黃曉華

（蘇州工業(yè)職業(yè)技術學院，江蘇 蘇州 215008）

外圓車刀作為金屬切削加工中應用最為廣泛的一種刀具，在中低速切削加工條件下，相關的文獻資料所推薦的切削參數大部分都是經長久性實踐證明的結果，被眾多加工行業(yè)所借鑒。隨市場競爭的日益激烈，目前，高速切削加工技術已經成為提高生產率和加工品質、降低成本的主要途徑，但由此帶來的刀具壽命問題一直備受關注。因此，利用有限元數值分析軟件研究外圓車刀的高速切削加工機理，特別是對高速切削刀具強度進行理論分析，從而了解車刀內部應力分布情況，對合理選擇刀具結構，改善刀具受力情況，延長刀具壽命具有實際工程意義。

1 高速切削試驗條件及切削力的計算

在比常規(guī)切削速度高出很多的速度下，進行的切削加工稱為高速切削。目前，各國對高速切削的速度范圍并沒有統(tǒng)一的定義，通常把高出常規(guī)切削速度5～10倍的切削速度稱為高速切削。因此本文選用GSK980TDb型數控車床，確定高速切削試驗切削參數為：主軸轉速Vc=500 m/min，進給量f=0.5 mm/r，背吃刀量ap=3 mm，選用的車刀刀桿是幾何尺寸為B×H=16×25，L=200的45鋼，刀片材料為涂層硬質合金YT15，查文獻[2]得刀具材料的強度極限σb=6 00 MPa，屈服極限σs=355 Mpa，彈性模量E=206 GPa，泊松比μ=0.27，車刀主要角度：主偏角Kγ=7°，副偏角 Kγ'=10°，前角 γ0=5°，后角 α0= α0'=8°，刃傾角 λs=-5°，被加工材料為 σb=637 MPa的碳素結構鋼。

硬質合金車刀車削外圓過程中產生的切削合力Fr可以分解為三個分力，即主切削力FC、進給抗力Ff和切深抗力Fp。查文獻[3]得切削力的經驗計算公式為：

式中，

ap為背吃刀量，mm；

f為進給量，mm/r；

νc為切削速度，m/min；

CFc、CFp、CFf表示取決于被加工材料和切削條件的系數；

xF、yF表示各參數對切削力影響程度的指數；

KF表示實際加工條件各種因素對切削力的修正系數的乘積。

以上系數和指數可通過查文獻[4]而得，并代入切削分力計算公式，得各切削分力如下：

2 有限元模型建立及分析

2.1 ANSYS軟件功能簡介

有限元單元法是數值計算方法中在工程分析領域應用最為廣泛的一種計算方法。其是物理現(xiàn)象（幾何和載荷工況）的模擬，是對真實情況的數值近似，可以通過對分析對象劃分網格，求解有限個數值來近似模擬真實環(huán)境的無限個未知量。ANSYS軟件作為一種有限元分析軟件，已成為CAE和工程數值模擬的有限工具，利用ANSYS軟件進行有限元結構的力學分析時，通過對所施加的載荷進行數值模擬，分析應力應變集中區(qū)，達到強度分析和優(yōu)化設計的目的。

ANSYS分析過程中包含3個主要的步驟：

（1）創(chuàng)建有限元模型；

（2）施加載荷和邊界條件，求解；

（3）結果評價和分析。

2.2 外圓車刀幾何模型的建立及有限元網格的劃分

外圓車刀幾何模型的建立步驟為：利用CAD軟件UG建立外圓車刀的三維實體模型，在ANSYS文件菜單中導入該幾何模型，并建立三維有限元模型。

外圓車刀有限元網格的劃分步驟為：定義外圓車刀單元屬性，在幾何模型上定義網格屬性和劃分網格。劃分單元，采用8節(jié)點六面體Solid45，采用自由網格劃分技術劃分網格，并且對刀頭和刀桿分別設置不同的網格密度，刀頭網格劃分較細，是為了能更精確地反映加工過程中內部的應力分布情況，而刀桿網格劃分較粗是為了節(jié)省計算時間。最終將車刀劃分為 3 807節(jié)點，1 8871個單元。

2.3 施加載荷和邊界條件及求解

為保證車削加工工件的尺寸精度，不允許刀具在切削過程中有相對于刀架的移動，因此，需要在刀具末端施加全部的位移約束。考慮刀尖受力最不利的情況，將FC、Ff和Fp集中作用于刀尖一點進行模擬施加載荷，得到刀具內部應力分布及大小如圖1～圖4所示，應變分布大小如圖5所示，全部自由度解USUM分布大小即位移等值線圖如圖6所示。

圖1 von Mises應力

圖2 第一主應力

圖3 第二主應力

圖4 第三主應力

圖5 von Mises應變

圖6 位移等值線圖

2.4 結果分析

由圖1可知，車刀刀尖部位即第9個節(jié)點處的應力最大，最大應力值為521.879 Mpa；由圖5可知，刀尖部位的應變也達到最大，最大應變值為0.002 694 m；由圖6可知，最大合位移為0.019 5 mm。由以上的數據，我們可以知道：車刀刀尖部位和主切削刃是最易失效的部位。因此，在切削時，一方面必須增強刀頭強度，除采用采用高強度、高硬度的刀片材料，還可在刀尖處磨圓弧過渡刃或負刀刃，提高刀具的使用壽命；另一方面隨著切削時間的增長，刀具會發(fā)生塑性變形，還必須通過調整切削參數來降低刀尖和刀刃的應力，保證工件的加工精度。由圖2、圖3和圖4可知，第一主應力、第二主應力和第三主應力最大值分別為 -320.868 Mpa、-486.199 Mpa 和 -847.528 Mpa。其中，第三主應力略大于刀具的強度極限，但以上分析結果是建立在載荷集中作用于刀尖的基礎上的，因此，會造成計算結果比實際值大。若采用ANSYS非線性分析，計算結果會更為準確，在實際應用中能以以上理論分析為依據，適當減小背吃刀量來減小切削力，控制各應力在允許值內，這樣在保證平穩(wěn)切削的同時還保證了較高的切削效率。

3 結束語

高速切削刀具內部應力和應變分布大小及其變化規(guī)律是高速切削工藝分析的重要依據，利用ANSYS有限元軟件能有效地實現(xiàn)切削過程中刀具內部應力場大小及分布的數值模擬，并且可以找出加工中刀具危險點的位置，為合理選擇切削參數，合理設計刀具幾何角度提供了可靠的理論依據，有利于延長刀具使用壽命，保證高速切削的生產效率。

[1]艾 興，等.高速切削加工技術[M].北京：國防工業(yè)出版社，2003.

[2]機械設計手冊編委會.機械設計手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2008.

[3]陸建中，孫家寧.金屬切削原理與刀具[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[4]寧仲良.刀具強度的有限元數值模擬分析[J].工具技術，2003，(3):16.