1404-可轉(zhuǎn)位車刀受力的ANSYS分析陳健,可轉(zhuǎn)位,車刀,ansys,分析,陳健 第 1 頁 共 33 頁第一章 引言1.1 本課題研究的意義隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算方法的發(fā)展，負(fù)責(zé)的工程問題可以采用離散化的數(shù)值計(jì)算技術(shù)并借助計(jì)算機(jī)得到滿足工程要求的數(shù)值解。數(shù)值模擬技術(shù)是現(xiàn)代工程學(xué)形成和發(fā)展的重要推動(dòng)力之一。目前，在工程領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的數(shù)值模擬方法是有限元法，有限元計(jì)算結(jié)果已成為各類工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和性能分析的可靠依據(jù)和有效手段。ANSYS 能對有效的模擬可轉(zhuǎn)位刀具的受力分析，選擇合理的刀具結(jié)構(gòu)、幾何參數(shù)及切削用量參數(shù)是提高其切削性能的重要因素，國際生產(chǎn)研究會(huì)（CIRP）的一項(xiàng)研究報(bào)告指出：“由于刀具材料的改進(jìn)，刀具使用壽命每隔十年幾乎提高一倍；而由于刀具結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)的改進(jìn)，刀具使用壽命每隔十年幾乎提高二倍” 。由此可見，選擇合理的刀具幾何參數(shù)的重要性，所以利用相關(guān)軟件進(jìn)行直接模擬優(yōu)化結(jié)構(gòu)、幾何參數(shù)有其及其重要的現(xiàn)實(shí)意義。此外，在生產(chǎn)中，切削用量的合理選擇是一個(gè)很重要的問題，它與生產(chǎn)率、加工成本、利潤和加工質(zhì)量等有著密切的聯(lián)系，所以根據(jù)刀具最低有效應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)來優(yōu)化切削用量可以達(dá)到最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益?；谟邢拊姆椒▉韺Φ毒叩膽?yīng)力應(yīng)變進(jìn)行分析進(jìn)而得出刀具的最佳幾何參數(shù)一直是研究的熱點(diǎn)。該方法利用基于有限元的數(shù)值模擬技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上通過建立有限元模型、輸入材料性能參數(shù)、加載、計(jì)算來真實(shí)地模擬出切削的整個(gè)過程，從而可得出切削區(qū)及刀具中的應(yīng)力應(yīng)變的變化。在此基礎(chǔ)上分析不同幾何參數(shù)下刀具的應(yīng)力應(yīng)變分布，進(jìn)而選取合理的優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合刀具材料的性能特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出較合理的刀具結(jié)構(gòu)及幾何參數(shù)。因此，隨著新型刀具材料的發(fā)展，明確切削力和刀片夾緊力在刀片和刀槽之間接觸表面上的分布情況是非常重要的，這樣就更有利于刀片和刀具的設(shè)計(jì)，以便防止塑性變形和疲勞破損的產(chǎn)生，確保刀片和刀具的性能。隨著CAE技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用有限元方法進(jìn)行車削過程仿真分析，可以研究切削的流動(dòng)狀態(tài)、刀具-工件的車削應(yīng)力-應(yīng)變狀況和溫度場分布狀態(tài)等，研究的結(jié)果對車削過程的優(yōu)化起到一定的作用。但就目前的研究狀況看，實(shí)用的方法大多具有一定的局限性：(1) 目前基于有限元模擬的車削過程大多采用二維有限元模型，但實(shí)際上刀具-工件的整個(gè)作用過程是三維、空間、立體的；(2) 許多有限元模擬工作基于簡化處理后的車刀幾何結(jié)構(gòu)，座了一些理想化處理，因而在一定程度上限制了仿真結(jié)果對實(shí)際加工的預(yù)測和指導(dǎo)意義；(3) 對硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀具而言，根據(jù)其實(shí)際加工狀況，該刀具刀片的前刀面上實(shí)際承受的式分布載荷，但以往多數(shù)采用靜力等效集中載荷法或彈性理論極坐標(biāo)通解法來第 2 頁 共 33 頁處理前刀面上分布載荷，往往很難得到與實(shí)際相符的計(jì)算結(jié)果?；诖?，本文在充分考慮硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位車刀幾何參數(shù)及刀片-工件實(shí)際作用狀況的基礎(chǔ)上，主要對整個(gè)切削過程的力學(xué)特性進(jìn)行了深入研究，分析處于實(shí)際加工狀態(tài)的硬質(zhì)合金刀具的應(yīng)力、應(yīng)變狀況，為該刀片的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一定的理論依據(jù)。第 3 頁 共 33 頁第二章 可轉(zhuǎn)位車削刀具2.1 可轉(zhuǎn)位外圓車削刀具結(jié)構(gòu)2.1.1 可轉(zhuǎn)位刀具的概述機(jī)夾可轉(zhuǎn)位刀具是將有合理的幾何參數(shù)、斷屑槽形、裝夾孔和具有多個(gè)切削刃的多邊形刀片用機(jī)械夾固的方法夾持在刀桿，一般由刀片、刀墊、夾緊元件和刀體組成”。當(dāng)在使用過程中一個(gè)切削刃磨鈍了后，只要將刀片的夾緊松開，轉(zhuǎn)位或更換刀片，使新的切削刃進(jìn)入工作位置，再經(jīng)夾緊就可以繼續(xù)使用。刀片——承擔(dān)切削，形成被加工表面； 刀墊——保護(hù)刀體，確定刀片位置； 夾緊元件一一夾緊刀片及(或)刀墊；刀體——刀體及(或)刀墊的載體，承擔(dān)和傳遞切削力及切削扭矩，完成刀片與機(jī)床的聯(lián)接?？赊D(zhuǎn)位刀具切削效率高，輔助時(shí)間少，所以提高了工效，而且可轉(zhuǎn)位刀具的刀體可重復(fù)使用，節(jié)約了材料和制造費(fèi)用，促進(jìn)了刀具技術(shù)的進(jìn)步?？赊D(zhuǎn)位刀片的出現(xiàn)，基本上解決了刀桿材料大量浪費(fèi)和貴重的硬質(zhì)合金材料可以回收的問題。但這種可轉(zhuǎn)位刀片，其幾何角度仍按加工對象的材料性質(zhì)和加工要求等所確定，從而限制了刀桿、刀片的通用性。刀墊結(jié)構(gòu)，可使刀片的支撐剛性增加，保護(hù)了刀桿。但由于刀墊的前角Y o墊和刃傾角入s墊均為O。，它與刀片配合使用時(shí)，刀片主刃上的切削角度沒有變，一旦工件材料或加工要求變動(dòng)時(shí)，這種結(jié)構(gòu)便不能適應(yīng)。2.1.2 可轉(zhuǎn)位刀片設(shè)計(jì)的基本要求可轉(zhuǎn)位刀片設(shè)計(jì)的基本要求：(1)在同一刀片上，要有盡可能多的切削刃供轉(zhuǎn)位使用，以提高可轉(zhuǎn)位刀片的利用率；(2)要有一定的制造精度，保證可轉(zhuǎn)位刀片完全互換；盡量簡化或有利于刀片在刀具上的定位與夾緊；(3)要有足夠的強(qiáng)度，以承受切削時(shí)產(chǎn)生的切削力及沖擊、振動(dòng)等，在此前提下，刀片體積盡量小，以求經(jīng)濟(jì)性好：(4)各切削刃要具有相同的幾何參數(shù)，保證轉(zhuǎn)位或更換刀片后的切削效果不變。車刀片的斷屑(卷屑)性能好；(5)尖刀刃切削加工時(shí)位置的可達(dá)性要好；(6)保證上述要求的前提下，刀片幾何形狀盡可能簡單，以簡化刀片制造工藝。 2.1.3 可轉(zhuǎn)位刀片結(jié)構(gòu)特點(diǎn)按照可轉(zhuǎn)位刀片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，把可轉(zhuǎn)位刀片設(shè)計(jì)成正多邊形或圓形，在需要加長刀片切削刃時(shí)，可制造成長方形或平行四邊形。邊數(shù)愈多，可供轉(zhuǎn)位使用的切削刃也愈多，刀尖強(qiáng)度也愈好，但切削力將增大，同時(shí)刀尖、刀刃位置的重復(fù)性也差。由第 4 頁 共 33 頁于可轉(zhuǎn)位刀片是用機(jī)械加固的方法，將刀片夾緊在可轉(zhuǎn)位刀具上的，因此，通常按刀片在刀桿或刀體上的安裝方法不同，把可轉(zhuǎn)位刀片分為如下幾類：(1)無孔可轉(zhuǎn)位刀片 刀片采用上壓式結(jié)構(gòu)將刀片夾緊。(2)圓孔可轉(zhuǎn)位刀片 刀片中間有一圓柱形孔，用來將刀片安裝夾緊在刀桿上。(3)可轉(zhuǎn)位刀片 刀片夾緊時(shí)，用一沉頭螺釘穿入孔內(nèi)直接將刀片夾緊在刀桿或刀體上，簡化了刀具的夾緊結(jié)構(gòu)。2.2 可轉(zhuǎn)位外圓車削刀具夾緊方式2.2.1 刀片的夾固要求刀片的夾固必須滿足下列要求：(1)定位精度高刀片轉(zhuǎn)位或更換新刀片后，刀尖位置的變化應(yīng)在工件精度允許的范圍內(nèi)。(2)刀片夾緊可靠夾緊元件應(yīng)將刀片壓向定位面，應(yīng)保證刀片、刀墊、刀桿接觸面緊密貼合，經(jīng)得起沖擊和振動(dòng)，但夾緊力也不宜過大，應(yīng)力分布應(yīng)均勻，以免壓碎刀片。(3)排屑流暢刀片前面上最好無障礙，保證切屑排出流暢，并容易觀察。刀片的夾緊方式受刀片形狀、刀具尺寸和刀具功用等因素的影響。夾緊時(shí)必須滿足以下條件：刀片裝夾定位要符合切削力定位夾緊原理，即切削力的合力必須作用在刀片支承面周界內(nèi)。刀片周邊尺寸定位滿足三點(diǎn)定位原理。切削力與裝夾力的合力在定位基面(刀片與刀體)上所產(chǎn)生的摩擦力必須大于切削振動(dòng)等引起的使刀片脫離定位基面的交變力。刀片通過刀墊的轉(zhuǎn)位，在刀槽的安裝位置上，其側(cè)面的三個(gè)定位點(diǎn)將發(fā)生變動(dòng)，由此而可能產(chǎn)生刀尖的位置變動(dòng)。但對于車刀來說，只要刀墊的最大厚度能保證刀尖位于工件的中心平面上，則其他位置變動(dòng)， 都是可以通過刀桿的調(diào)整而得到修正。2.2.2 可轉(zhuǎn)位車刀的夾緊形式可轉(zhuǎn)位車刀按刀片夾緊形式可分為杠桿式、插銷式、楔塊式、上壓式、偏心式、拉墊式、壓孔式等。下面是刀片夾固的幾種典型結(jié)構(gòu)：(1)上壓式上壓式夾緊結(jié)構(gòu)利用橋形壓板或鷹抓形壓板通過螺釘從上面將刀片夾緊。特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，夾緊可靠，定位精度高，但壓緊元件易被切屑劃傷，主要用于夾固不帶孔，帶后角的內(nèi)孔車刀。(2)偏心式偏心式夾緊結(jié)構(gòu)利用螺釘上端的一個(gè)偏心心軸將刀片夾緊在刀桿上，該結(jié)構(gòu)依靠偏心夾緊，螺釘自鎖，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，但不能雙邊定位。當(dāng)偏心量過小時(shí)，要求刀片制造的精度高，若偏心量過大時(shí)，在切削力沖擊作用下刀片易松動(dòng)，因此偏心第 5 頁 共 33 頁式夾緊結(jié)構(gòu)適于連續(xù)平穩(wěn)切削的場合。(3)杠桿式杠桿式夾緊結(jié)構(gòu)應(yīng)用杠桿原理對刀片進(jìn)行夾緊。當(dāng)旋動(dòng)螺釘時(shí)，通過杠桿產(chǎn)生夾緊力，從而將刀片定位在刀槽側(cè)面上，旋出螺釘時(shí)，刀片松開，半圓筒形彈簧片可保持刀墊位置不動(dòng)。該結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是定位精度高、夾固牢靠、受力合理、適用方便，但工藝性較差。(4)楔塊式刀片內(nèi)孔定位在刀片槽的銷軸上，帶有斜面的壓塊由壓緊螺釘下壓時(shí)，楔塊一面靠緊刀桿上的凸臺(tái)，另一面將刀片推往刀片中間孔的圓柱銷上壓緊刀片。該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是操作簡單方便，但定位精度較低，且夾緊力與切削力相反。2.3 可轉(zhuǎn)位外圓車削刀具材料2.3.1 刀具材料的重要性切削工具是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程優(yōu)質(zhì)、高效、低耗必不可少的條件和保證，而先進(jìn)的切削刀具很大程度上有取決于刀具的材料技術(shù)。刀具材料的進(jìn)步是切削加工技術(shù)進(jìn)步的決定性因素之一。因此，刀具材料的開發(fā)、推廣和正確選用是推動(dòng)制造技術(shù)發(fā)展進(jìn)步的重要?jiǎng)恿?，也是提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低加工成本和提高生產(chǎn)率的重要手段。如高速切削的目的是以較高的切削速度，高效、低成本地加工工件，并獲得較高的加工質(zhì)量。為了提高切削速度，必須提高刀具的硬度，為了提高進(jìn)給量，必須增強(qiáng)刀具的韌性，而為了實(shí)現(xiàn)高速大進(jìn)給量切削，則必須同時(shí)提高上述兩項(xiàng)指標(biāo)。切削過程中，隨著切削速度和切削溫度的升高，刀尖會(huì)產(chǎn)生急劇磨損和燒蝕現(xiàn)象，這會(huì)嚴(yán)重降低刀具的使用壽命。另外工件材料和刀具材料的匹配問題，更會(huì)發(fā)生一些意想不到的影響刀具壽命的現(xiàn)象，如PCD刀具在高溫下與鐵元素發(fā)生嚴(yán)重的化學(xué)反應(yīng)，故不宜用于加工黑色金屬，因此，對于高速切削加工，刀具材料與刀具技術(shù)具有舉足輕重的作用。近四十年來，刀具材料取得了巨大的發(fā)展。開發(fā)了一系列具有高強(qiáng)度、高韌性、高硬度及良好紅硬性的，能適用于現(xiàn)代切削要求的刀具材料，尤其是超硬材料的出現(xiàn)使得難加工材料的機(jī)加工成為現(xiàn)實(shí)。2.3.2 現(xiàn)代刀具材料的分類及性能（1）高速鋼刀具高速鋼材料發(fā)明于 19 世紀(jì)末，一般用熔煉法制成。在 20 世紀(jì)后期，逐步出現(xiàn)了許多高性能的高速鋼，高性能高速鋼是在普通高速鋼的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整化學(xué)成分并添加其它合金元素，使其常溫和高溫性能得到顯著提高。高速鋼刀具韌性和刃磨性較好，但硬度較低。其常溫硬度為 65—70HRC，高溫硬度為 50-55 HRC 在 6004C 時(shí))。熔煉高速鋼容易出現(xiàn)的問題是碳化物偏析。硬而脆的碳化物在高速鋼中分布不均勻，且晶粒粗大，對高速鋼刀具的耐磨性、韌性及切削性能產(chǎn)生不利的影響。而粉末冶金高第 6 頁 共 33 頁速鋼是將高頻感應(yīng)爐熔煉出的鋼液，用高壓氣體(氬氣或氮?dú)?噴射使之霧化，再急冷而得到細(xì)小均勻的結(jié)晶組織(粉末)。再將粉末在高溫(約 1100℃)、高壓(約 lOOMpa)下壓制成刀坯，或先制成鋼坯再經(jīng)過鍛造、軋制成刀具形狀，因此粉末冶金高速鋼沒有碳化物的偏析缺陷，碳化物晶粒尺寸在 2 la m 以下，其抗彎強(qiáng)度與韌性得以提高，一般比熔煉高速鋼高出 20％一 50％，適用于制造承受沖擊載荷的刀具。但高速鋼只能承受 600℃以下的溫度。受耐熱性的限制，其切削速度不能過高，其切削效率處于較低的水平，高速鋼的硬度低，很難切削淬硬鋼和冷硬鑄鐵。（2）硬質(zhì)合金刀具硬質(zhì)合金是于1923年開始投入使用的，其硬度比陶瓷、立方氮化硼及金剛石低，但比高速鋼高，而韌性比高速鋼低，但比陶瓷、立方氮化硼及金剛石好。硬質(zhì)合金刀具主要優(yōu)點(diǎn)之一是在高的切削溫度下，其紅硬性比高速鋼刀具高，這種性能使得硬質(zhì)合金刀具能以高于高速鋼刀具的切削速度進(jìn)行切削，從而提高生產(chǎn)效率及工件表面質(zhì)量。在金屬切削中，硬質(zhì)合金刀具約占金屬切削刀具的45％一50％，其中硬質(zhì)合金銑削刀具約占硬質(zhì)合金刀具的5％-20％。特別是硬質(zhì)合金材料與涂層材料結(jié)合，可制作出切削超硬材料的刀具，如EMUGE、Gunther公司開發(fā)的采用整體硬質(zhì)合金絲錐、立銑刀、球頭銑刀、鉆頭等，刀具經(jīng)TiAlN涂層后，可加工硬度高達(dá)70HRC的工件材料。硬質(zhì)合金的主要化學(xué)成分是碳化鎢、碳化鈦、碳氮化鈦及鈷等。用于刀具的主要是碳化鎢、碳化鈦基的硬質(zhì)合金。硬質(zhì)合金是高硬度、難熔的金屬化合物粉末(WC、TiC等)，用鈷、鎳等作粘結(jié)劑，壓制燒結(jié)而成的粉末冶金制品，其中高溫硬度比高速鋼高，故能承受很高的切削溫度，允許采用很高的切削速度。硬質(zhì)合金的硬度達(dá)89-93．5 HRA，抗彎強(qiáng)度達(dá)0．9-1．6Gpa以上。但隨著各種難加工材料不斷的涌現(xiàn)，普通硬質(zhì)合金刀具已不能滿足要求，于是研制出多種新型硬質(zhì)合金。主要有以下幾類：1)添加鉭、鈮的硬質(zhì)合金；2)細(xì)晶粒和超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金；3)Ti(C，N)基和TiC基硬質(zhì)合金；4)表面涂層硬質(zhì)合金；5)添加稀土元素硬質(zhì)合金。（3）陶瓷刀具20世紀(jì)前期，人們開始研制作為刀具材料的陶瓷，其硬度尚可，但太脆，難以真正付諸應(yīng)用。經(jīng)過長期的努力，陶瓷材料的制造技術(shù)不斷改進(jìn)，機(jī)械性能大幅度提高。到20世紀(jì)80年代，硬度達(dá)91—95 HRA，抗彎強(qiáng)度達(dá)0.70—0.95Gpa。雖然陶瓷刀具的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性仍不如硬質(zhì)合金，但己滿足某些切削加工的要求，其應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大。目前陶瓷刀片的制造主要有熱壓法，即將粉末狀原料在高溫高壓下，壓制成餅狀，然后切割成刀片；另一種方法是冷壓法，即將原材料粉末在常溫下壓制成坯，經(jīng)第 7 頁 共 33 頁燒結(jié)成為刀片。熱壓法制品質(zhì)量好，因此目前陶瓷刀片的主要制造方法是熱壓法。按化學(xué)成分，陶瓷刀具材料可以分為氧化鋁系、氮化硅系、復(fù)合氮化硅——氧化鋁系三大類。其中氧化鋁系和氮化硅系是在氧化鋁或氮化硅基體中分別加入氧化物、氮化物、硼化物、碳化物等燒結(jié)而成的。而Si3N。一A1：0。一Y：O。復(fù)合陶瓷叫賽阿龍(Sialon)。為增強(qiáng)韌性研制成功了Al：魄或Si批基晶須增韌陶瓷“屯捌。陶瓷的常溫硬度和高溫硬度均高于硬質(zhì)合金，其高溫彈性模量也高于硬質(zhì)合金，且在高溫下其化學(xué)穩(wěn)定性和抗擴(kuò)散磨損的能力高于WC、TiC。這些性能使得陶瓷刀具可在200～1000m／min的切削速度范圍內(nèi)加工軟鋼、淬硬鋼、鑄鐵、合金，以及復(fù)合材料。陶瓷刀具材料主要應(yīng)用于車削、鏜削和端銑等精加工和半精加工工序。最適宜加工淬硬鋼、高強(qiáng)度鋼與高硬度鑄鐵，切削效果比硬質(zhì)合金顯著提高。（4）超硬刀具材料超硬材料在20世紀(jì)后40年中有了較大的發(fā)展。超硬材料的化學(xué)成分及其形成規(guī)律與其它刀具材料不同，立方氮化硼是非金屬硼合物，晶體結(jié)構(gòu)為面心立方體；而金剛石由碳元素轉(zhuǎn)化而成，其晶體結(jié)構(gòu)與立方氮化硼相似。它們的硬度大大高于其它物質(zhì)。1)立方氮化硼(CBN)刀具立方氮化硼CBN單晶粉，用于制作磨具；還有PCBN聚晶片及PCBN聚晶復(fù)合片，用于制作刀具及其他工具。立方氮化硼(CBN)刀具具有極高的硬度(達(dá)7500HV)及紅硬性，對鐵族元素呈惰性，是高速精加工或半精加工淬硬鋼、冷硬鑄鐵、高溫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、抗壓強(qiáng)度高及耐沖擊性好，適用于耐熱合金、鑄鐵和鐵系燒結(jié)金屬的加工。復(fù)合PCBN刀具中CBN顆粒含量較低，采用陶瓷粘結(jié)劑，其硬度較低，但彌補(bǔ)了前一種材料熱穩(wěn)定性差化學(xué)惰性低的缺點(diǎn)，適用于淬硬鋼的切削加工H5l。CBN刀具加工高硬度材料時(shí)可獲得較低的表面粗糙度，因此采用該種刀具加工淬硬鋼可實(shí)現(xiàn)“以切代磨”。2)聚晶金剛石(PCD)刀具金剛石分為天然金剛石(ND)與人造金剛石。人造金剛石PCD單晶粉，用于制造磨具；PCD單晶粒(達(dá)8000HV)可做刀具；PCD聚晶片及聚晶復(fù)合片，用于制作刀具及其他工具；CVD金剛石薄膜(達(dá)9000HV)，可用于制作刀具、工具。聚晶金剛石(PCD)是由經(jīng)過篩選的人造金剛石微晶體在高溫高壓下燒結(jié)而成，具有較高的硬度、耐磨性、導(dǎo)熱性和極低的摩擦系數(shù)，熱穩(wěn)定性在700---800℃，但成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于天然金剛石。利用PCD刀具可對有色金屬和耐磨非金屬材料進(jìn)行高速、高精度、高穩(wěn)定性的切削加工。金剛石在氧氣中約660℃開始石墨化，鐵族元素特別是鐵元素能催進(jìn)石墨化，所以PCD刀具不適用于加工鋼鐵等黑色金屬材料。2.4 可轉(zhuǎn)位外圓車削刀具的受力問題第 8 頁 共 33 頁2.4.1 刀具的夾緊可靠度可轉(zhuǎn)位刀片由夾緊元件緊固在刀槽內(nèi)，其目的是將刀片壓向各定位面—側(cè)面和底面，要保證準(zhǔn)確的刀尖位置精度，并不是完全依靠夾緊元件來承受切削力。正確而良好的設(shè)計(jì)應(yīng)保證切削過程中總切削反力始終將刀片壓在定位面上。在現(xiàn)代自動(dòng)化加工系統(tǒng)中，機(jī)夾可轉(zhuǎn)位式硬質(zhì)合金車刀以優(yōu)點(diǎn)眾多而應(yīng)用廣泛。對于這種刀具的整體結(jié)構(gòu)可靠度而言，起主要作用的是刀片的工作可靠度，其次是刀具的夾緊可靠度，人們研究較多是前者，而后者則少有談及。刀具的夾緊可靠度分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)夾緊可靠度兩種情況，下面就從這兩方面分別加以闡述。大多數(shù)機(jī)夾可轉(zhuǎn)位刀具結(jié)構(gòu)中都有一個(gè)類似銷子的物體，它靠近刀片或壓向刀片而使刀片壓向刀槽，從而實(shí)現(xiàn)刀具的夾緊和定位，在切削加工前需對刀具進(jìn)行靜態(tài)夾緊，在實(shí)際夾緊時(shí)，由于不同的操作人員施加的夾緊力不同或其它結(jié)構(gòu)方面的原因，則刀具靜態(tài)夾緊可靠度符合標(biāo)準(zhǔn)J下態(tài)分布函數(shù)。在實(shí)際切削過程中，刀具的磨損寬度冶隨切削時(shí)間延長而增加，如果不考慮急劇磨損期，則刀具后刀面的磨損寬度％與切削時(shí)間芒有如下關(guān)系：VB=at**b式中a、b是刀具材料常數(shù)。在其它條件不變的情況下，切削力厥、用、尼隨刀具后刀面磨損量增加而增加，故切削力也必為時(shí)間f的函數(shù)。因此刀具的動(dòng)態(tài)夾緊可靠度隨著切削時(shí)間的延長而下降，當(dāng)達(dá)到一定切削時(shí)間時(shí)，其夾緊可靠度基本不變。2.4.2 可轉(zhuǎn)位車刀的幾何角度可轉(zhuǎn)位車刀刀片槽的空間位置主要由主偏角Kr、刃傾角λs和前角γo確定。。一、主偏角Kr主偏角對可轉(zhuǎn)位車刀的壽命影響較大。一般來說，減小主偏角可提高刀具工作壽命。但當(dāng)工藝系統(tǒng)或被加工工件剛性不足時(shí)，減小主偏角會(huì)增大徑向力，從而加大變形撓度，引起加工振動(dòng)，降低加工精度和加工表面質(zhì)量，同時(shí)影響刀具壽命，因此，應(yīng)針對不同的加工條件選擇不同的主偏角。二、刃傾角λs刃傾角對可轉(zhuǎn)位車刀的切削性能也有較大影響。切削時(shí)，刃傾角的大小影響切屑流出方向。精車時(shí)，為避免切屑流向并擦傷已加工表面，刃傾角常取正值。此外，刃傾角的大小還會(huì)影響切削刃鋒利程度。三、前角γo前角的大小直接影響刀刃的強(qiáng)度和鋒利程度。增大前角可減小切屑變形，使切削更為輕快，并提高刀具壽命。但前角太大會(huì)削弱切削刃強(qiáng)度，易于崩刃，反而會(huì)縮短刀具壽命。影響可轉(zhuǎn)位車刀前角選擇的因素較多，在可轉(zhuǎn)位車刀設(shè)計(jì)中，刀片自身的前角也是一個(gè)重要參數(shù)。四、后角αo第 9 頁 共 33 頁后角主要用于減小切削過程中后刀面與過渡表面之間的摩擦。設(shè)計(jì)可轉(zhuǎn)位車刀時(shí)，需要對后角與前角進(jìn)行綜合考慮，選定刀片后角后，再根據(jù)刀槽前角確定刀槽后角。精加工機(jī)夾車刀設(shè)計(jì)的原則是增強(qiáng)刀具鋒利度和獲得較理想的表面質(zhì)量，半精力n-T-機(jī)夾車刀設(shè)計(jì)的原則是增強(qiáng)刀具強(qiáng)度。由于可轉(zhuǎn)位車刀的角度是由刀片的角度和刀桿上刀槽底面的角度綜合而成，因此其值為相關(guān)部分幾何角度的代數(shù)和。（1）前角可轉(zhuǎn)位刀具的前角等于刀片與刀桿在正交平面中前角的代數(shù)和：γo刀具=γo刀片+γo刀桿（2）后角可轉(zhuǎn)位刀具的后角等于刀片在正交平面中的后角與刀桿在正交平面中的后角之差：αo刀具=αo刀片一αo刀桿（3）刃傾角可轉(zhuǎn)位刀具的刃傾角等于刀片刃傾角與刀桿刃傾角的代數(shù)和：λs刀具=λs刀片+λs刀桿（4）主偏角可轉(zhuǎn)位刀具的主偏角是由刀桿自身的主偏角決定的：Kr刀具=Kr刀桿刀片及刀體自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)對整個(gè)車刀的切削性能有著至關(guān)重要的影響。在實(shí)際生產(chǎn)中，刀體的結(jié)構(gòu)參數(shù)基本上是不變的，只有通過改變刀片的幾何參數(shù)來改善機(jī)夾可轉(zhuǎn)位車刀的切削性能，從而使刀具在生產(chǎn)加工中達(dá)到最佳的切削狀態(tài)。第 10 頁 共 33 頁第三章 ANSYS軟件介紹ANSYS是由美國ANSYS公司開發(fā)的大型通用有限元分析軟件。由于ANSYS軟件具有建模簡單、快速、方便的特點(diǎn)，因而成為大型通用有限元程序的代表。ANSYS軟件是集結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件，可廣泛地應(yīng)用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學(xué)、輕工、地礦、水利、日用家電等一般工業(yè)及科學(xué)研究。ANSYS軟件的主要功能包括建立模型、結(jié)構(gòu)分析、非線性分析、電磁分析、計(jì)算流體力學(xué)分析、接觸分析、壓電分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等。下面介紹ANSYS的有關(guān)理論。3.1 ANSYS主要技術(shù)特點(diǎn)(1)ANSYS能夠?qū)崿F(xiàn)多物理場(溫度場、流場、電磁場)之間的耦合分析。對于很多工程問題，這些物理場是相互影響、相互作用的，例如溫差會(huì)引起熱應(yīng)力、電磁感應(yīng)會(huì)產(chǎn)生熱等。ANSYS提供直接和間接兩種耦合方式，直接耦合使用帶有多場自由度的耦合單元：間接耦合是指各物理場擁有自己的“物理環(huán)境"，一個(gè)“物理環(huán)境中的分析結(jié)果可以作為其它“物理環(huán)境"的載荷或約束，耦合可以是雙向的。(2)ANSYS可實(shí)現(xiàn)后處理、分析求解及多物理場統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫的分析。ANSYS將模型信息(單元、節(jié)點(diǎn)、材料等)、邊界信息(載荷、約束等)以及后處理信息(求解結(jié)果等)集成在一個(gè)數(shù)據(jù)庫中，在使用ANSYS進(jìn)行耦合場分析時(shí)，各物理環(huán)境也共用一個(gè)數(shù)據(jù)庫，這樣極大地方便了用戶的使用。(3)強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)非線性分析功能。ANSYS在結(jié)構(gòu)分析中的非線性功能包括幾何非線性、材料非線性、狀態(tài)非線性及單元非線性。其中幾何非線性包括大變形、大應(yīng)變、應(yīng)力剛化與旋轉(zhuǎn)軟化等。ANSYS提供了100余種包括橡膠、泡沫、巖石、土壤等特殊材料的非線性材料模式，提供20余種接觸類型，包括剛體對柔體、柔體對柔體接觸、自接觸、固聯(lián)失效接觸等。ANSYS提供了100多種單元類型，包括死活單元、集中質(zhì)量單元、斷裂單元、鋼筋混凝土單元、非線性阻尼彈簧單元等，可專門模擬各種特殊問題。(4)開放的ANSYS。ANSYS提供了四種方式的二次開發(fā)工具：1)APDL是嵌入在ANSYS內(nèi)部的參數(shù)化設(shè)計(jì)語言，不僅能直接調(diào)用ANSYS命令和數(shù)學(xué)函數(shù)，還擁有循環(huán)、判斷等高級語言功能；第 11 頁 共 33 頁2)APDL是ANSYS界面開發(fā)工具，利用它可以修改菜單增加對話框等；3)外部命令，使用C++語言可為ANSYS編寫外部命令，例如與CAD軟件接口等；4)UPF則將用戶開發(fā)的FORTRAN或C程序與ANSYS連結(jié)到一起。3.2 ANSYS的建模功能有限元分析軟件ANSYS具有強(qiáng)大的建模功能。建模時(shí)，需要先建立結(jié)構(gòu)的幾何模型，給出材料參數(shù)和單元類型，最后劃分網(wǎng)格，形成結(jié)構(gòu)的有限元模型。ANSYS提供了三種創(chuàng)建模型的方法：實(shí)體建模方法、直接建模方法和輸入在其它計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)中創(chuàng)建的模型。直接建模的方法就是在ANSYS的前處理程序中直接定義每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置以及單元的大小、形狀和連通性來創(chuàng)建有限元模型。節(jié)點(diǎn)用來定義單元在空間的位置，單元定義了模型的連接性。直接建模方法適用于線模型和較簡單的有規(guī)則幾何結(jié)構(gòu)?？梢宰约嚎刂泼總€(gè)單元和節(jié)點(diǎn)的編號。但是直接建模的方法往往需要處理大量的數(shù)據(jù)，也不能進(jìn)行自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，改進(jìn)網(wǎng)格劃分十分困難。對大而復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用實(shí)體建模方法。ANSYS提供了兩種方法進(jìn)行實(shí)體建模，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創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)，然后依次創(chuàng)建相關(guān)的線、面和體等圖元。自上而下的建模方法是可以直接創(chuàng)建最高級的圖元，如球、棱柱等三維實(shí)體，通常稱之為幾何體素。當(dāng)定義了一個(gè)體素時(shí)，程序會(huì)自動(dòng)定義相關(guān)的面、線和關(guān)鍵點(diǎn)?？梢岳眠@些高級圖元直接構(gòu)造幾何造型。在ANSYS建模過程中，自上而下的建模方式和自底向上的建模方式可以自由組合使用，使模型的創(chuàng)建更加方便。實(shí)體建模的優(yōu)點(diǎn)是：對于龐大或復(fù)雜的模型，特別是對三維實(shí)體模型更合適，相對而言需處理的數(shù)據(jù)少一些，容許對節(jié)點(diǎn)和單元不能進(jìn)行的幾何操作(如拖拉和旋轉(zhuǎn))，支持使用面和體的體素及布爾運(yùn)算以順利建立模型，便于施加載荷之后能進(jìn)行所要求的局部網(wǎng)格細(xì)化，便于幾何上的改進(jìn)，便于改變單元類型，不受分析模型的限制。無論是使用自底向上還是自上而下的方法構(gòu)造實(shí)體模型，均由關(guān)鍵點(diǎn)、線、面和體組成。這些圖元的層次關(guān)系是：體以面為邊界，面以線為邊界，線以關(guān)鍵點(diǎn)為端點(diǎn)。無論使用自上而下還是自底向上方法建模，均能使用布爾運(yùn)算來組合數(shù)據(jù)集，形成一個(gè)實(shí)體模型。ANSYS程序提供了完整的布爾運(yùn)算，諸如相加、相減、相交、分割、粘結(jié)和重疊。在創(chuàng)建復(fù)雜實(shí)體模型時(shí)，對線、面、體的布爾運(yùn)算操作能減少相當(dāng)可觀的建模工作量。ANSYS程序還提供了拖拉、延伸、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、拷貝、蒙皮等的功能，可以大大減少建模時(shí)間。輔助工具如選擇和組元、拾取與利用工作平面，為建模提供了極大的方便?？梢栽谄渌麮AD系統(tǒng)中建立模型并把它輸入至ANSYS中進(jìn)行分析。它有如下優(yōu)點(diǎn)：一是可利用己有CAD模型，避免重復(fù)工作；二是可利用熟悉的工具去建模。但是，從CAD系統(tǒng)中輸入的模型，如果不適于網(wǎng)格劃分則需要大量的修補(bǔ)工作。2.3 ANSYS的分析過程在有限元分析過程中，程序大致可分為以下三個(gè)部分：第 12 頁 共 33 頁(1)前處理模塊(PREP7)主要實(shí)現(xiàn)三種功能：參數(shù)定義、實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分。1)參數(shù)定義ANSYS程序在進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模的過程中，首先要對所有被建模型的材料進(jìn)行參數(shù)定義。包括定義使用單位制，定義所使用單元類型，定義單元實(shí)常數(shù)，定義材料的特性以及使用材料庫文件等。2)實(shí)體建模在實(shí)體建模中，ANSYS程序提供了兩種方法，即自底向上建模方法和自上向下建模方法。3)網(wǎng)格劃分從使用選擇的角度來講，ANSYS網(wǎng)格劃分可分為系統(tǒng)智能劃分和人工選擇劃分兩種。從網(wǎng)格劃分的功能來講，包括延伸劃分、映像劃分、自由劃分和自適應(yīng)劃分等幾種。(2)求解模塊(SOLUTION)求解模塊是程序用來完成對己生成的有限元模型進(jìn)行力學(xué)分析和有限元求解功能的。在此階段，用戶可以定義分析類型、分析選項(xiàng)、載荷數(shù)據(jù)和載荷步選項(xiàng)等。1)定義分析類型和分析選項(xiàng)用戶可以根據(jù)所施加載荷條件和所要計(jì)算的響應(yīng)來選擇分析類型。2)載荷一般所謂的載荷應(yīng)該包括邊界條件(約束、支承或邊界場參數(shù))和其他外部或內(nèi)部載荷。在 ANSYS 程序中，載荷分為六類：·DOF 約束·力·表面分布載荷·體積載荷·慣性載荷·耦合場載荷3)指定載荷步用于更改載荷步選項(xiàng)，如子步數(shù)、載荷步的結(jié)束時(shí)間和輸出控制。ANSYS 提供的分析類型有以下幾種：·結(jié)構(gòu)靜力分析．·結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析·結(jié)構(gòu)非線性分析·熱力學(xué)分析·電磁場分析·聲場分析·壓電分析·流體分析(3)后處理模塊(POST 1 和 POST26)第 13 頁 共 33 頁ANSYS 程序的后處理模塊包含兩個(gè)部分：1)通用后處理模塊(POSTI)用于查看整個(gè)模塊或選定的部分模塊在某一子步(時(shí)間步)的結(jié)果。2)時(shí)問歷程后處理模塊(POST26) 用于查看模型的特定點(diǎn)在所有時(shí)間步內(nèi)的結(jié)果。ANSYS 整個(gè)窗口系統(tǒng)的組成及作用如下：1.應(yīng)用命令菜單（UTILITY MENU）：包括各種應(yīng)用命令，如文件的控制（FILE） 、選擇對象（SELECT） 、對象資料列示（LIST） 、對象圖形顯示（PLOT） 、圖形顯示控制（PLOTCTRLS） 、工作界面設(shè)定（WORKPLANE） 、參數(shù)化設(shè)計(jì)（PARAMETERS） 、宏命令（MACRO） 、窗口控制（MENUCTRLS）及輔助說明（HELP）等。主菜單（MAIN MENU） ；包括分析過程主要命令，如建立模塊、外力負(fù)載、邊界條件、分析類型的選擇、求解過程等。2.工具欄（TOOLBAR） ；執(zhí)行命令的快擇方式3.輸入窗口（INPUT WINDOW）：該窗口是輸入命令的地方，同時(shí)可監(jiān)視輸入命令的歷程，也可以監(jiān)視目前所在處理器的位置。4.圖形窗口（GRAPHIC）：顯示使用者所建立的模塊及查看分析后的結(jié)果。5.輸出窗口（OUTPUT WINDOW）：該窗口會(huì)敘述使用者所下達(dá)的每個(gè)命令執(zhí)行后的結(jié)果。第 14 頁 共 33 頁第四章 可轉(zhuǎn)位刀具受力的有 ANSYS 分析4.1硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片選擇硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片的形狀種類較多，其中正三角形和正方形刀片應(yīng)用得最廣泛。正方形(S)刀片，刀尖角為90°，通用性較好。主要用來制造主偏角為45°、60°、75°的各種外圓車刀、端面車刀、鏜孔刀和倒角車刀。因散熱情況好，加工表面粗糙度底，刀尖強(qiáng)度大，耐用度高，使用普遍。選用型號SNMMl50608的可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金刀片，它的基本參數(shù)列于表4—1中，其刀片形狀為正方形、0。法向后角、單面有V形斷屑槽，刀片簡圖如4—1所示。L D+M(u) S±0.13d 1±0.08R?±0.10m±M(u)15.875 15.875M±0.10U±0.186.35 6.35 0.8 2.959M±0.15U±0.27表4-1分析中的刀片材料硬質(zhì)合金YTl4，型號是SNMMl50608。其材料性能：彈性模量E=520Gpa，泊松比v=O．22，密度P=12000kg／m3。第 15 頁 共 33 頁4.2刀桿選擇車刀刀桿一般采用中碳鋼(45鋼、55鋼)制造，其截面形式有圓形截面、正方形截面和矩形截面，車刀刀桿截面尺寸的選取應(yīng)考慮機(jī)床中心高、刀夾形式以及切削面積等幾方面因素。一般的車削加工采用矩形截面，切削力較大時(shí)也可采用方形，內(nèi)孔車刀多采用圓形截面。分析中使用的刀桿材料是瑞典SS2230鋼。刀桿的材料性能，彈性模量E=210Gpa，泊松比v=O.3，屈服強(qiáng)度y=1350Mpa，密度P=7850kg／m3。本算例中選用45鋼，其截面形狀為矩形截面，寬H、高B的尺寸分別為25X m、20X m。刀桿的長度為125× m。310?3? 310?假定與限制：做一些假定與限制能夠盡可能的簡化有限元模型和縮短解題時(shí)間。(1)刀片和刀具的幾何外形上所有的細(xì)小棱條和槽以及微小距離都被忽略(2)裝夾部分被認(rèn)為是刀具和刀片產(chǎn)生的作削力：(3)假定在靜態(tài)條件下，沒有振動(dòng)：(4)在刀片和刀槽之間沿著接觸線的二維接觸寬度假定為1mm。4.3 建立模型在ANSYS里直接建模，其方法就是在ANSYN的前處理程序中直接定義每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置以及單兒的大小、形狀和連通性來創(chuàng)建有限元模型。節(jié)點(diǎn)用來定義單元在空間的位置，單元定義了模型的連接性。4.4 載荷條件在刀片和刀桿之間有三種負(fù)載，兩種機(jī)械載荷、一種熱載荷。第一種載荷是刀片與第 16 頁 共 33 頁刀桿產(chǎn)生的夾緊力，第一種載荷是切削力，它取決于切削參數(shù)，第三種載荷是熱量載荷．它是切削過程中在切削邊緣溫度劇烈升高而產(chǎn)生的。4.4.1切削力金屬切削時(shí)，刀具切入工件，使被加工材料發(fā)生變形成為切屑所需要的力稱為切削力，來源于三個(gè)方面：(1)克服被加工材料對彈性變形的抗力：(2)克服被加工材料對塑性變形的抗力；(3)克服切屑對刀具前刀面的摩擦力和刀具后刀面對過渡表面和已加工表而之間的摩擦力。上述各力的總和形成作用在刀具上的合力F(國際標(biāo)準(zhǔn)為F)，為了實(shí)際應(yīng)用F，可分為相互垂直的三個(gè)力Fx (國際標(biāo)準(zhǔn)為Ff)、Fy (國際標(biāo)準(zhǔn)為Fp)、Fz(國際標(biāo)準(zhǔn)為Fc)。在三維切削模型中，F(xiàn)z(Fc)為切削力或切向力，它切于過渡表面并與基面垂直。Fz(Fc)是計(jì)算刀具強(qiáng)度、設(shè)計(jì)機(jī)床零件，確定機(jī)床功率所必須的，一般稱為主切削力；Fx(Ff)為進(jìn)給力，F(xiàn)y(Fp)為切深抗力或吃刀力。對于二維切削來說，主切削力Fz(Fc)就是和刀具運(yùn)動(dòng)方向相同的力。計(jì)算切削力的公式Kc=Kc1×h-mc(1一γ／100) 4—1式中Kc一單位切削厚度上的切削力(Pa)Kc1一名義上的確定切削力(Pa)h一切削厚度(m)Mc—切屑厚度對切削力的影響系數(shù)γ一切屑傾斜角度(°)(1)刀片材料YTl4時(shí)，取Kc1=1700Mpa，Mc=0.25，γ=O°，kr=75°，切削用量fn=0．40mm／r，ap=3mm。有公式4-1計(jì)算得kc=2165N，切削力、進(jìn)給力和切深抗力為：Fc=fn×ap×kc=0.40×3×2165=2598NFf=0.5×Fc=0.5×2598=1299NFp=0.5×Ff-0.5×1299=649.5N第 17 頁 共 33 頁圖4—2 車削加工中的切深抗力Fp、進(jìn)給力Ff和切削力Fc4.5 可轉(zhuǎn)位刀具受力的有限元分析4.5.1 可轉(zhuǎn)位刀具三維模型的建立車削模擬中采用的刀具為可轉(zhuǎn)位車具，刀片的形狀：正方形、邊長為 15.875、厚度為 6.35、中心孔直徑為 6.35、法向后角為 0°、單面有直線圓弧形斷屑槽。刀桿的形狀為矩形截面，寬 B 為 20、高 H 為 25、刀桿長度 L 為 125。如圖所示，整個(gè)模型采用基于特征的零件實(shí)體建模技術(shù)，利用 ANSYS 建立。第 18 頁 共 33 頁圖 4—3 可轉(zhuǎn)位刀具的有限元模型4.5.2 可轉(zhuǎn)位刀具的有限元模型根據(jù)可轉(zhuǎn)位刀片實(shí)際用材情況，我們選用牌號為 YT14 的硬質(zhì)合金材料，其主要力學(xué)特性參數(shù)為彈性模量 EX=5.25xlOPa，泊松比 P=0.25,刀桿材料是 45 號鋼彈性模量E=210Gpa，泊松比 v=O.3。利用 ANSYS 進(jìn)行分析之前，考慮到可轉(zhuǎn)位刀片的具體形狀及受力特點(diǎn)，在不影響計(jì)算精度的情況下，采用了四面體實(shí)體單元對其進(jìn)行有限元網(wǎng)格的自由劃分，由于在整個(gè)切削過程中，應(yīng)力應(yīng)變的變化主要集中在刀尖周圍區(qū)域，因而對該部位進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)分。根據(jù)以上方法，可轉(zhuǎn)位刀片共被劃分為35146個(gè)節(jié)點(diǎn)，24940個(gè)元素，其網(wǎng)格如圖4所示。為了得到較為精確的計(jì)算結(jié)果，需要根據(jù)可轉(zhuǎn)位刀片的實(shí)際狀況對其約束和加載。分析可轉(zhuǎn)位刀具的結(jié)構(gòu)可知(如圖4-3)，刀片通過機(jī)械的方式，被夾固在刀體上，刀片置于刀柄槽中，刀底面約束刀片 軸負(fù)方向的位移，刀片前刀面的壓板約束刀片z軸正方向的位移，刀柄槽的兩側(cè)面約束刀片 和Y方向位移，刀槽底面、兩側(cè)、中心孔及壓板還約束刀片x．y和z軸的旋轉(zhuǎn)，所以，刀片相對于刀墊是固定不動(dòng)的，據(jù)此對其約束。由于切削力的影響因素較多，計(jì)算較復(fù)雜，加之目前所用切削力理論計(jì)算公式是在忽略了溫度、正應(yīng)力、第Ⅲ 變形區(qū)的變形與摩擦力等條件下推導(dǎo)出來的，與實(shí)際切削狀態(tài)差別較大，故只能用于切削力的定性分析，不宜用于實(shí)際計(jì)算。因此，根據(jù)本實(shí)例的原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用文獻(xiàn)[4]中的實(shí)驗(yàn)公式，計(jì)算出三個(gè)切削分力的經(jīng)驗(yàn)值分別為=1299N, Fy=649.5N,Fz=2598NxF第 19 頁 共 33 頁根據(jù)上述分析，按切削條件最惡劣的極限情況(即 、Fy、 Fz集中作用于刀尖一xF點(diǎn))進(jìn)行模擬加載，在刀具末端施加全部約束(這樣并不影響分析結(jié)果)圖4—4 可轉(zhuǎn)位刀具有限元網(wǎng)格模型可轉(zhuǎn)位刀片在工作過程中主要受到的載荷有：（1）克服被加工材料對彈性變形和塑性變形的抗力；（2）克服切削過程所引起的摩擦力。根據(jù)實(shí)際作用效果，切削力通常被分成 3 個(gè)方向的作用力，即主切削力 、進(jìn)給抗力 和切深抗力 ，如圖 1 所示。由于切削過程非常復(fù)雜，所以，目前還沒有與實(shí)際測量結(jié)果十分相符的理論公式?，F(xiàn)在有關(guān)切削力的計(jì)算一般都是采用實(shí)驗(yàn)方法獲得的經(jīng)驗(yàn)公式，該公式的具體形式如下: 。式中：;;n n nzzyyxxyxFpFpFpCafKCafKCaf???、 、 是決定于被加工材料、切削條件的系數(shù)；zFCyx分別zyXzyxFFY、 、 、 、 、為 的指數(shù)值； 、 、 為當(dāng)實(shí)際加工條件與實(shí)驗(yàn)公式條件不符時(shí)，各因paf、 zKyxF素對切削力的修正系數(shù)的積。上述各系數(shù)、指數(shù)、修正系數(shù)值都可以從相關(guān)切削用量手冊中查得。本文根據(jù)可轉(zhuǎn)位刀片加工實(shí)際狀況，查閱手冊得到了某一粗加工可轉(zhuǎn)位刀片的經(jīng)驗(yàn)公式：其中， 單位為mm ,f1.032.910.153.80.864.25457;8;19xpypzpFafafaf???pa單位為mm/r， 、 、 單位為N。xFz第 20 頁 共 33 頁4.5.3 結(jié)果分析(1)由上述應(yīng)力、應(yīng)變圖可以看出：可轉(zhuǎn)位車刀刀片受到的最大應(yīng)力、出現(xiàn)的最大應(yīng)變均出現(xiàn)在主切削刃靠近刀尖的部位，最大應(yīng)力值為：1.975x pa，與其實(shí)際工作狀況910較為相符。(2)為了進(jìn)一步說明問題，在保持進(jìn)給量、切削深度不變的情況下，分別取主切削力進(jìn)行分析計(jì)算，所得到的結(jié)果見圖。上述計(jì)算結(jié)果也表明，可轉(zhuǎn)位刀片進(jìn)行切削加工時(shí)，主切削刃靠近刀尖區(qū)域所受到的應(yīng)力最大，產(chǎn)生的應(yīng)變也最大，因此，該部位是刀片失效的關(guān)鍵部位。(3)分析可轉(zhuǎn)位刀片的工作過程及其刀尖區(qū)的失效特征，我們認(rèn)為：失效的產(chǎn)生不僅與刀具本身的質(zhì)量有關(guān)，還受機(jī)床性能，工件夾持的可靠性，刀桿系統(tǒng)的剛性，刀片選擇的合理性以及切削參數(shù)的正確性等因素的影響，既有隨機(jī)性、偶然性，也帶有普遍性。通過對該刀片的結(jié)構(gòu)、幾何參數(shù)和切削性能的分析，刀片及刀體自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)對整個(gè)車刀的切削性能有著至關(guān)重要的影響；并且在實(shí)際加工過程中，刀體的結(jié)構(gòu)參數(shù)基本上是不變的。因此，我們只有通過改變刀片的幾何參數(shù)來改變刀片的切削性能，以便刀具在生產(chǎn)加工過程中達(dá)到最佳的切削狀態(tài)。綜合各方面的因素，為了提高刀具的耐用度，特提出以下建議：一是提高刀具原始質(zhì)量。有關(guān)研究表明，刀具原始質(zhì)量是造成刀具非正常損壞的主要原因。因此，提高刀體材料質(zhì)量、規(guī)范熱處理方法、選擇恰當(dāng)?shù)牡镀铺栆约霸O(shè)計(jì)合理的刀具切削角度都會(huì)改善刀具的原始質(zhì)量，提高刀具的耐用度。二是提高刀具使用質(zhì)量?？赊D(zhuǎn)位硬質(zhì)合金刀具隨著應(yīng)用場合的不同，對使用者的經(jīng)驗(yàn)和水平要求也不同，但刀具使用質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到刀具的加工成本和使用效率。通過對大量刀片損壞事例分析，總結(jié) 提高刀具使用質(zhì)量的一些方法，具體有以下幾種：① 考慮機(jī)床功率的承受能力，防止因刀具直徑太大或齒數(shù)太密或進(jìn)給量太大，造成機(jī)床功率不足，出現(xiàn)悶車打刀現(xiàn)象，致使刀片失效。②考慮使用切削液的具體加工環(huán)境和時(shí)機(jī)，切不可認(rèn)為只要在切削過程中施加切削液就一定起好作用，有些場合使用切削液適得其反，例如可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金立銑刀，若在切削過程中加切削液必將損壞刀片。③提高工藝系統(tǒng)的剛性。夾緊刀片時(shí)，不論采用何種夾緊方式，刀片在夾緊時(shí)必須滿足：刀片裝夾定位要符合切削力的定位夾緊原理，即切削力的合力必須作用在刀片支承面周界內(nèi)；刀片周邊尺寸定位需滿足三點(diǎn)定位原理；切削力與裝夾力的合力在定位基面(刀片與刀體)上所產(chǎn)生的摩擦力必須大于切削振動(dòng)等引起的使刀片脫離定位基面的交力。第 21 頁 共 33 頁作如下假設(shè)：(1)將刀桿和刀片材料視為一體，便于模擬加載分析和計(jì)算。(2)計(jì)算中假定材料為線彈性，即不發(fā)生屈服。(3)刀具在切削過程中會(huì)受到一定的沖擊和振動(dòng)，考慮到這種沖擊和振動(dòng)的有限性，為簡化計(jì)算，視刀具在切削過程中某時(shí)刻為靜應(yīng)力分布。(4)在切削過程中，刀具因劇烈摩擦?xí)a(chǎn)生高溫，但為便于計(jì)算，暫不考慮溫度場影響。圖 4—5 刀尖應(yīng)力應(yīng)變圖第 22 頁 共 33 頁圖 4—6 應(yīng)力應(yīng)變云圖圖 4—7 應(yīng)力應(yīng)變曲線圖第 23 頁 共 33 頁結(jié)論低速切削時(shí)，刀具失效的主要來自于機(jī)械應(yīng)力，這里有刀具本身的質(zhì)量原因，還受機(jī)床性能，工件夾持的可靠性，刀桿系統(tǒng)的剛性，刀片選擇的合理性以及切削參數(shù)的正確選擇等因素的影響，既有隨機(jī)性、偶然性，也帶有普遍性。對于幾何形狀比較復(fù)雜的刀具，在考慮實(shí)際加工的條件下，采用有限元分析的方法，能夠精確地分析切削過程對刀片的應(yīng)力和變形的影響，因而可以將結(jié)果應(yīng)用于刀具的設(shè)計(jì)和加工參數(shù)的選擇。金屬切削過程十分復(fù)雜，即有機(jī)械的變化，又有物理的、化學(xué)的變化，因而應(yīng)該同時(shí)考慮應(yīng)力、應(yīng)變變化和溫度狀態(tài)。高速切削時(shí)，產(chǎn)生熱應(yīng)力較大，溫度因素不可忽略，可以在本文的基礎(chǔ)上，對處于高速狀態(tài)的刀具進(jìn)一步做傳熱溫度場分析，熱一結(jié)構(gòu)耦合有限元分析。第 24 頁 共 33 頁致謝轉(zhuǎn)眼間從冬天到了炎炎夏日，短短幾個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)即將過去。在周里群老師的精心指導(dǎo)下，我們的畢業(yè)設(shè)計(jì)告一段落。在此特別向周老師表以衷心的感謝！這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，不僅使我鞏固了以前所學(xué)的專業(yè)知識，而且還學(xué)習(xí)了幾門新的知識。在此之前，我們并不怎么了解 ANSYS 這個(gè)軟件，通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我初步掌握了 ANSYS 的一些基本操作，尤其是對三維建模有較深的了解，并且熟悉了 APDL 的一些編程知識。在設(shè)計(jì)過程中，我深刻地認(rèn)識到自己所學(xué)知識的不廣與不精，這次設(shè)計(jì)為我將來的學(xué)習(xí)也奠定了良好的基礎(chǔ)。最后，再次感謝周老師對我的幫助。同時(shí)也要感謝同組彭泓龍同學(xué)，沒有他們的幫助我不可能按時(shí)保證質(zhì)量地完成這次畢業(yè)設(shè)計(jì)。第 25 頁 共 33 頁參考文獻(xiàn)[1] 任重．ANSYS 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Qin, Y.K. Chou,D. Nolen and R.G. Thompson發(fā)表日期：2009摘要： 化學(xué)氣相沉積法（CVD） ，金剛石薄膜的發(fā)現(xiàn)，作為涂層刀具的應(yīng)用。即使傳統(tǒng)的金剛石涂層的使用似乎是公認(rèn)的切削，為不同的加工操作選擇適當(dāng)?shù)耐繉雍穸葲]有經(jīng)常研究。涂層厚度影響涂層刀具在不同的角度，可能相互影響，在復(fù)雜的方式，在機(jī)械加工工具金剛石工具的性能特點(diǎn)。 在這項(xiàng)研究中，在沉積層厚度對殘余應(yīng)力，特別是圍繞一個(gè)前沿，對涂層的破壞模式進(jìn)行了數(shù)值研究。另一方面，刀具表面光滑涂層厚度的影響以及尖端的半徑進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。此外，鋁基復(fù)合材料加工用金剛石涂層刀具涂層厚度變化進(jìn)行了評估對第 27 頁 共 33 頁切削力的影響，零件表面光潔度和刀具磨損。 結(jié)果歸納如下: （一）增加涂層厚度，涂層殘余應(yīng)力，基體界面。 （2）在另一方面，增加涂層厚度一般會(huì)增加涂層耐開裂和脫層。 （3）厚涂層將在更大的優(yōu)勢半徑的結(jié)果，但是，對切削力的影響程度還取決于加工條件。 （4）的厚度范圍內(nèi)進(jìn)行測試，對金剛石涂層刀具壽命與因分層延遲涂層厚度的增加。 關(guān)鍵詞：涂層厚度、金剛石涂層、有限元、加工、刀具磨損 1、介紹 采用化學(xué)氣相沉積金剛石涂層生產(chǎn)法（CVD）技術(shù)已被越來越多地探討了刀具的應(yīng)用。金剛石涂層刀具在不同的加工應(yīng)用的巨大潛力和優(yōu)勢，如切削鉆頭幾何形狀復(fù)雜的工具捏造。輕質(zhì)高強(qiáng)度部件的增加也導(dǎo)致慣例，在金剛石涂層工具的重大利益。熱絲化學(xué)氣相沉積金剛石涂層的是，厚度為 50 微米，對包括鈷硬質(zhì)合金（碳化鎢鈷） [1]碳化鎢各種材料沉積金剛石薄膜被普遍進(jìn)程之一。也有不同的化學(xué)氣相沉積技術(shù)，如微波等離子體輔助 CVD，發(fā)展到提高沉積過程以及電影的質(zhì)量了。然而，盡管上級摩擦學(xué)和力學(xué)性能，金剛石涂層刀具的實(shí)際應(yīng)用仍然有限。 涂層厚度是最重要的屬性之一，涂層系統(tǒng)的性能。涂層的摩擦學(xué)性能厚度的影響已被廣泛研究。一般來說，加厚涂層具有較好劃傷/耐磨性比瘦的，因?yàn)樗鼈兏休d能力的表現(xiàn)。不過，也有報(bào)道說，索賠。例如，多納等。發(fā)現(xiàn)，即類金剛石涂層（類金剛石）厚度在 0.7-3.5 微米范圍內(nèi)的，不影響耐磨性的 DLC - Ti6Al4V 合金[3]。對于刀具的應(yīng)用，然而，涂層厚度可能有其影響可能是因?yàn)橹車募舛烁鼜?fù)雜的作用增強(qiáng)。涂層厚度對金剛石涂層刀具的影響是不是經(jīng)常報(bào)道。神田等人。進(jìn)行使用金剛石涂層刀具切削試驗(yàn)。撰文聲稱，增加薄膜的厚度一般是有利的刀具壽命。然而，在較厚的薄膜將導(dǎo)致在橫向斷裂強(qiáng)度，大大影響了在高速或中斷加工性能降低。此外，更高的切削力，觀察的工具，金剛石涂層厚度的增加，由于增加了尖端半徑?？涞吕锬岬?。研究金剛石涂層對牙科應(yīng)用小造紙廠。作者不同的測試涂層厚度，并指出，導(dǎo)致高厚涂層，由于涂層表面粗糙度增加和擴(kuò)大優(yōu)勢四舍五入切削力。這種影響可能會(huì)導(dǎo)致失敗的銑削刀具陶瓷材料。提交人進(jìn)一步表示，在薄涂層聚合物基復(fù)合材料[最佳的切割效工具。此外，托雷斯等人。研究了金剛石涂層微觀兩個(gè)層次立銑刀的涂層厚度。作者還指出，薄涂層，可進(jìn)一步降低切割這是由于在摩擦力和粘附力下降。 不同的涂料涂裝材料工具厚度影響也進(jìn)行了研究。單層系統(tǒng)，最佳涂層厚度可能存在的加工性能。例如，塔夫等。報(bào)告說，一對 TiN 涂層的 PVD 技術(shù)的最佳厚度為特定的加工條件存在[8]。根據(jù)測試結(jié)果，為從 1.75 至 7.5 微米 TiN 涂層，3.5 微米展覽的最佳轉(zhuǎn)彎性能厚度。在另一項(xiàng)研究中，馬立克等。還有人建議，有一對的 TiN 涂層高速鋼刀具加工時(shí)的最佳厚度易切削鋼。但是，對于多層涂層系統(tǒng)，沒有這樣一個(gè)最佳的涂層厚度為加工性能存在。 第 28 頁 共 33 頁這項(xiàng)研究的目的是為了實(shí)驗(yàn)研究金剛石涂層厚度對涂層刀具加工性能 - 刀具磨損和切削力。金剛石涂層刀具的制備，微波等離子體輔助 CVD，不同涂層厚度。鉆石是在形態(tài)和邊緣半徑審查白光干涉涂層刀具。然后，由鉆石加工鋁評估干基復(fù)合涂層工具。此外，沉積熱殘余應(yīng)力和涂層失效，影響了金剛石涂層刀具性能的關(guān)鍵負(fù)荷的解析研究。2、實(shí)驗(yàn)研究 金剛石涂層的基體實(shí)驗(yàn)中使用的，方形刀片（SPG422） ，是細(xì)顆粒碳化鎢 6 重量。％鈷。邊緣半徑和切削刀片涂層表面紋理之前，是衡量一個(gè)白光干涉儀，由 Veeco 公司計(jì)量 NT1100。 在此之前的沉積，化學(xué)蝕刻上插入進(jìn)行治療，以消除和粗糙的表面鈷基體表面。此外，所有工具插入了超聲波振動(dòng)在金剛石/水泥漿，以增加成核密度。對于涂層工藝，沉積金剛石薄膜用高功率微波等離子體輔助化學(xué)氣相沉積過程。阿以 4.4-7.3％的甲烷/氫氣比例在氫氣，甲烷，750-1000 sccm 的氣體混合物，被用來作為原料氣體。氮?dú)猓?.75-5.5 sccm 的，是獲得納米結(jié)構(gòu)插入防止柱狀增長。壓力約 30-55 托和襯底溫度約為 685-830 攝氏度一個(gè)低沉積率 4.5-5.0 千瓦的功率得到了一個(gè)薄涂層; 一個(gè)更大的推進(jìn) 8.0-8.5 千瓦的高功率沉積速率得到厚涂層，通過改變沉積時(shí)間 2 厚度。涂層刀片的進(jìn)一步檢查的干涉。 計(jì)算機(jī)數(shù)控車床，哈丁眼鏡蛇 42 條，被用來進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)，外徑車削，以評估金剛石工具磨損涂層刀具。隨著使用，金剛石涂層刀具刀片刀柄形成了 0 °前角，11 °后角，和 75 °導(dǎo)角。工件都是 A359/SiC-20p 復(fù)合材料制成圓棒。使用的加工條件分別為4 米/ 秒的切割速度， 0.15 毫米/轉(zhuǎn)速飼料，切深 1 毫米，無冷卻劑的應(yīng)用。對加工參數(shù)的選擇是基于以前的經(jīng)驗(yàn)。對于每個(gè)涂層厚度，兩個(gè)試驗(yàn)重復(fù)。在加工測試，切割刀片進(jìn)行定期檢查用光學(xué)顯微鏡測量側(cè)面磨損土地面積。廢舊工具測試后還審議通過掃描電子顯微鏡（SEM） 。此外，切削加工過程中進(jìn)行了監(jiān)測力量使用奇石樂測力計(jì)。 5、結(jié)論 在這項(xiàng)研究中，對金剛石涂層刀具的涂層厚度的影響從不同的角度進(jìn)行了研究。沉積殘余應(yīng)力的工具由于熱不匹配是由有限元模擬和接口上的涂層厚度的影響，