基于ANSYS的切削加工受力分析.doc

摘要金屬切削是機(jī)械制造行業(yè)中的一類重要的加工手段。早在一百多年前人們就已經(jīng)開始了對(duì)金屬切削過程的研究。由于金屬切削本身具有非常復(fù)雜的機(jī)理，用傳統(tǒng)的研究方法研究非常困難。本文應(yīng)用有限元分析方法，利用材料變形的彈塑性理論及金屬切削基本原理，建立工件材料的模型,借助大型商業(yè)有限元分析軟件ANSYS,通過輸入材料性能參數(shù)、建立有限元模型、施加約束及載荷、計(jì)算,對(duì)正交金屬切削的受力情況進(jìn)行了模擬。最后得出應(yīng)力云圖，進(jìn)行切削加工中的工件和刀具的受力情況分析。關(guān)鍵詞：有限元分析，ANSYS,金屬切削AbstractMetal-cuttingmachinerymanufacturingindustryinaclassofimportantmeansofprocessing.Asearlyasmorethan100yearsago,peoplehavebeguntheprocessofmetalcuttingresearch.Asaresultofmetal-cuttingitselfisverycomplexmechanism,usingthetraditionalmethodofstudyverydifficult.Inthispaper,finiteelementmethod,usingmaterialsoftheelastic-plasticdeformationtheoryandthebasicprinciplesofmetalcutting,theestablishmentoftheworkpiecematerialmodel,withlargecommercialfiniteelementanalysissoftwareANSYS,theimportationofmaterialpropertiesthroughtheestablishmentofthefiniteelementmodel,toimposeconstraintsandloadcalculatedfortheorthogonalmetalcuttingforcesaresimulated.Cametotheconclusionthatthestressimage,thecuttingoftheworkpieceandtoolintheanalysisoftheforces.Keywords:finiteelementanalysis,ANSYS,metal-cutting1緒論金屬切削是機(jī)械制造行業(yè)中的一類重要的加工手段。美國(guó)和日本每年花費(fèi)在切削加工方面的費(fèi)用分別高達(dá)1000億美元和10000億日元。中國(guó)目前擁有各類金屬切削機(jī)床超過300萬臺(tái),各類高速鋼刀具年產(chǎn)量達(dá)3.9億件,每年用于制造刀具的硬質(zhì)合金超過5000噸。可見切削加工仍然是目前國(guó)際上加工制造精密金屬零件的主要辦法。19世紀(jì)中期,人們開始對(duì)金屬切削過程的研究,到現(xiàn)在已經(jīng)有一百多年歷史。由于金屬切削本身具有非常復(fù)雜的機(jī)理,對(duì)其研究一直是國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。過去通常采用實(shí)驗(yàn)法,它具有跟蹤觀測(cè)困難、觀測(cè)設(shè)備昂貴、實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)、人力消耗大、綜合成本高等不利因素。本文利用材料變形的彈塑性理論,建立工件材料的模型,借助大型商業(yè)有限元軟件ANSYS,通過輸入材料性能參數(shù)、建立有限元模型、施加約束及載荷、計(jì)算,對(duì)正交金屬切削的受力情況進(jìn)行了分析。以前角10、后角8的YT類硬質(zhì)合金刀具切削45號(hào)鋼為實(shí)例進(jìn)行計(jì)算。切削厚度為2mm時(shí)形成帶狀切屑。提取不同階段應(yīng)力場(chǎng)分布云圖,分析了切削區(qū)應(yīng)力的變化過程。這種方法比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)法快捷、有效,為金屬切削過程的研究開辟了一條新的道路。2設(shè)計(jì)要求根據(jù)有限元分析理論，根據(jù)ANSYS的求解步驟，建立切削加工的三維模型。對(duì)該模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分并施加約束邊界條件，最后進(jìn)行求解得出應(yīng)力分布云圖，并以此云圖分析得出結(jié)論。3金屬切削簡(jiǎn)介3金屬切削過程，從實(shí)質(zhì)講，就是產(chǎn)生切屑和形成已加工表面的過程。產(chǎn)生切屑和形成已加王表面是金屬切削時(shí)密切相關(guān)的兩個(gè)方面。3.1切削方式切削時(shí)，當(dāng)工件材料一定，所產(chǎn)生切屑的形態(tài)和形成已加工表面的特性，在很大程度上決定于切削方式。切削方式是由刀具切削刃和工件間的運(yùn)動(dòng)所決定，可分為：直角切削、斜角切削和普通切削三種方式。3.2切屑的基本形態(tài)金屬切削時(shí)，由于工件材料、刀具幾何形狀和切削用量不同，會(huì)出現(xiàn)各種不同形態(tài)的切屑。但從變形觀點(diǎn)出發(fā)，可歸納為四種基本形態(tài)。1帶狀切屑切屑呈連續(xù)狀、與前刀面接觸的底層光滑、背面呈毛葺狀。2擠裂狀切屑切屑背面呈鋸齒形、內(nèi)表面有時(shí)有裂紋。3單元狀切屑切削塑性很大的材料，如鉛、退火鋁、純銅時(shí)，切屑容易在前刀面上形成粘結(jié)不易流出，產(chǎn)生很大變形，使材料達(dá)到斷裂極限，形成很大的變形單元，而成為此類切屑。4崩碎狀切屑切削脆性材料，如鑄鐵、黃銅等時(shí)，形成片狀或粒狀切屑。切削時(shí)，在產(chǎn)生帶狀切屑的過程中，切削力變化較小，切削過程穩(wěn)定，已加工表面質(zhì)量好。但切屑成為很長(zhǎng)的帶狀，影響機(jī)床正常工作和工人安全，因而要采取斷屑措施；在產(chǎn)生擠裂狀和單元狀切屑的過程中，切削力有較大的波動(dòng)，尤其是單元狀切屑，在其形成過程中可能產(chǎn)生振動(dòng)影響加工質(zhì)量；在切削鑄鐵時(shí)，由于所形成的崩碎狀切屑是經(jīng)石墨邊界處崩裂的，因而已加工表面的粗糙度值變大。3.3積屑瘤在用低、中速連續(xù)切削一般鋼材或其他塑性材料時(shí),切屑同刀具前面之間存在著摩擦,如果切屑上緊靠刀具前面的薄層在較高壓強(qiáng)和溫度的作用下，同切屑基體分離而粘結(jié)在刀具前面上,再經(jīng)層層重疊粘結(jié),在刀尖附近往往會(huì)堆積成一塊經(jīng)過劇烈變形的楔狀切屑材料，叫做積屑瘤。積屑瘤的硬度較基體材料高一倍以上，實(shí)際上可代替刀刃切削。積屑瘤的底部較穩(wěn)定，頂部同工件和切屑沒有明顯的分界線,容易破碎和脫落,一部分隨切屑帶走，一部分殘留在加工表面上，從而使工件變得粗糙。所以在精加工時(shí)一定要設(shè)法避免或抑制積屑瘤的形成。積屑瘤的產(chǎn)生、成長(zhǎng)和脫落是一個(gè)周期性的動(dòng)態(tài)過程（據(jù)測(cè)定,它的脫落頻率為30170次秒），它使刀具的實(shí)際前角和切削深度也隨之發(fā)生變化，引起切削力波動(dòng)，影響加工穩(wěn)定性。在一般情況下，當(dāng)切削速度很低或很高時(shí)，因沒有產(chǎn)生積屑瘤的必要條件（較大的切屑與刀具前面間的摩擦力和一定的溫度），不產(chǎn)生積屑瘤。3.4切削力切削時(shí)刀具的前面和后面上都承受法向力和摩擦力，這些力組成合力F，在外圓車削時(shí),一般將這個(gè)切削合力F分解成三個(gè)互相垂直的分力：切向力Ft它在切削速度方向上垂直于刀具基面，常稱主切削力；徑向力Fr在平行于基面的平面內(nèi),與進(jìn)給方向垂直,又稱推力；軸向力Fa在平行于基面的平面內(nèi),與進(jìn)給方向平行,又稱進(jìn)給力。切削過程中實(shí)際切削力的大小，可以利用測(cè)力儀測(cè)出。測(cè)力儀的種類很多，較常用的是電阻絲式和壓電晶體式測(cè)力儀。測(cè)力儀經(jīng)過標(biāo)定以后就可測(cè)出切削過程中各個(gè)分力的大小。3.5切削熱切削金屬時(shí)，由于切屑剪切變形所作的功和刀具前面、后面摩擦所作的功都轉(zhuǎn)變?yōu)闊?，這種熱叫切削熱。使用切削液時(shí)，刀具、工件和切屑上的切削熱主要由切削液帶走；不用切削液時(shí)，切削熱主要由切屑、工件和刀具帶走或傳出，其中切屑帶走的熱量最大，傳向刀具的熱量雖小，但前面和后面上的溫度卻影響著切削過程和刀具的磨損情況，所以了解切削溫度的變化規(guī)律是十分必要的。3.6切削溫度切削過程中切削區(qū)各處的溫度是不同的，形成一個(gè)溫度場(chǎng)切屑和工件的溫度分布，這個(gè)溫度場(chǎng)影響切屑變形、積屑瘤的大小、加工表面質(zhì)量、加工精度和刀具的磨損等，還影響切削速度的提高。一般說來，切削區(qū)的金屬經(jīng)過剪切變形以后成為切屑,隨之又進(jìn)一步與刀具前面發(fā)生劇烈摩擦,所以溫度場(chǎng)中溫度分布的最高點(diǎn)不是在正壓力最大的刃口處，而是在前面上距刃口一段距離的地方。切削區(qū)的溫度分布情況，須用人工熱電偶法或紅外測(cè)溫法等測(cè)出。用自然熱電偶法測(cè)出的溫度僅是切削區(qū)的平均溫度。3.7刀具磨損具在切削時(shí)的磨損是切削熱和機(jī)械摩擦所產(chǎn)生的物理作用和化學(xué)作用的綜合結(jié)果。刀具磨損表現(xiàn)為在刀具后面上出現(xiàn)的磨損帶、缺口和崩刃等，前面上常出現(xiàn)的月牙洼狀的磨損，副后面上有時(shí)出現(xiàn)的氧化坑和溝紋狀磨損等。當(dāng)這些磨損擴(kuò)展到一定程度以后就引起刀具失效，不能繼續(xù)使用。刀具逐漸磨損的因素，通常有磨料磨損、粘著磨損、擴(kuò)散磨損、氧化磨損、熱裂磨損和塑性變形等。在不同的切削條件下，尤其是在不同切削速度的條件下，刀具受上述一種或幾種磨損機(jī)理的作用。例如，在較低切削速度下，刀具一般都因磨料磨損或粘著磨損而破損；在較高速度下，容易產(chǎn)生擴(kuò)散磨損、氧化磨損和塑性變形。3.8刀具壽命刀具由開始切削達(dá)到刀具壽命判據(jù)以前所經(jīng)過的切削時(shí)間叫做刀具壽命(曾稱刀具耐用度)，刀具壽命判據(jù)一般采用刀具磨損量的某個(gè)預(yù)定值，也可以把某一現(xiàn)象的出現(xiàn)作為判據(jù)，如振動(dòng)激化、加工表面粗糙度惡化，斷屑不良和崩刃等。達(dá)到刀具壽命后，應(yīng)將刀具重磨、轉(zhuǎn)位或廢棄。刀具在廢棄前的各次刀具壽命之和稱為刀具總壽命。生產(chǎn)中常根據(jù)加工條件按最低生產(chǎn)成本或最高生產(chǎn)率的原則，來確定刀具壽命和擬定工時(shí)定額。3.9加工表面質(zhì)量通常包括表面粗糙度加工硬化殘余應(yīng)力、表面裂紋和金相顯微組織變化等。切削加工中影響加工表面質(zhì)量的因素很多，例如刀具的刀尖圓弧半徑進(jìn)給量和積屑瘤等是影響表面粗糙度的主要因素；刀具的刃口鈍圓半徑和磨損及切削條件是影響加工硬化和殘余應(yīng)力的主要因素。因此，生產(chǎn)中常通過改變刀具的幾何形狀和選擇合理的切削條件來提高加工表面質(zhì)量。3.10切削振動(dòng)切削過程中，刀具與工件之間經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生自由振動(dòng)、強(qiáng)迫振動(dòng)或自激振動(dòng)(顫振)等類型的機(jī)械振動(dòng)。自由振動(dòng)是由機(jī)床零部件受到某些突然沖擊所引起，它會(huì)逐漸衰減。強(qiáng)迫振動(dòng)是由機(jī)床內(nèi)部或外部持續(xù)的交變干擾力（如不平衡的機(jī)床運(yùn)動(dòng)件、斷續(xù)切削等）所引起，它對(duì)切削產(chǎn)生的影響取決于干