基于UG的高速鋼車刀的力學分析

摘 要：金屬切削過程中刀具具有足夠的強度才能延長刀具使用壽命。文章利用UG軟件對高速鋼車刀進行了受力分析，確定了高速鋼車刀在試驗條件下所受切削力與切削深度的關系及此條件下刀具所受極限載荷數值。

關鍵詞：高速鋼；切削力；切削深度；極限載荷

1 切削用量與切削力

1.1 切削用量

在切削加工過程，刀具與工件的相對運動形成切削運動，切削用量是切削運動時各參數的合稱，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。但是切削速度、進給量和切削深度的最佳組合手冊中無法查到。

1.2 切削力

車削加工中，刀具受到3個方向的切削力，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=248.32ap1.2 （1）

Fy=213.32ap0.9 （2）

Fz=722.77ap （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所承受的最大切削深度。即可通過公式求出刀具所能承受的極限載荷數值。

2 UG環境下車刀的受力分析

2.1 試驗參數

試驗條件：工件材料為碳素鋼，刀具材料為W18Cr4V高速鋼，刀體幾何尺寸：BH=16mm×16mm，L=116mm。車刀主要角度：車刀主要角度：前角？酌0=0°，后角？琢o=5°，主偏角？資r=90°，副偏角？資'r=3°，刃傾角？姿s=-0°。刀具材料的機械性能：許用應力[？滓]=392MPa；彈性模量E=225GPa；泊松比？滋=0.29；密度8.26×10-8g/cm3。切削用量：切削速度v=0.6m/S，進給量（或進給速度）f=0.4mm/r，切削深度（背吃刀量）ap=2.4～4.7mm，文章就是通過UG軟件，在確定的切削速度和進給量及切削深度的推薦范圍內，找到可以使用的最大切削深度，進而計算刀具所能承受的極限載荷數值。

2.2 刀具有限元分析

利用UG軟件對高速鋼車刀進行建模，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6.25mm，共劃分節點1528個、單元730個。在刀體的上、下面和側面施加固定約束。高速鋼車刀的單元格劃分和施加約束結果如圖2所示。

2.3 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Fx，Fy，Fz作用在主切削刃上，其中，Fz沿-Zc方向，Fx則沿-Xc方向作用在主切削刃上，Fy沿Yc方向方向作用于刀尖。刀具受力如圖2所示。

用UG自帶的UG Nastran求解器進行分析解算。求解完成后點擊查看“應力-單元的”中的“Von-Mises”，結果顯示應力云圖見圖3，圖中所示為切削深度在3.25mm時的應力云圖，可看到刀尖處最大應力？滓max為391.93MPa。按此方法，可以得到不同切削深度時的應力云圖，得到不同切深時刀具所受最大應力值。具體關系見表1。

2.4 受力結果分析

通過改變切削深度的大小而改變切削力的數值，其定量關系見公式（1）～（3），不同切削深度下，刀尖的最大接觸應力值也不一樣。通過試驗找到有代表性的幾組數值。詳細情況見表1。

由表1可以看到，切削深度為3.25mm時，刀尖所受最大應力沒有超過許用應力，而當切削深度為3.26mm時，刀尖所受最大應力超過許用應力。切削深度3.25mm就是W18Cr4V高速鋼在切削速度為0.6m/S，進給量為0.4mm/r時的最大切深，對應的切削力就是刀具在此條件下的極限載荷數值。即Fz=2511.5N，Fy=616.2N，Fx=1021.5N。

3 結束語

（1）文章以外圓車刀為例進行刀具受力模擬分析，得到W18Cr4

V高速鋼在試驗條件下，切削力和切削深度的關系。（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所受極限載荷數值。該方法可為合理選擇切削用量以及對刀具進行失效分析提供理論依據。

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.