刀具强度的有限元数值模拟分析

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1、刀具强度的有限元数值模拟分析

2、第1(2)划分单元格根据刀具的几何尺寸，在ANSYS交互模式下创建刀具有限元实体模型。图2有限元网格图通过ANSYS自带的自适应网格划分方法进行单元格的划分，自定义单元长度。采用八节点六面体Solid45单元类型(该单元类型便于施加载荷，且计算精度较高)，将车刀划分为1569个节点、6934个单元(见图2，单元划分较密是为了更清楚地显示应力集中区)，并作如下假设：*将刀杆和刀片材料视为一体，便于模拟加载分析和计算。*计算中假定材料为线弹性，即不发生屈服。*刀具在切削

3、过程中会受到一定的冲击和振动，考虑到这种冲击和振动的有限性，为简化计算，视刀具在切削过程中某时刻为静应力分布。*在切削过程中，刀具因剧烈摩擦会产生高温，但为便于计算，暂不考虑温度场影响。(3)模拟加载求解由于切削力的影响因素较多，计算较复杂，加之目前所用切削力理论计算公式是在忽略了温度、正应力、第III变形区的变形与摩擦力等条件下推导出来的，与实际切削状态差别较大，故只能用于切削力的定性分析，不宜用于实际计算。因此，根据本实例的原始试验数据，采用一个文献中的实验公式，计算出三个切削分力的经验值分

4、别为：根据上述分析，按切削条件最恶劣的极限情况(即集中作用于刀尖一点)进行模拟加载，在刀具末端施加全部约束(这样并不影响分析结果)。(4)结果分析通过ANSYS的静载荷计算，可得到图3所示刀具内部应力分布图、图4所示刀尖部分应变分布图和图5所示全部自由度解USUM分布图(位移等值线图)。图3车刀应力分布示意图图4刀尖部位应变分布图图5位移等值线图由图3可知，车刀最大应力点位于刀尖部位(第21节点处)，最大应力值为676MPa，最大应力点的坐标为(-0.025，-0.008，0.002)。采用类似

5、方法，可计算出刀尖处的最大应变值为0.00426m。由图5可知，最大合位移DMX=0.609，计算结果与实际情况相符。由于上述分析结果是在极限条件(切削力集中作用于刀尖一点)下得到的，且采用ANSYS线性分析，因此得出的最大应力值略大于强度极限值仍应属于允许范围。如进行ANSYS非线性分析，则最大应力值应在许用应力范围之内，且分析结果会更为精确。由于刀尖部位为最大应力点，由此可知刀具破坏的主要形式为刀尖和刀刃破坏，因此选用高强度刀片材料对于增加刀具强度是十分必要的。由于切削过程中会产生高温，且刀

6、具与工件材料之间存在较大压力，因此当温度和应力达到一定水平时，在应力最大处就可能产生刀刃点蚀以及刀具材料塑性变形，使加工精度难以保证，为此必须调整切削参数以降低应力，以保证刀具在稳定的切削状态下工作。此外，由于刀尖部位应力最大，磨损严重，将直接影响加工质量，因此需要及时检查刀具状况并进行刀具补偿。以上述分析为理论依据，即可在切削加工中正确选择和使用刀具，合理调整切削参数。为了更清楚地说明应力集中处的应力分布状况，还可利用ANSYS沿应力最大处的纵切面表面节点作切片，以显示截面应力变化曲线。由于本

7、文分析的车刀结构较简单，故从略。5、结语应用大型有限元数值分析软件ANSYS对刀具强度进行数值模拟分析，可较精确地掌握刀具上各点的受力情况，了解刀具内部应力应变的分布规律，获得应力应变分布图并方便地找出危险点。该方法可为改进刀具受力情况、合理设计刀具结构以及对刀具进行失效分析提供理论依据，为刀具强度和寿命的分析计算提供了一种新方法。本文以外圆车刀为例进行的刀具强度数值模拟分析具有一定典型性。该方法还可应用于其它类型的刀具以及主轴等多种零部件的强度与失效分析。对于受力情况较复杂的分析对象，可采用非

8、线性动态分析法，以使分析结果更为精确。本文的分析结果表明，ANSYS有限元数值分析软件可完成采用传统计算方法难以完成(或效果不佳)的强度模拟分析计算工作，因此具有重要的实用价值。