基于CROE的外圓車刀有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

任昭 李會(huì)榮 高妮萍

摘要：本文以某90°外圓粗車刀為例，為探究車刀刃磨角度與刀具所受應(yīng)力的關(guān)系，根據(jù)其實(shí)際的尺寸和角度在CROE中進(jìn)行實(shí)體建模，并在實(shí)驗(yàn)室中用三向測(cè)力系統(tǒng)測(cè)得實(shí)際車削時(shí)的車刀受力數(shù)值，利用軟件中內(nèi)嵌的有限元分析功能對(duì)該外圓車刀進(jìn)行有限元分析，得出車刀的后角關(guān)于刀具所受應(yīng)力及最大變形的影響關(guān)系，通過設(shè)置后角的變化范圍與最大應(yīng)力的靈敏度關(guān)系，確定最大應(yīng)力為優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)而找到合適的車刀后角，實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：CROE;車刀;有限元分析;優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TH122 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2021）07-0080-02

0 ?引言

不同尺寸的車刀在加工時(shí)的受力狀態(tài)也不同，所以車刀的形狀參數(shù)對(duì)刀具的使用壽命影響很大。如車刀的前角會(huì)影響刀具的強(qiáng)度和刀尖的鋒利程度;車刀的后角的大小會(huì)影響刀具的強(qiáng)度和工件的粗糙度[1]，在車削外圓時(shí)，一般車刀的后角選5-8°。本文以某焊接式90°外圓車刀在普通車床上車削材料為45鋼的工件為例，引入數(shù)字化設(shè)計(jì)和仿真技術(shù)，在CROE中模擬分析其后角的變化對(duì)刀具所受應(yīng)力的影響關(guān)系，該車刀實(shí)體圖見圖1。

通過量角儀測(cè)得的該車刀主要角度參數(shù)見表1。

1 ?三維建模

按照該外圓粗車刀的尺寸和角度大小，利用CROE軟件的CAD建模功能以1：1比例建立車刀的的三維實(shí)體模型，見圖2。

2 ?車刀受力分析

根據(jù)金屬切削原理得到：車刀在車削加工時(shí)受到的合力F可轉(zhuǎn)化為三個(gè)不同方向的分力，分別是主切削力、進(jìn)給力、背向力[2]。如圖3。

3 ?有限元靜態(tài)分析

3.1 設(shè)定材料及屬性

從CROE軟件中直接可進(jìn)入有限元分析模塊，由于設(shè)定該車刀的材料為YT15，抗彎強(qiáng)度為355MPa，密度為14.3g/cm3，泊松比為0.23，彈性模量為650GPa;失效準(zhǔn)則遵循von mises等效應(yīng)力守則。

3.2 添加載荷與約束

通過三向測(cè)力系統(tǒng)測(cè)得車削中的主切削力為1643N、進(jìn)給力為655N、背向力為410N。為最大程度模擬車刀在車削時(shí)受力面積，當(dāng)車刀的被吃刀量為3mm時(shí)，利用軟件的模擬曲面區(qū)域設(shè)定功能，在車刀的前刀面、主后刀面、副后刀面劃定施力區(qū)域，其中前刀面、副后刀面為邊長(zhǎng)為3mm的正方形，主后刀面為半徑為3mm的四分之一圓。根據(jù)車刀在加工中受到的切削力方向以及坐標(biāo)系方向，將分力分別作用于三個(gè)不同的施力區(qū)域上[3]。由于該外圓車刀在加工時(shí)被裝夾在轉(zhuǎn)塔刀架上，所以需要將車刀上下表面添加固定位移約束，從而完成載荷的添加與約束，見圖4。

3.3 劃分網(wǎng)格

為使得結(jié)果更加精確，所以要使得刀頭部分的網(wǎng)格盡可能小，數(shù)量盡可能多，通過在AutoGEM模塊中完成網(wǎng)格劃分設(shè)置，最后劃分的網(wǎng)格由213個(gè)四面體組成，包括521個(gè)面和409條邊，車刀的網(wǎng)格模型見圖5。

3.4 有限元分析

在模型的靜態(tài)分析中，經(jīng)過程序的迭代和分析運(yùn)行，其等效應(yīng)力圖和位移變形如圖6;其最大等效應(yīng)力點(diǎn)位于主后刀面和副后刀面距離刀尖周圍2mm處，數(shù)值為304.8MPa，小于YT15的抗彎強(qiáng)度355MPa，符合刀具的強(qiáng)度范圍要求。其最大位移為0.01316mm，也發(fā)生在刀尖處。由此可知車刀的刀尖周圍所受的應(yīng)力最大，且容易磨損[4]。

4 ?靈敏度分析

靈敏度分析主要通過分析刀具角度的變化對(duì)刀尖受力的影響，車刀的主要參數(shù)有很多，如后角、刃傾角、主偏角等，經(jīng)過文獻(xiàn)分析比對(duì)，現(xiàn)分析后角α的大小對(duì)車刀所受最大應(yīng)力和最大位移的影響，我們?cè)O(shè)定變化范圍設(shè)為5-10°，為方便尺寸采集，我們?nèi)『蠼铅羴碜鳛檠芯繉?duì)象，探究其等最大應(yīng)力的影響曲線[5]，詳細(xì)曲線見圖7。

由圖7得：通過后角α的上下浮動(dòng)對(duì)刀具等效應(yīng)力的相關(guān)性分析，隨著車刀后角α從5-10°的變化中，刀尖部分的最大等效應(yīng)力從290MPa到384.063MPa，故車刀的后角越大，所受到的等效應(yīng)力也越大，刀頭部分強(qiáng)度變低，最終影響車刀的刀具耐用度。

5 ?優(yōu)化設(shè)計(jì)

在靈敏度分析得基礎(chǔ)上，探究在滿足最大等效應(yīng)力時(shí)的合適后角，將優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置為滿足最大許用應(yīng)力355MPa，變量為后角，變動(dòng)范圍為5-10°，經(jīng)過20次迭代，計(jì)算出當(dāng)最大等效應(yīng)力為351.8MPa時(shí)，最大位移為0.0148mm，最優(yōu)的后角大小為8.35°，如圖8所示。

6 ?結(jié)語(yǔ)

本文利用CROE中的Mechanical分析部分對(duì)外圓粗車刀的虛擬模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分、靈敏度分析以及優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析得到該車刀后角對(duì)刀具所受應(yīng)力的影響曲線，并找到最優(yōu)數(shù)據(jù)。本文所述的CAD/CAE分析方法可于機(jī)械研發(fā)類微小企業(yè)的設(shè)計(jì)研發(fā)、對(duì)設(shè)計(jì)人員、設(shè)計(jì)環(huán)境、硬件條件要求不高，能夠在一定程度上提高設(shè)計(jì)效率，降低企業(yè)的研發(fā)投入，具有較好的應(yīng)用推廣前景。

參考文獻(xiàn)：

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[5]曾齊高.基于Pro_Mechanica的數(shù)控車刀的有限元分析[J].機(jī)電工程技術(shù)，2014，43：66-70.