林南南，張吉軍，戶春影，段寶成，王廣鳳，李牧，徐光順，楊宗秋，蔣玉明

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶 163319）

金屬切削過程中隨著刀具與切屑，刀具與工件間摩擦的發(fā)生以及切削變形的發(fā)展，在變形區(qū)內(nèi)將會(huì)產(chǎn)生大量的切削熱與極高的切削力，因此溫度和力載荷是切削過程的重要影響因素[1]。刀具是金屬切削過程中的關(guān)鍵要素之一[2]，在切削過程中刀具既要承受力載荷的變化，又要受到由于切削熱而引起的溫度載荷的作用，而切削力載荷和熱載荷之間又互相影響，即熱—力耦合作用。這種耦合作用將對(duì)刀具的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和使用壽命產(chǎn)生很大影響，因此在刀具的設(shè)計(jì)階段就要考慮熱—力耦合的影響。

1 車刀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 車刀總體設(shè)計(jì)

刀具結(jié)構(gòu)的合理與否對(duì)其切削性能具有重要的影響[3]。因此依據(jù)加工條件要求，設(shè)計(jì)了硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位大切深車刀，其主要尺寸及參數(shù)條件見表1所示，圖1表示該刀具的裝配結(jié)構(gòu)三維圖，采用中心孔—頂面聯(lián)合壓緊夾固方式，實(shí)現(xiàn)刀片雙向壓緊，因此刀片夾緊牢固。

表1 刀具主要參數(shù)條件Table 1 Main parameters conditions of tools

圖1 大切深車刀總體裝配圖Fig.1 Total assembly drawing of tools with large cutting depth

1.2 刀桿的設(shè)計(jì)

如圖2所示為車刀的刀桿結(jié)構(gòu)，為了保證刀桿足夠的強(qiáng)度和剛性，刀桿截面尺寸為45×50 mm2。

圖2 刀桿結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Three-dimensional structure of tool arbor

1.3 刀片及夾緊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

如果沒有合理的刀具結(jié)構(gòu)，幾乎不可能保質(zhì)保量地加工出高精度的工件[4]。如圖3（a）所示為所設(shè)計(jì)的刀片的三維結(jié)構(gòu)圖，采用正方形刀片，法前角20°，刃傾角0°，HV型斷屑槽，屬于前后等寬且封閉的槽型，保證刀尖強(qiáng)度足夠，適合于較大切削用量的粗車加工。

圖3 刀片及夾緊元件三維圖Fig.3 Three-dimensional structure of blade and clamping element

結(jié)合圖1、圖3可知，刀片（a）通過螺釘（b）進(jìn)行圓周定位，通過壓塊（d）前端部將刀片（a）向下壓緊，而壓塊的斜面將刀片壓向螺釘（b）圓周面。壓塊（d）通過螺釘（c）夾緊，實(shí)現(xiàn)刀具的夾固。這種中心孔—頂面聯(lián)合壓緊夾固方式使刀具夾固穩(wěn)定，才能夠擔(dān)當(dāng)大切削深度的粗加工任務(wù)。

2 車刀穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)分析

2.1 切削載荷的確定

所設(shè)計(jì)的刀具主要針對(duì)大型不銹鋼化工件的內(nèi)外表面進(jìn)行車削加工，依據(jù)切削用量參數(shù)和切削力計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式[5]，可計(jì)算出作用在刀具上的最大三向切削分力，見表2所示。

表2 切削載荷理論計(jì)算數(shù)據(jù)Table 2 Theoretical calculation data of cutting load

2.2 初選模型參數(shù)條件及分析

2.2.1 模型參數(shù)條件的初選

基于UG軟件建立了如圖1所示的外圓車刀三維模型裝配圖。圖4為刀具網(wǎng)格劃分圖，表3給出了網(wǎng)格劃分的數(shù)據(jù)及初選刀具材料的部分參數(shù)。

圖4 車刀有限元模型Fig.4 Finite element model of tools

表3 刀具網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)據(jù)及材料參數(shù)Table 3 Meshing data and material parameters of tools

2.2.2 初選模型參數(shù)條件下的刀具靜力分析

取車刀懸伸量為162 mm時(shí)進(jìn)行靜力分析，分析結(jié)果如圖5所示。此時(shí)最大變形量約為0.487 mm，位于刀尖區(qū)域。最大靜應(yīng)力為1 512.3 MPa，最大應(yīng)力分布于刀桿約束區(qū)與非約束區(qū)交界區(qū)域。刀片上最大應(yīng)力為1 251.6 MPa，刀片材料為YT15硬質(zhì)合金，抗彎強(qiáng)度為1 150 MPa，低于1 251.6 MPa；刀桿材料為40 Cr鋼，抗彎強(qiáng)度為980 MPa，低于刀桿所受的應(yīng)力值，因此刀片和刀桿材料都需要重新選擇，再進(jìn)行分析。

圖5 車刀懸伸162 mm時(shí)初選參數(shù)靜力分析Fig.5 Static analysis results of tool overhang 162 mm when primary selection parameters

2.3 修改模型參數(shù)條件及分析

2.3.1 修改的模型參數(shù)條件

為了保證刀片和刀桿的足夠抗彎強(qiáng)度，刀片材料選為YT5，刀桿材料選為W18Cr4V鋼，如表4給出了修改的刀具材料部分參數(shù)。

表4 修改的刀具材料參數(shù)Table 4 Modified material parameters of tools

2.3.2 修改模型參數(shù)條件下的靜力分析

當(dāng)車刀懸伸量為162 mm時(shí)，依據(jù)修改條件重新對(duì)刀具進(jìn)行靜力分析，結(jié)果如圖6所示。此時(shí)最大變形量約為0.471 mm，位于刀尖區(qū)域。最大靜應(yīng)力為1 646.9 MPa，最大應(yīng)力分布于刀具約束區(qū)與非約束區(qū)交界區(qū)域。刀片上所受應(yīng)力為1 252.5 MPa，由表4可以看出，刀片和刀桿的強(qiáng)度都是安全的。

圖6 車刀懸伸162 mm時(shí)改變參數(shù)的靜力分析Fig.6 Static analysis results of tool overhang 162 mm when modifying parameters

當(dāng)?shù)毒邞疑炝繛?52 mm，142 mm，132 mm， 122 mm，112 mm，102 mm時(shí)，分析結(jié)果見表5所示。由表5可以看出，車刀只受穩(wěn)態(tài)力作用時(shí)，在相同條件下，隨著刀具懸伸量增大，產(chǎn)生的最大變形量也逐漸增大，最大應(yīng)力先略有減小，再增大?？梢岳斫鉃榈毒邞疑炝坑?，其剛性愈差，愈易產(chǎn)生大的變形。

表5 不同刀具懸伸量的車刀靜力分析結(jié)果Table 5 Static analysis results of tool different overhang

3 車刀熱—力耦合分析

金屬切削加工中，切削變形區(qū)形成局部的熱—力耦合不均勻應(yīng)力場(chǎng)，產(chǎn)生較大殘余應(yīng)力，切削變形區(qū)應(yīng)力計(jì)算屬于熱—力耦合問題，有限元方法是有效的研究方法[1]。金屬切削加工過程中，切削力和切削熱是共存的，因此對(duì)刀具的分析需要考慮二者的綜合作用。

3.1 刀具溫度分布熱分析

3.1.1 熱流率的計(jì)算

式（1）中：Λ表示材料的導(dǎo)熱系數(shù)，w·（m·℃）-1；q表示熱流率，w·m-2；T1-T2表示實(shí)體表面間溫度差，℃；d表示實(shí)體兩個(gè)表面間距離，m；（T1-T2）/d表示表面間的溫度梯度。

由公式（1）可得：q=Λ（T1-T2）/d，依據(jù)條件，Λ= 62.8w·（m·℃）-1；T1=450℃；T2=20℃；d=0.014 m；計(jì)算可得熱流率q=1.929 w·m-2。

3.1.2 熱分析及結(jié)果

分析時(shí)刀具模型、網(wǎng)格劃分與前面完全一致，切削溫度取450℃，熱流率為1.929 w·m-2，二者都施加在刀具前刀面的局部區(qū)域上，考慮對(duì)流加載狀態(tài)。圖7為熱載荷施加和刀具溫度分布結(jié)果圖?？梢钥吹?，溫度從刀尖切削區(qū)向刀片、刀墊及刀桿方向逐漸傳遞?？傮w看，刀尖切削區(qū)溫度最高，刀桿前端溫度較高，刀桿夾持端溫度最低。

圖7 車刀熱載荷加載及溫度分布結(jié)果Fig.7 Loading of heat load and temperature distribution result of tools

3.2 熱—力耦合分析

3.2.1 刀具懸伸162 mm時(shí)熱—力耦合分析

在穩(wěn)態(tài)熱分析的基礎(chǔ)上，對(duì)該車刀施加約束和載荷，進(jìn)行熱力耦合分析。如圖8所示為分析得到的結(jié)果，此時(shí)最大變形量約為0.867 mm，最大應(yīng)力約為3 351.9 MPa，刀片上最大應(yīng)力為1 328.6 MPa，最大應(yīng)力處于刀具約束區(qū)與非約束區(qū)的交界區(qū)域，因此在熱—力綜合作用下刀片和刀桿的強(qiáng)度是安全的。

圖8 車刀懸伸162 mm時(shí)熱-力耦合分析結(jié)果Fig.8 Thermal-mechanical coupled analysis results of tool overhang 162 mm

3.2.2 其他刀具懸伸量時(shí)熱—力耦合分析

刀具懸伸量為152、142、132、122、112、102 mm時(shí)，分析結(jié)果見表6所示。由表6可以看出，刀具在熱—力耦合作用下，隨著刀具懸伸量的增加，最大變形量先遞減再遞增，而最大應(yīng)力逐漸遞增。因此存在一個(gè)使最大變形量為最小的刀桿懸伸量，這不同于靜力分析。

表6 不同刀具懸伸量的車刀熱—力耦合分析結(jié)果Table 6 Thermal-mechanical coupled analysis results of tool different overhang

4 結(jié)論

（1）由表5可知，當(dāng)?shù)毒咧皇莒o態(tài)力作用時(shí)，刀具懸伸量愈大，則產(chǎn)生的最大變形量逐漸增大；由表6可知，當(dāng)?shù)毒呤軣帷︸詈献饔脮r(shí)，隨著刀具懸伸量的增加，最大變形量先遞減再遞增[6]。因此存在一個(gè)使刀具產(chǎn)生變形量為最小的刀桿懸伸量，這對(duì)于合理確定車刀裝夾的長度具有積極意義。

（2）將表5和表6進(jìn)行對(duì)比，可以看出：在相同條件下，車刀只受靜力作用時(shí)，產(chǎn)生的最大變形量、最大應(yīng)力都??；而受熱—力耦合作用時(shí)，最大變形量、最大應(yīng)力都大大增加。從變形和應(yīng)力的角度看，切削溫度對(duì)刀具使用壽命具有重要影響。

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