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        微型車刀前刀面微溝槽結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

        2015-05-07 09:48:30王雯
        機(jī)械工程師 2015年4期
        關(guān)鍵詞:微型車刀面車刀

        王雯

        (長(zhǎng)春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,長(zhǎng)春130022)

        0 引言

        金屬切削過程中,車刀的前刀面不斷與切屑和工件接觸,并發(fā)生劇烈摩擦,而發(fā)生在車刀上的摩擦與磨損會(huì)造成刀具損壞而失效,使切削無法正常進(jìn)行[1]。

        鑒于仿生學(xué)的出現(xiàn),國(guó)內(nèi)外學(xué)者把微結(jié)構(gòu)應(yīng)用到了活塞/缸套[2]、軸承[3]、刀具[4]等機(jī)械零件上,得知微結(jié)構(gòu)具有改善摩擦副之間的摩擦性能、減小表面磨損及提升承載力等作用。例如:硬質(zhì)合金車刀切削淬硬鋼時(shí),在車刀的前刀面上加工四個(gè)直徑為0.15 mm的微孔,并裝填固體潤(rùn)滑劑,可以有效地改善干切削時(shí)車刀的摩擦特性[5];傾斜微溝槽結(jié)構(gòu)化前刀面的車刀在以大切除率進(jìn)行鈦合金材料的干切削時(shí)可以降低切削溫度和切削力[6]。但是,這些車刀都是常規(guī)的車刀,刀尖半徑都很大;切削的材料都是較硬的材料,如淬硬鋼、鈦合金等;工件的直徑在50 mm左右,機(jī)床的轉(zhuǎn)速較低,進(jìn)給量和背吃刀量都很大,尚未應(yīng)用到微型成型車刀前刀面上。

        1 微溝槽微型車刀的靜力學(xué)分析

        1.1 車刀試件有限元模型的建立

        分析微型車刀的受力情況,對(duì)于微溝槽的設(shè)計(jì)來說,車刀可化簡(jiǎn)成包括刀尖部分1/4車刀的平行四面體(邊長(zhǎng)為3.22 mm,厚度為2.38 mm)。車刀前刀面的大致磨損范圍為0.5 mm×0.5 mm,如圖1所示。我們將微結(jié)構(gòu)的位置分布和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行大致確定,微溝槽微型車刀試件如圖2所示。本文微溝槽槽寬為0.05 mm,槽間距為0.1 mm,槽深為0.02 mm;切削力通過切削試驗(yàn)測(cè)得:Fx=1.22 N,F(xiàn)y=2.84 N,F(xiàn)z=1.36 N。

        圖1 微型車刀前刀面磨損測(cè)量結(jié)果

        圖2 微溝槽微型車刀試件示意圖

        在以邊長(zhǎng)為0.5 mm的扇形區(qū)域里分別做三種微溝槽結(jié)構(gòu),如:垂直微溝槽,平行于切削刃的微溝槽,40°的斜形微溝槽,以研究對(duì)其刀尖應(yīng)力的影響。

        圖3 各種微型車刀試件的Mises應(yīng)力分布圖

        1.2 微型車刀微溝槽尺寸參數(shù)的確定

        在ANSYS后處理模塊中,我們可以通過General Postproc中的Von Mises Stress對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析,圖3為各種微型車刀試件的Mises應(yīng)力分布圖。

        由圖3可見,微溝槽方向的不同導(dǎo)致微型車刀應(yīng)力分布的不同。無織構(gòu)的普通車刀試件應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在刀尖上,其值為6.40 MPa;帶有微溝槽的車刀試件最大應(yīng)力值分布在溝槽的邊線上,略微降低了刀尖的受力;另外,可以得知:在其它參數(shù)不變的情況下,只調(diào)整微溝槽的設(shè)計(jì)方向,車刀試件的應(yīng)力分布形式略有相近,但刀尖最大應(yīng)力值稍有不同。平行于切削刃的微溝槽車刀試件的刀尖最大時(shí)Mises應(yīng)力最小,其值為5.74 MPa。

        2 結(jié)論

        微溝槽的方向不同會(huì)導(dǎo)致微型車刀前刀面刀尖的應(yīng)力分布不同。三種微結(jié)構(gòu)都使刀尖的最大Mises應(yīng)力值降低了。其中,平行于切削刃的微溝槽車刀試件的刀尖最大Mises應(yīng)力最小,其值為5.74MPa。這為以后的金屬切削模擬仿真奠定了一定基礎(chǔ)。

        [1] 吳澤,鄧建新,連云崧,等.表面織構(gòu)刀具的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].航空制造技術(shù),2012(10):32-37.

        [2] 劉一靜,袁明超,王曉雷.表面織構(gòu)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞/缸套摩擦性能的影響[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2009(6):866-871.

        [3] 何建林.具有微結(jié)構(gòu)功能表面的刀具及車削性能研究[D].廣州:華南理工大學(xué),2010.

        [4] Brizmer V,Kligerman Y,Etsion I.A laser textured parallel thrust bearing[J].Tribology Transactions,2003,46(3):397-403.

        [5] 鄧建新.自潤(rùn)滑刀具及其切削加工[M].北京:科學(xué)出版社,2010.

        [6] Xie J,Luo M J,Wu K K,et al.Experimental study on cutting temperature and cutting force in dry turning of titanium alloy using a non-coated micro-grooved tool[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture,2013,73:25-26.

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