曲軸車-車拉加工系統(tǒng)刀夾壽命分析研究

1、第 31 卷第 3 期Vol.31 No.3硬質(zhì)合金CEMENTED CARBIDE2014 年 7 月Jul. 2014!應用研究doi：10.3969/j.issn.1003-7292.2014.03.006曲軸車-車拉加工系統(tǒng)刀夾壽命分析研究徐友錢何云陳龍桂松（華東理工大學機械與動力工程學院，上海 200237）摘 要 一個完整的切削加工系統(tǒng)不僅僅包括切削刀片，還包括機床與刀具連接系統(tǒng)。 車-車拉是目前曲軸加工主要加工工藝，其刀具系統(tǒng)包括刀片與刀夾 ，而車-車單元切 削刀夾往往由于側(cè)壁容易在交變載荷的作用下引起疲勞斷裂而失效。 本文圍繞刀夾壽 命的影響因素為研究對象，通過金屬材料的疲勞壽

2、命與應力的數(shù)學關系式，測得實際切 削時刀夾所受的切削力，應用三維造型軟件建立刀夾模型，然后利用 ANSYS 有限元加 載切削力，模擬仿真實際切削過程中刀夾側(cè)壁所受到的應力隨側(cè)壁厚度的變化情況，最 后利用 MATLAB 擬合建立刀夾壽命與側(cè)壁厚度的關系式。 鑒于實際加工中刀夾側(cè)壁厚 度與切削刃有效切削長度的關系，為了平衡切削效率與刀夾壽命之間的矛盾 ，因此選 擇最佳的刀夾側(cè)壁厚度為 33.5 mm。關鍵詞 單元切削刀夾；Ansys 有限元；刀夾壽命；刀夾側(cè)壁厚度Research on the Tool Holder Life of Turn-turn Broaching Cutting Syst

3、emXu Youqian He Yun Chen Long Gui song(School of Mechanical and Power Engineering, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China)ABSTRACT A complete cutting system not only includes the cutting blade, but also includes tool connection system. Turn-turn broaching cutting is

4、the main crankshaft machining process, and its tool system includes blade and tool holder. This paper focuses on the factors affecting the life of the tool holder. By using the mathematical relationship between the fatigue life and stress of metallic materials, the actual cutting force of the tool h

5、older was measured. By using 3D modeling software tool holder model was established, and ANSYS finite element was utilized to load cutting force to simulate the realistic tool holder sidewall stress force conditions with sidewall thickness variation when it is in the actual cutting process. Finally

6、MATLAB was used for fitting to establish the tool holder life relationship with the sidewall thickness. In consideration of the relationship between tool holder sidewall thickness and effective cutting length of the cutting edge in theactual cutting, to balance the conflict between the life of the c

7、utting efficiency and tool holder sidewall thickness, the best tool holder thickness for 33.5 mm is choosen.KEY WORDS turn-turn broaching cutting unit tool holder； ansys finite element； tool holder life； tool holder sidewall thickness基金項目：國家重大科技專項高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備，編號（2012ZX04003041）。作者簡介：徐友錢（1987-），男，湖北

8、人，碩士研究生，主要研方向為先進制造技術及現(xiàn)代切削理論。 HYPERLINK mailto:xuvictory1987163 xuvictory1987163 。通信 何云（1963-），男，教授。 E-mail：hy121 。-174 -硬質(zhì)合金第 31 卷一個完整的 切削加工系 統(tǒng)不僅僅包 括切削 刀 具， 還包括機床與刀具連接系統(tǒng)。 刀具連接系統(tǒng)的 失效會極大的影響切削加工系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 以往對 于切削加工系統(tǒng)壽命的研究往往集中于對于切削刀 具壽命的研究， 而目前越來越多的研究人員開始關 注切削系統(tǒng)中刀具連接系統(tǒng)的失效問題。 在曲軸的 生產(chǎn)制造中， 車-車拉工藝是目前

9、曲軸主軸頸半精 加工重要的工藝， 車-車拉刀盤單元切削模塊由刀 具和刀夾組成，相比較而言，刀夾成本要遠高于單片通過以上分析可知車-車拉單元切削模塊刀夾 的失效形式為疲勞失效。 根據(jù)現(xiàn)有的材料力學知識 可知， 材料的疲勞壽命與材料內(nèi)部所承受的應力有 很大的關系。 即使材料所承受的應力未超過材料的 區(qū)服極限，經(jīng)過一定次數(shù)的循環(huán)，材料也將很容易萌 生裂紋。若材料所承受的應力足夠大，即使循環(huán)次數(shù) 不多也會引起裂紋萌生，從而導致結(jié)構(gòu)斷裂。金屬材料的 疲勞壽命與 應力的關系 可以通過Langer 等式（1）表示2：刀片成本。 在使用過程中， 除刀具會經(jīng)常性出現(xiàn)失 效情況外， 刀夾也會出現(xiàn)失效的情況。 盡管

10、刀夾失n= EC +W2 姨NC（1）效出現(xiàn)的頻率要遠低于刀具失效頻率， 但是由于刀 夾成本較高，并且刀夾失效后會引發(fā)較長時間的停 機修復，還會對機床本身造成影響，所以刀夾失效對 生產(chǎn)制造過程造成的損失是十分巨大的。對車-車單元刀夾失效損壞進行分析發(fā)現(xiàn)車- 車拉單元切削刀夾在長時間使用之后往往會在側(cè)壁 拐角處出現(xiàn)裂紋，隨著裂紋的擴展，刀夾最終往往以 側(cè)壁完全斷裂的形式失效。 大部分刀夾在裂紋出現(xiàn)之前均處于正常使用狀態(tài)， 并且在新刀夾在正常切其中，n 為計算點顯示應力；NC 為致裂次數(shù)，也 即材料疲勞壽命；W 為材料疲勞強度極限， 指致裂 循環(huán)周次為 106 時的應力值；C 為材料的延性常數(shù)，

11、C 可以通過公式（2）算得：NC= 1 ln( 1)（2）21 - 其中， 為材料的斷裂面收縮率。 將公式（1）代 入公式（2）中并進行整理可得材料疲勞壽命與材料 所受應力之間的關系（3）：削參數(shù)下開始投入使用的初期并不會馬上出現(xiàn)裂紋NC= 姨4 Eln 1- （n-W） 姨（3）112或者側(cè)壁突然斷裂的情況， 所以單元切削刀夾的設 計強度是可以滿足正常使用的強度要求的， 即單元 切削刀夾在正常使用過程中側(cè)壁承受的力是低于刀 夾材料的抗拉強度的。根據(jù)單元車-車拉的受力特點和斷裂刃口形式 分析，發(fā)現(xiàn)其斷裂失效形式符合疲勞失效。 由于車-車 切削過程中不便測量刀夾所受應力，本文基于 Ansys 有

12、限元研究車-車拉單元切削刀的受力特點與壽命情 況，為實踐提供比較可靠優(yōu)化刀夾側(cè)壁厚度。1 疲勞壽命分析模型的建立通過單元切削刀夾失效情況與疲勞破壞特征進 行對比， 可以發(fā)現(xiàn)單元切削刀夾的失效過程與破壞 狀況具有以下特征：1）在切削過程中，刀具承受的載 荷為交變載荷，所受應力為交變應力；2）側(cè)壁斷裂是 經(jīng)過一段時間運行后發(fā)生斷裂， 并非一開始突然發(fā)生斷裂；3）對其斷裂界面觀察發(fā)現(xiàn)，斷裂面可以明顯由式（3）可知，材料的疲勞壽命與材料所受應力 的平方呈反比。另一方面，根據(jù)材料力學理論，所受載荷一定的 情況下，結(jié)構(gòu)的橫截面積越大，截面上的應力越小。 所以對于車-車拉單元切削刀夾，增厚刀夾側(cè)壁，增大 橫

13、截面積可以有效的降低刀夾側(cè)壁拐角所受的應力， 改善應力集中狀況，延長刀夾疲勞壽命。 下面將使用 ANSYS 利用有限單元法對車-車拉單元切削刀夾側(cè) 壁厚度與側(cè)壁拐角應力之間的數(shù)學關系進行研究。2 車-車拉單元切削刀夾有限元分析2.1 實驗方案設計為了提高模擬實驗結(jié)果的真實性， 實驗中加載 的載荷為實際切削過程中刀具承受的載荷。實際的切削力通過切削力測量系統(tǒng)如圖 1 所示 測得。 測力儀型號為 Kistler9265B，電荷放大器型號為 5070。 切削參數(shù)為 V =150 m/min， f=0.2 mm/r，a =cp的區(qū)分出裂紋源、 裂紋擴展區(qū)和瞬時斷裂區(qū)。 通過上述分析可知， 單元切削刀夾

14、的失效過程與斷口特1.5 mm。 試驗刀具為前文中使用的 G CK515 08 刀具， 試驗材料曲軸常用材料 QT500。 測量結(jié)果如圖 2 所征均與疲勞破壞特征相吻合1，單元切削刀 夾的失效過程為一個疲勞失效過程。示， 取各方向分力的平均值為測量結(jié)果，F(xiàn)X=619 N，第 31 卷徐友錢 何 云 陳 龍 桂 松:曲軸車-車拉加工系統(tǒng)刀夾壽命分析研究-175 -圖 1 切削力測試系統(tǒng)Fig.1 Cutting force measuring systemFXN2000150010005000-500-1000-1500-2000-2500FXN Cyele NO:1 FYN Cyele NO:

15、1 FZN Cyele NO:1FYNFZN51015202530TimesMean=619.0e0 Min=390.0e0 Mean=1.253e3 Min=814.8e0 Mean=1.432e3 Min=2.218e3Max=818.5e0Max=1.757e3 Max=584.8e0Cycle No.:1Ingegral=8.240e3 Ingegral=18.70e3 Ingegral=19.07e3圖 2 切削力的測量結(jié)果Fig.2 Measurement results of cutting forceFY=1 253 N，F(xiàn)Z=1 432 N。 將三向切削力進行合成 可得切削合

16、力為 2 001.7 N，根據(jù)切削參數(shù)估算切削 載荷近似為 6.672 GPa。這一載荷即為有限元模擬實 驗中加載于刀夾之上的載荷。2.2 仿真幾何模型的創(chuàng)建Ansys 自帶的三維建模功能在處理較為復雜的 模型的時候適用性并不是特別的強， 尤其是模型具 有較為復雜的曲面或者角度尺寸過多時， 本文所要 研究的對象是車-車拉單元切削刀夾， 刀槽部分具 有很多空間角度， 直接用 Ansys 進行三維建模難度 角度，但是 Ansys 支持前期在其它 CAD 軟件中進行 建模而后導入其中進行有限元分析，所以利用 CAD/ CAM 專業(yè)化軟件 UG 對車-車拉單元切削刀夾進行前期建模，如圖 3 所示。 三

17、維建模時對模型進行了適 當?shù)膬?yōu)化， 忽略對模擬仿真沒有實際影響的倒角與 倒圓。2.3 網(wǎng)格劃分將 之 前 在 UG 中 建 立 的 具 有 不 同 側(cè) 壁 厚 度 的 車-車拉單元切削刀夾三維模型導入 ANSYS 進行網(wǎng) 格劃分。 由于車-車拉單元切削刀夾結(jié)構(gòu)較為復雜，所 以采用自由分網(wǎng)的方法進行網(wǎng)格劃分，使用四面體單 元。 因為網(wǎng)格密度越大，有限元計算收斂性越好，所以 在對車-車拉單元切削刀夾三維模型劃分網(wǎng)格時劃分 的較為精細， 并對側(cè)壁拐角部分進行了網(wǎng)格細分，最 小網(wǎng)格尺寸為 0.385 210 mm，如圖 4 所示。2.4 刀夾材料特性定義Z Y XZ0.00015.00030.000(

18、mm)X7.50022.500Y圖 3 刀夾三維模型Fig.3 3D model of tool holder圖 4 網(wǎng)格劃分結(jié)果Fig.4 Mesh result-176 -硬質(zhì)合金第 31 卷車-車拉單元切削刀夾使用的材料為 3Cr2Mo， 屬于模具鋼，根據(jù) GB/T1299-2000 及設計要求其化 學成分與物理特性如表 1 和表 2 所示。 并根據(jù)表中 內(nèi)容在 ANSYS 中對 車-車拉單元 切削刀夾有 限元 模型材料進行定義。3 仿真結(jié)果與分析對 現(xiàn) 有 的 車- 車 拉 單 元 切 削 刀 夾 進 行 測 量 發(fā) 現(xiàn)， 一般車-車拉單元切削刀夾的側(cè)壁厚度為 24 mm，為了獲取更為

19、詳細的實驗數(shù)據(jù)，對實驗范圍進 行適當?shù)臄U大，增大至 15 mm，即實驗中車-車拉 單元切削刀夾的側(cè)壁厚度最小值為 1 mm， 最大值 為 5 mm，最大與最小值之間每間隔 0.5 mm 取一個 實驗厚度。 因此，實驗中車-車拉單元切削刀夾側(cè)壁 厚 度 的 取 值 分 別 為 ：1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5 mm。 由于薄壁為 90 度拐角，均出現(xiàn)應力集中，所得 壁厚的應力分布如圖 5 中（a）（f）所示。 最后得到各 壁厚最大應力如表 3 所示。利用 MATLAB 對實驗數(shù)據(jù)進行多項式擬合，可 得側(cè)壁厚度 t 與拐角應力 g 之的關系 ，如式（4）所 示與圖 6 所示。g

20、=1.215t6-25.616t5+222.74t4-1022.3t3+2613.1t2-3562t+2179.5（4）若令式（4）中的 g 等于式（3） 中的 n， 則可得 到 基 于 Langer 等 式 的 車- 車 拉 單 元 切 削 刀 夾 關 于 側(cè) 壁 厚 度 t 的 壽 命 模 型 ， 如 下 （ 式 （5）、 式 （6） 和 式（7）所示：由前面的分析得出車-車拉單元切削刀夾壽命 與側(cè)壁拐角應力的平方呈反比關系，而側(cè)壁拐角應 力與側(cè)壁厚度呈反比關系， 所以可以通過側(cè)壁厚度 與側(cè)壁拐角應力的平方的關系來近似估計側(cè)壁厚度 與車-車拉單元切削刀夾壽命之間的關系如圖 7 所 示。 得

21、知側(cè)壁厚度的增加會大大提高刀夾的壽命， 另外由于車-車拉單元切削的特點得知， 但是單元 切削的特點可知隨著側(cè)壁厚度的增加， 車-車拉單 元切削模塊的有效切削長度會減小 。 由圖 8 可知 車-車拉單元切削模塊的有效切削長度 l 是有限的。 l 可以通過式（8）算得:l=L-t-c（8）其中 L 為曲軸主軸頸寬度，t 為刀夾側(cè)壁厚度，c 為刀片寬度。 由式（8）可知，隨著刀夾側(cè)壁厚度的增 加，車-車拉單元切削模塊的有效切削長度會減小。 一般而言，曲軸主軸頸的寬度為 22 mm，刀片寬度為 12 mm， 所以有效切削長度 l 與刀夾側(cè)壁厚度 t 的 關系可以用 l=10-t 表示， 在進行單元軸向

22、車削和 端面切削之前需進行一道 切槽工序 ， 槽 寬 a 一般 為 69 mm， 所以要求 l =10-t 6.5 mm， 所以 t 3.5 mm，為了平衡兩者之間的矛盾，有上面的分 析可知， 在刀夾側(cè)壁厚度設計為 33.5 mm 時，可 以在滿足有效加工長度的要求下 保證刀夾使 用壽 命。 車-車單元切削車-車拉單元切削模塊加工示 意圖如圖 8 所示。4 結(jié)語NC= 4 Eln 1- （n-W） 11-1 2（5）n=g（6）n=1.215t6-25.616t5+222.74t4-1022.3t3+2613.1t2-3562t2-3562t+2179.5（7）因素進行分析，得到以下幾點結(jié)論：

23、1） 車-車拉單元切削刀夾在正常使用過程中最 為常見的失效情況為刀夾側(cè)壁發(fā)生疲勞失效，在長表 1 3Cr2Mo 的化學成分Table 1 Chemical components of 3Cr2Mo%w(C)w(Si)w(Mn)w(P)w(S)w(Cr)w(Mo)w(Ni)0.28 0.40.2 0.80.6 1 0.03 0.031.4 20.3 0.550.85 1.15表 2 Cr2Mo 的物理特性Table 2 Physical properties of 3Cr2MoDensity/(g/cm3)Elastic modulus/GPaShear modulus/GPaPoissonsr

24、atioHardness/HRCThermal conductivity/(W/(mK)Coefficient of linearexpansion/(-1)7.312128250.28840 4536.011.910-6第 31 卷徐友錢 何 云 陳 龍 桂 松:曲軸車-車拉加工系統(tǒng)刀夾壽命分析研究-177-(a) 1 mm(b) 2 mm(c) 3 mm（d） 4 mm(e) 4.5 mm(f) 5 mm圖 5 刀夾 Von Mises 應力分布圖Fig.5 Von Mises stress distribution of tool holder表 3 有限元分析實驗結(jié)果Table 3 T

25、est result of FEM analysisSidewall thickness/mm11.522.533.544.55Corner stress/GPa406.82211.99152.88128.85109.76101.7478.46369.20558.283時間交變載荷的作用下萌生裂紋直至側(cè)壁斷裂，而 刀夾側(cè)壁容易發(fā)生疲勞失效的原因為側(cè)壁拐角處存 在應力集中，并且側(cè)壁厚度過小。2） 利用 Ansys、matlab 等軟件得到刀夾與側(cè)壁 拐角應力 g 的數(shù)學關系式，并根據(jù)兩者之間的關系 建立了基于 Langer 等式的車-車拉單元切削刀夾壽 命模型。3） 最后根據(jù)實際情況， 平衡車-

26、車拉單元切削 刀夾壽命和有效切削長度之間的矛盾，有依據(jù)的推 薦刀夾側(cè)壁的厚度為 33.5 mm。參考文獻REFERENCES1張安哥，朱成九，陳夢成. 疲勞、斷裂與損傷M. 西南交通大學出 版社，2006.Zhang Ange, Zhu Chenjiu, Chen Mengcheng. Fatigue, Fracture and DamageM. Southwest Jiaotong University, 2006: 45-49.2唐伯仁，邵關興. 600 MW 火電機組運行技術叢書汽輪機分冊M.中國電力出版社，2000：196.Tang Boren, Shao Guanxing. 600

27、MW thermal power turbine running technology series sub-volumeM. China Electric Power Press, 2000: 196. 3Adini A, Clough R W. Analysis of plate bending by the finite ele- ment methodM. University of California, 1960.4胡仁喜, 康士廷. ANSYS14.0 機械與結(jié)構(gòu)有限元分析從入門到精 Comer stress /GPal /g2-178 -硬質(zhì)合金第 31 卷450400350A

28、ctual valueFitted value 300 Y=1.2x6-26x5+2.2e+002x4-1e+003x3+2.6e003x2-3.6e+003x+2.2e+0032502001501005011.522.533.544.55Sidewall thickness /mm300250Actual valueFitted value20015010050011.522.533.544.55Sidewall thickness /mm圖 6 側(cè)壁厚度與拐角應力關系 matlab 擬合曲線 Fig. 6 Relationship of side wall thickness and co

29、rner stress圖 7 側(cè)壁厚度與刀夾壽命近似 matlab 擬合曲線 Fig.7 Approxmation relationship of side wall thickness and tool holder life2表 4 t 與 1/g 的關系gTable 4Relationship of t and 1/ 2t /mm12-61.522.533.544.551 /g (10 )6.042 222.25242.785 760.232 583.006 496.608 8162.431208.797294.385圖 8 車-車拉單元切削模塊加工示意圖 Fig.8 Sketch ma

30、p of cutting unit of turn-turn broaching process通M. 2012：2-3.Hu Renxi, Kang Shiting. ANSYS14.0 Mechanical and structural finite element analysis from entry to the masterM. 2012: 2-3.5Schroeter R B, Bastos C M, CrichignoFilho J M. Simulation of the main cutting force in Crankshaft turn broachingJ. Machine Tools & Man