基于ANSYS的可轉位車刀有限元分析

張海霞 王南 劉月英

摘 要：應用ANSYS有限元分析軟件對可轉位車刀，從其刀具的切削參數及其受力的分布規律等方面進行詳細分析，分析結果對改善可轉位車刀的工作性能，增加其使用壽命等方面都具有重要的參考意義和實際應用價值。

關鍵詞：ANSYS;可轉位車刀

1.前沿

可轉位車刀是一種應用在數控車床上的刀具，主要用來進行零件加工時的切斷、外表面切削、圓周切削等作業，在機械加工領域具有十分重要的意義，可轉位車刀刀片具有供切削時選用的幾何參數和三個以上供轉位用的切削刃，當一個切削刃磨損后，松開夾緊機構，將刀片轉位到另一切削刃后再夾緊，即可進行切削，當所有切削刃磨損后，則可取下再代之以新的同類刀片。不僅可以大大提高切削加工效率，還可以節省加工制造的成本，如今可轉位車刀被越來越多的應用在零件加工的場合。

2.可轉位車刀有限元分析

有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）是使用數學計算的方式對真正的工況以及場等抽象的物理現象進行數值化模擬，將真實存在的現象和物品進行抽象化描述，將其劃分為簡單的盡可能多的元素去模擬無限接近原型，以逼近真實環境，其算法與高等數學中的微積分原理相似。本文采用有限元分析法，應用ANSYS軟件對可轉位車刀進行分析。

2.1 可轉位車刀有限元分析模型的建立

根據可轉位刀片實際應用的情況，選用牌號為YT14的硬質合金材料，它的主要力學特性參數是彈性模量E=5.25Gpa，泊松比P=0.25，刀桿材料是45號鋼，彈性模量E=210Gpa，泊松比v=0.3。利用ANSYS進行分析之前，考慮到可轉位刀片的具體形狀及受力特點，在不影響計算精度的情況下，采用了四面體實體單元對其進行有限元網格的自由劃分，由于在整個切削過程中，應力應變的變化主要集中在刀尖周圍區域，因而對該部位進行了網格細分。? ?根據以上方法，可轉位刀片共被劃分為35146個節點，24940個元素，最終生成的網格模型如圖1-1所示。

2.2 施加約束和載荷

為了得到較為精確的計算結果，需要根據可轉位刀片的實際情況對其施加約束和載荷。分析可轉位刀具的結構，刀體通過機械的方式將刀片加緊在刀體上，刀柄槽中放置刀片，刀片Z軸負方向的位置由刀片底面約束，刀片Z軸正方向的位置被刀片前面的壓板約束，刀柄槽的兩側面約束刀片Y方向位移，刀片的X，Y，Z軸的旋轉被刀槽底面、兩側、中心孔和壓板等同時約束。

針對可轉位車刀施加載荷，某些載荷的施加對之后的求解有一定的影響，通過選擇Main Menu-Solution-Loads-Settings菜單進行設置，在刀片和刀桿之間有三種載荷。第一種載荷是刀片與刀桿產生的緊壓力，第二種載荷是刀片產生的切削力，第三種載荷是熱量載荷，是在切削過程中在前刀面和工件接觸中由于摩擦，溫度劇烈升高而產生的。

2.3 分析求解

圖1-2為可轉位車刀應力應變云圖，可以看出主切削刃靠近刀尖的部位應變最大，應力也最大。如圖1-3為可轉位車刀刀尖位置的應力應變云圖，最大應力值為：1.975×（10的9次方）pa，與車刀實際工作狀況較為相符。

由此得出該刀片的刀尖是非常重要的失效部位。

3.結論

使刀尖失效的因素有很多，例如刀具本身的質量，如果刀具質量較差則其不能承受過大的應力，機床的工作性能也是影響因素之一，工件夾緊方式是否正確，刀具的硬度和使用刀片的合理性以及切削參數是否合理等因素都對刀具的失效產生影響，其中，對切削性能影響最為重要的是刀具本身的結構性能參數。在實際加工過程中，要使刀具達到最佳狀態，才能保證加工要求。

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