基于UG的硬質合金車刀的受力分析

摘 要：刀具強度是影響刀具使用壽命的因素之一。文章利用UG軟件對硬質合金車刀進行了受力分析，確定了硬質合金車刀在試驗條件下，切削深度對切削力的影響關系及此條件下刀具合理的切削用量。

關鍵詞：硬質合金；切削力；切削深度；應力

1 概述

在車刀進行切削運動的過程中，刀具的使用壽命受多種因素的影響。切削用量就是影響刀具壽命的因素之一。文章主要利用UG軟件研究硬質合金車刀在試驗條件下合理的切削用量。

2 切削用量與切削力

2.1 切削用量

切削用量包括切削速度、進給量和切削深度。在車刀材料、車刀幾何參數、工件材料及刀具磨損情況確定時，切削力的大小由切削用量決定。車削加工中切削用量的使用范圍[1]可以查到。

2.2 切削力

實際車削加工中，作用在刀具上的力分解為3個方向，分別以Fz代表切向力，Fy表示切深抗力，Fx則為進給力，如圖1所示。切削力大小可由經驗公式[2]計算，在確定的刀具材料、刀具幾何角度、工件材料、進給量和切削速度的前提下，切削力的計算公式可以簡化，具體見公式（1）-（3）。

Fx=313.39ap （1）

Fy=234.81ap0.9 （2）

Fx=614.61ap （3）

由上述公式可見，只要切削深度ap改變，切削力數值也會發生變化。文章就是利用UG軟件，找到刀具在確定的進給量和切削速度條件下，切削深度與切削應力和受力點的位移的關系。

3 UG 環境下車刀的受力分析

3.1 試驗參數

試驗條件：工件材料為中碳合金鋼，刀具材料為YT5硬質合金，刀體幾何尺寸：B×H=16mm×16mm，L=110mm。車刀主要角度：前角0=10°，后角o=5°，主偏角kr=90°，副偏角kr'=3°，刃傾角s=-5°。刀具材料的機械性能：彈性模量E=600GPa；泊松比=0.27；密度12.8g/cm3。切削用量：切削速度v=1.33m/S，進給量（或進給速度）f=0.4mm/r，切削深度（背吃刀量）ap由試驗確定。

3.2 刀具有限元分析

利用UG軟件對硬質合金車刀進行建模，然后進行單元格劃分，文章采用3D四面體網格中的CTETRA（10）類型對車刀進行網格劃分，單元尺寸6.12mm，共劃分節點2136個、單元1080個。在刀體的上、下面和側面施加固定約束。車刀的單元格劃分和施加約束結果如圖1所示。

3.3 刀具受力分析

在UG軟件中對車刀施加載荷，由于實際情況比較復雜，為方便計算做出以下假設[3]：（1）假設刀具在整個切削過程中不會受到沖擊，是處于靜應力分布的狀態。（2）假設在整個切削的過程中，刀具不會受到溫度變化的影響。刀具在進行切削運動時，有三個作用力，其中Fx，Fz作用在主切削刃上，Fy作用于刀尖。刀具受力如圖1所示。

用UG對刀具模型分析解算。切削深度在2.36mm時的應力云圖見圖2和位移圖見圖3。從圖2可以看到，切削深度為2.36mm時，刀尖處最大應力滓max為580.08MPa。由圖3可以得知，此時刀具受力點處位移為3.785×10-3mm。按此方法，可以得到不同切削深度時的最大應力數值和位移大小，切削深度與位移的關系見圖4，切削深度與應力的關系見圖5。

3.4 受力結果分析

由公式（1）～（3）可知，改變切削深度的大小，刀刃所受切削力的數值會變。改變切深，刀具所受應力及受力點處的位移也會發生變化，通過試驗找到有代表性的幾組數值。詳細情況見圖4和圖5。

圖4橫坐標表示切深，單位mm，縱坐標表示位移，單位x10-3mm。由圖4可知，刀具受力點處的位移隨切深增大而增大。UG軟件試驗結果與實際情況吻合。

圖5橫坐標表示切深，單位mm，縱坐標表示最大應力，單位MPa。由圖5可知，刀具最大應力開始隨切深增大而增大，切深在2.36mm時應力達到最大值，隨后，最大應力隨切深增大而減小。為保證刀具具有足夠的強度，刀具加工應該在較小應力下進行，實際加工中切削深度推薦的數值為2.5～4.7mm，UG軟件試驗結果也顯示切深在2.5～3mm是合理的，這點與實際情況相符。

4 結束語

（1）文章以YT5硬質合金的外圓車刀為例進行刀具受力模擬分

析，得到該刀具在試驗條件下，切削深度對切削力的影響關系。（2）通過改變切削深度而改變切削力的數值，得到刀具在試驗條件下，切深與應力及切深與位移的關系。該方法可為合理選擇切削用量提供理論依據。

參考文獻

[1]陳則鈞.車工工作手冊[M].北京：化學工業出版社，2007：350.

[2]盧秉恒.機械制造技術基礎[M].北京：機械工業出版社，2014：34.

[3]寧仲良，張廣軍.刀具強度的有限元數值模擬分析[J].工具技術，2013（37）：13-15.

作者簡介：王秀芝（1969，4-），女，漢族，天津人，學歷：本科，現職稱：高級講師，研究方向：機械制造。