终将刀片压在定位面上。在现代自动化加工系统中，机夹可转 位式硬质合金车刀以优点众多而应用广泛。对于这种刀具的整体结构可靠度而言，起主要作用的是刀片的工作可靠度，其次是刀具的夹紧可靠度，人们研究较多nts第 8 页 共 24 页 是前者，而后者则少有谈及。刀具的夹紧可靠度分为静态和动态夹紧可靠度两种情况，下面就从这两方面分别加以阐述。大多数机夹可转位刀具结构中都有一个类似销子的物体，它靠近刀片或压向刀片而使刀片压向刀槽，从而实现刀具的夹紧和定位，在切削加工前需对刀具进行静态夹紧，在实际夹紧时，由于不同的操作人员施加的夹紧力不同或其它结构方面的原因，则刀具静态夹紧可靠度符合标准 J下态分布函数。在实 际切削过程中，刀具的磨损宽度冶随切削时间延长而增加，如果不考虑急剧磨损期，则刀具后刀面的磨损宽度与切削时间芒有如下关系： VB=at*b 式中 a、 b是刀具材料常数。 在其它条件不变的情况下，切削力厥、用、尼随刀具后刀面磨损量增加而增加，故切削力也必为时间 f的函数。因此刀具的动态夹紧可靠度随着切削时间的延长 而下降，当达到一定切削时间时，其夹紧可靠度基本不变 。 2.4.2 可转位车刀的几何角度 可转位车刀刀片槽的空间位置主要由主偏角 Kr、刃倾角 s和前角 o确定。 一、 主偏角 Kr 主偏角对可转位车刀的寿 命影响较大。一般来说，减小主偏角可提高刀具工作 寿命。但当工艺系统或被加工工件刚性不足时，减小主偏角会增大径向力，从而加 大变形挠度，引起加工振动，降低加工精度和加工表面质量，同时影响刀具寿命，因此，应针对不同的加工条件选择不同的主偏角。 二、 刃倾角 s 刃倾角对可转位车刀的切削性能也有较大影响。切削时，刃倾角的大小影响切屑流出方向。精车时，为避免切屑流向并擦伤已加工表面，刃倾角常取正值。此外，刃倾角的大小还会影响切削刃锋利程度。 三、 前角 o 前角的大小直接影响刀刃的强度和锋利程度。增大前角可减小切屑变形，使 切削更为轻快，并提高刀具寿命。但前角太大会削弱切削刃强度，易于崩刃，反而会缩短刀具寿命。影响可转位车刀前角选择的因素较多，在可转位车刀设计中，刀片自身的前角也是一个重要参数。 四、 后角 o 后角主要用于减小切削过程中后刀面与过渡表面之间的摩擦。设计可转位车刀时，需要对后角与前角进行综合考虑，选定刀片后角后，再根据刀槽前角确定刀槽后角。精加工机夹车刀设计的原则是增强刀具锋利度和获得较理想的表面质量，半精力 n-T-机夹车刀设计的原则是增强刀具强度。由于可转位车刀的角度是由刀片的角度和刀杆上刀槽底面的角度综合而成 ，因此其值为相关部分几何角度的代数和。 nts第 9 页 共 24 页 （ 1） 前角 可转位刀具的前角等于刀片与刀杆在正交平面中前角的代数和： o刀具 = o刀片 + o刀杆 （ 2） 后角 可转位刀具的后角等于刀片在正交平面中的后角与刀杆在正交平面中的后角之差： o刀具 = o刀片一 o刀杆 （ 3） 刃倾角 可转位刀具的刃倾角等于刀片刃倾角与刀杆刃倾角的代数和： s刀具 = s刀片 + s刀杆 （ 4） 主偏角 可转位刀具的主偏角是由刀杆自身的主偏角决定的： Kr刀具 =Kr刀杆 刀片及刀体自身的结构参数对整个车刀的切削性能有着至关重要的影响。在实际生产中，刀体的结构参数基本上是不变的，只有通过改变刀片的几何参数来改善机夹可转位车刀的切削性能，从而使刀具在生产加工中达到最佳的切削状态。 nts第 10 页 共 24 页 第三章 ANSYS软件介绍 ANSYS是由美国 ANSYS公司开发的大型通用有限元分析软件。由于 ANSYS软件具有建模简单、快速、方便的特点，因而成为大型通用有限元程序的代表。 ANSYS软件是集结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，可广 泛地应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、 电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等 一般工业及科学研究。 ANSYS软件的主要功能包括建立模型、结构分析、非线性分 析、电磁分析、计算流体力学分析、接触分析、压电分析、结构优化等。下面介绍 ANSYS的有关理论。 3.1 ANSYS主要技术特点 (1)ANSYS能够实现多物理场 (温度场、流场、电磁场 )之间的耦合分析。对 于很多工程问题，这些物理场是相互影响、相互作用的，例如温差会引起热应力、 电磁感应会产生热等。 ANSYS提供直接和间接两种耦合方式，直接耦合使用带有多 场自由度的耦合单元：间接 耦合是指各物理场拥有自己的“物理环境 ，一个“物 理环境中的分析结果可以作为其它“物理环境 的载荷或约束，耦合可以是双向的。 (2)ANSYS可实现后处理、分析求解及多物理场统一数据库的分析。 ANSYS将模型信息 (单元、节点、材料等 )、边界信息 (载荷、约束等 )以及后处理信息 (求 解结果等 )集成在一个数据库中，在使用 ANSYS进行耦合场分析时，各物理环境也共用一个数据库，这样极大地方便了用户的使用。 (3)强大的结构非线性分析功能。 ANSYS在结构分析中的非线性功能包括几何非线性、材料非线性、状态非线性及单元非线 性。其中几何非线性包括大变形、 大应变、应力刚化与旋转软化等。 ANSYS提供了 100余种包括橡胶、泡沫、岩石、 土壤等特殊材料的非线性材料模式，提供 20余种接触类型，包括刚体对柔体、柔体对柔体接触、自接触、固联失效接触等。 ANSYS提供了 100多种单元类型，包括死活单元、集中质量单元、断裂单元、钢筋混凝土单元、非线性阻尼弹簧单元等，可专门模拟各种特殊问题。 (4)开放的 ANSYS。 ANSYS提供了四种方式的二次开发工具： 1)APDL是嵌入在 ANSYS内部的参数化设计语言，不仅能直接调用 ANSYS命令和数学函数 ，还拥有循环、判断等高级语言功能； 2)APDL是 ANSYS界面开发工具，利用它可以修改菜单增加对话框等； 3)外部命令，使用 C+语言可为 ANSYS编写外部命令，例如与 CAD软件接口等； 4)UPF则将用户开发的 FORTRAN或 C程序与 ANSYS连结到一起。 3.2 ANSYS的建模功能 有限元分析软件 ANSYS具有强大的建模功能。建模时，需要先建立结构的几何模型，给出材料参数和单元类型，最后划分网格，形成结构的有限元模型。 ANSYS提供了三种创建模型的方法：实体建模方法、直接建模方法和输入在其它计算机 辅 助设计系统中创nts第 11 页 共 24 页 建的模型。 直接建模的方法就是在 ANSYS的前处理程序中直接定义每个节点的位置以及单元的大小、形状和连通性来创建有限元模型。节点用来定义单元在空间的位置，单元定义了模型的连接性。直接建模方法适用于线模型和较简单的有规则几何结构。可以自己控制每个单元和节点的编号。但是直接建模的方法往往需要处理大量的数据，也不能进行自适应网格划分，改进网格划分十分困难。对大而复杂的结构，应采用实体建模方法。 ANSYS提供了两种方法进行实体建模，即自底向上的建模方法和自上向下的建模方法。自底向上的建模方法是先创建关 键点，然后依次创建相关的线、面和体等图元。自上而下的建模方法是可以直接创建最高级的图元，如球、棱柱等三维实体，通常称之为几何体素。当定义了一个体素时，程序会自动定义相关的面、线和关键点。可以利用这些高级图元直接构造几何造型。 在 ANSYS建模过程中，自上而下的建模方式和自底向上的建模方式可以自由组合使用，使模型的创建更加方便。实体建模的优点是：对于庞大或复杂的模型，特别是 对三维实体模型更合适，相对而言需处理的数据少一些，容许对节点和单元不能进行的几何操作 (如拖拉和旋转 )，支持使用面和体的体素及布尔运算以顺利建 立模型，便于施加载荷之后能进行所要求的局部网格细化，便于几何上的改进，便于改变单元类型，不受分析模型的限制。无论是使用自底向上还是自上而下的方法构造实体模型，均由关键点、线、面和体组成。这些图元的层次关系是：体以面为边界，面以线为边界，线以关键点为端点。无论使用自上而下还是自底向上方法建模，均能使用布尔运算来组合数据集，形成一个实体模型。 ANSYS程序提供了完整的布尔运算，诸如相加、相减、相交、分割、粘结和重叠。在创建复杂实体模型时，对线、面、体的布尔运算操作能减少相当可观的建模工作量。 ANSYS程序还提供 了拖拉、延伸、旋转、移动、拷贝、蒙皮等的功能，可以大大减少建模时间。辅助工具如选择和组元、拾取与利用工作平面，为建模提供了极大的方便。可以在其它 CAD系统中建立模型并把它输入至ANSYS中进行分析。它有如下优点：一是可利用己有 CAD模型，避免重复工作；二是可利用熟悉的工具去建模。但是，从 CAD系统中输入的模型，如果不适于网格划分则需要大量的修补工作。 2.3 ANSYS的分析过程 在有限元分析过程中，程序大致可分为以下三个部分： (1)前处理模块 (PREP7) 主要实现三种功能：参数定义、实体建模和网格划 分。 1)参数定义 ANSYS程序在进行结构建模的过程中，首先要对所有被建模型的材料进行参数定义。包括定义使用单位制，定义所使用单元类型，定义单元实常数，定义材料的特性以及使用材料库文件等。 2)实体建模在实体建模中， ANSYS程序提供了两种方法，即自底向上建模方法和自上向下建模方法。 nts第 12 页 共 24 页 3)网格划分从使用选择的角度来讲， ANSYS网格划分可分为系统智能划分和人工选择划分两种。从网格划分的功能来讲，包括延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分等几种。 (2)求解模块 (SOLUTION) 求解模块是程序用来完成对 己生成的有限元模型进行力学分析和有限元求解功能的。在此阶段，用户可以定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项等。 1)定义分析类型和分析选项用户可以根据所施加载荷条件和所要计算的响应来选择分析类型。 2)载荷一般所谓的载荷应该包括边界条件 (约束、支承或边界场参数 )和其他外部或内部载荷。在 ANSYS 程序中，载荷分为六类： DOF 约束 力 表面分布载荷 体积载荷 惯性载荷 耦合场载荷 3)指定载荷步用于更改载荷步选项，如子步数、载荷步的结束时间和输出控制。 ANSYS 提供的分析类型有以下几种： 结构静力分析 结构动力分析 结构非线性分析 热力学分析 电磁场分析 声场分析 压电分析 流体分析 (3)后处理模块 (POST 1 和 POST26) ANSYS 程序的后处理模块包含两个部分： 1)通用后处理模块 (POSTI)用于查看整个模块或选定的部分模块在某一子步 (时间步 )的结果。 2)时问历程后处理模块 (POST26) 用于查看模型的特定点在所有时间步内的结果。 ANSYS 整个窗口系统的组成及作用如下： 1.应用命令菜单（ UTILITY MENU）：包括各种应用命令，如文件的控制（ FILE）、选择对象（ SELECT）、对象资料列示（ LIST）、对象图形显示（ PLOT）、图形显示控制（ PLOTCTRLS）、nts第 13 页 共 24 页 工作界面设定（ WORKPLANE）、参数化设计（ PARAMETERS）、宏命令（ MACRO）、窗口控制（ MENUCTRLS）及辅助说明（ HELP）等。 主菜单（ MAIN MENU）；包括分析过程主要命令，如建立模块、外力负载、边界条件、分析类型的选择、求解过程等。 2.工具栏（ TOOLBAR）；执行命令的快择方式 3.输入窗口（ INPUT WINDOW）：该窗口是输入命令的地方，同时可监视输 入命令的历程，也可以监视目前所在处理器的位置。 4.图形窗口（ GRAPHIC）：显示使用者所建立的模块及查看分析后的结果。 5.输出窗口（ OUTPUT WINDOW）：该窗口会叙述使用者所下达的每个命令执行后的结果。 nts第 14 页 共 24 页 第四章 可转位刀具受力的有 ANSYS分析 4.1硬质合金可转位刀片选择 硬质合金可转位刀片的形状种类较多，其中正三角形和正方形刀片应用得最广泛。正方形 (S)刀片，刀尖角为 90， 通用性较好。主要用来制造主偏角为 45 、 60 、 75的各种外圆车刀 、端面车刀、镗孔刀和倒角车刀。因散热情况好，加工表面粗糙度底，刀尖强度大，耐用度高，使用普遍。选用型号 SNMMl50608的可转位硬质合金刀片，它的基本参数列于表 4 1中，其刀片形状为正方形、 0。法向后角、单面有 V形断屑槽，刀片简图如 4 1所示。 L D+M(u) S 0.13 d 1 0.08 R 0.10 m M(u) 15.875 15.875 M 0.10 U 0.18 6.35 6.35 0.8 2.959 M 0.15 U 0.27 表 4-1 分析中的刀片材料硬质合金 YTl4，型号是 SNMMl50608。其材料性能：弹性模量 E=520Gpa，泊松比 v=O 22，密度 P=12000kg m3。 4.2刀杆选择 车刀刀杆一般采用中碳钢 (45钢、 55钢 )制造，其截面形式有圆形截面、正方形截面和矩形截面，车刀刀杆截面尺寸的选取应考虑机床中心高、刀夹形式以及切削面积等几方面因素。一般的车削加工采用矩形截面，切削力较大时也可采用方形，内孔车刀多采用圆形截面。分析中使用的刀杆材料是瑞典 SS2230钢。刀杆的材料性能，弹性模量nts第 15 页 共 24 页 E=210Gpa，泊松比 v=O.3，屈服强度 y=1350Mpa，密度 P=7850kg m3。 本算例中选用 45钢，其截面形状为矩形截面，宽 H、高 B的尺寸分别为 25X 310 m、 20X 310 m。刀杆的长度为 125 310 m。 假定与限制 ： 做 一些 假定与限制能够尽可能的简化有限 元 模型和缩短解题时 间。 (1)刀 片 和刀 具的几何外形 上 所 有的细小棱条和槽以及微小距离都被忽略 (2)装夹 部分被认为是刀 具 和刀片产生的作削力： (3)假定在静态条件下，没有振动： (4)在刀片和刀槽之 间 沿着接触线的 二 维接触宽度假定为 1mm。 4.3 建立模型 在 ANSYS里直接建模，其方法就是在 ANSYN的前处理程序中直接定义每个节点的位置以及单儿的大小、形状和连通性来创建有限元 模型。节点用来定义单元在空间的位置，单元定义了模型的连接性 。 4.4 载荷条件 在刀片和刀杆之间有三种负载，两种机械载荷、一种热载荷。第一种载荷是刀片与刀杆产生的夹紧力，第一种载荷是切 削力，它取决于切削参数，第三种载荷是热量载荷它是切削过程中在切削边缘温度剧烈升高而产生的。 4.4.1切削力 金属切削时，刀具切入工件，使被加工材料发生变形成为切屑所需要的力称为切削力，来源于三个方面： (1)克服被加工材料对弹性变形的抗力： (2)克服被加工材料对塑性变形的抗力； (3)克服切屑对刀具前刀面的摩擦力和刀具后刀面对过渡表面和已加工表而之间的摩擦力。 上述各力的总和形成作用在刀具上的合力 F(国际标准为 F)，为了实际应用 F，可分为相 互垂直的三个力 Fx (国际标准为 Ff)、 Fy (国际标准为 Fp)、 Fz(国际标准为 Fc)。 在三维切削模型中， Fz(Fc)为切削力或切向力，它切于过渡表面并与基面垂直。 Fz(Fc)是计算刀具强度、设计机床零件，确定机床功率所必须的，一般称为主切削力； Fx(Ff)为进给力， Fy(Fp)为切深抗力或吃刀力。对于二维切削来说，主切削力 Fz(Fc)就是和刀具运动方向相同的力。 nts第 16 页 共 24 页 计算切削力的公式 Kc=Kc1 h-mc(1一 100) 4 1 式中 Kc一单位切削厚度上的切削力 (Pa) Kc1一名义上的确定切削力 (Pa) h一切削厚度 (m) Mc 切屑厚度对切削力的影响系数 一切屑倾斜角度 ( ) (1)刀片材料 YTl4时，取 Kc1=1700Mpa， Mc=0.25， =O ， kr=75 ，切削用量 fn=0 40mm r， ap=3mm。有公式 4-1计算得 kc=2165N，切削力、进给力和切深抗力为： Fc=fn ap kc=0.40 3 2165=2598N Ff=0.5 Fc=0.5 2598=1299N Fp=0.5 Ff-0.5 1299=649.5N 图 4 2 车削加工中的切深抗力 Fp、进给力 Ff和切削力 Fc 4.5 可转位 刀具受力的有限元分析 4.5.1 可转位刀具三维模型的建立 车削模拟中采用的刀具为可转位车具 ， 刀片的形状 ： 正方形、 边长为 15.875、厚度为 6.35、中心孔直径为 6.35、 法向后角 为 0 、单面有 直线圆弧 形断屑槽 。 刀杆的形状为矩形截面，宽 B 为 20、高 H 为 25、刀杆长度 L 为 125。如图所示， 整个模型采用基于特征的零件实体建模技术，利用 ANSYS 建立。 nts第 17 页 共 24 页 图 4 3 可转位刀具的有限元模型 4.5.2 可转位刀具的有限元模型 根据可转位刀片实际用材情况，我们选用牌号为 YT14 的硬质合金材料，其主要力学特性参数为弹性模量 EX=5.25xlOPa，泊松比 P=0.25,刀杆材料是 45 号 钢弹性模量E=210Gpa，泊松比 v=O.3。 利用 ANSYS 进行分析之前，考虑到可转位刀片的具体形状及受力特点，在不影响计算精度的情况下，采用了四面体实体单元对其进行有限元网格的自由划分，由于在整个切削过程中，应力应变的变化主要集中在刀尖周围区域，因而对该部位进行了网格细分 。 根据以上方法，可转位刀片共被划分为 35146个节 点， 24940个元素，其网格如图 4所示 。 为了得到较为精确的计算结果，需要根据可转位刀片的实际状况对其约束和加载。分析可转位刀具的结构可知 (如图 4-3)，刀片通过机械的方式，被夹固在刀体上，刀片置于刀柄槽中，刀底面约束刀片 轴负方向的位移，刀片前刀面的压板约束刀片 z轴正方向的位移，刀柄槽的两侧面约束刀片 和 Y方向位移，刀槽底面、两侧、中心孔及压板还约束刀片 x y和 z轴的旋转，所以，刀片相对于刀垫是固定不动的，据此对其约束 。 由于切削力的影响因素较多，计算较复杂，加之目前所用切削力理论计算公式是在忽略了温度、 正应力、第 变形区的变形与摩擦力等条件下推导出来的，与实际切削状态差别较大，故只能用于切削力的定性分析，不宜用于实际计算。因此，根据本实例 的原始试验数据，采用文献 4中的实验公式，计算出三个切削分力的经验值分别为 xF=1299N, Fy=649.5N,Fz=2598N nts第 18 页 共 24 页 根据上述分析，按切削条件最恶劣的极限情况 (即xF、 Fy、 Fz集中作用于刀尖一点 )进行模拟加载，在刀具末端施加全部约束 (这样并不影响 分析结 果 ) 图 4 4 可转位刀具有限元 网格 模型 可转位刀片在工作过程中主要受到的载荷有： （ 1） 克服被加工材料对弹性变形和塑性变形的抗力； （ 2） 克服切削过程所引起的摩擦力。 根据实际作用效果，切削力通常被分成 3个方向的作用力，即主切削力 、进给抗力 和切深抗力 ，如图 1 所示。由于切削过程非常复杂，所以，目前还没有与实际测量结果十分相符的理论公式。现在有关切削力的计算一般都是采用实验方法获得的经验公式，该公式的具体形式如下 : ;n n n n nz z y y xx y x y xz F p F y F p F x F pF C a f K F C a f K F C a f 。式中：zFC、 yFC、xFC是决定于被加工材料、切削条件的系数；z y X z y xF F F F F FX X X Y Y Y、 、 、 、 、分别 为 paf、的指数值；zFK、yFK、xFK为当实际加工条件与实验公式条 件不符时，各因素对切削力的修正系数的积。 上述各系数、指数、修正系数值都可以从相关切削用量手册中查得。本文根据可转位刀片加工实际状况，查阅手册得到了某一粗加工可转位刀片的经验公式：1 . 0 3 2 2 0 . 1 9 0 1 0 . 1 1 5 3 0 . 5 8 3 8 0 . 8 6 4 8 0 . 8 0 2 54 5 7 . 2 9 ; 8 0 3 . 1 5 ; 1 9 4 . 8 8x p y p z pF a f F a f F a f 其中， pa 单位为 mm ,f单位为 mm/r，xF、yF、zF单位为 N。 nts第 19 页 共 24 页 4.5.3 结果分析 (1)由上述应力、应变图可以看出：可转位车刀刀片受到的最大应力、出现的最大应变均出现在主切削刃靠近刀尖的部位，最大应力值为： 1.975x 910 pa，与其实际工作状况较为相符。 (2)为了进一步说明问题，在保持进给量、切削深度不变的情况下，分别取主切削力进行分析计算，所得到的结果见图。上述计算结果也表明，可转位刀片进行切削加工时，主切削刃靠近刀尖区域所受到的应力最大，产生的应变也最大，因此，该部位是刀片失效的关键部位。 (3)分析可转位刀 片的工作过程及其刀尖区的失效特征，我们认为：失效的产生不仅与刀具本身的质量有关，还受机床性能，工件夹持的可靠性，刀杆系统的刚性，刀片选择的合理性以及切削参数的正确性等因素的影响，既有随机性、偶然性，也带有普遍性。通过对该刀片的结构、几何参数和切削性能的分析，刀片及刀体自身的结构参数对整个车刀的切削性能有着至关重要的影响；并且在实际加 工 过程中，刀体的结构参数基本上是不变的。因此，我们只有通过改变刀片的几何参数来改变刀片的切削性能，以便刀具在生产加工过程中达到最佳的切削状态 。 综合各方面的因素，为了提高刀具的耐 用度，特提出以下建议： 一是提高刀具原始质量。有关研究表明，刀具原始质量是造成刀具非正常损坏的主要原因。因此
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