基於（yú）ABAQUS 的數（shù）控車床刀具刀架的有限元分析
2016-12-7 來（lái）源：遼寧建築職業學院機械工程 作者：紀海峰
摘 要:在切削加工中,刀具的剛度、強度以及產生的共振等問題（tí）都會影響加工精度,是機（jī）械機構設（shè）計研究時不可忽視的問題,利用有限元分析軟件（jiàn）ABAQUS 對在粗車時對刀具的剛度和強度進行了（le）靜力學分析,對刀具刀架進行了模態分析,得到刀具（jù）刀架（jià）的前4 階固有頻率和振型,並驗證了刀（dāo）具和刀架的設計均合理（lǐ）,所使用的研究方法為今後（hòu）驗證類似模型驗（yàn）證提（tí）供了（le）參考依據。
關鍵詞:數控車床;刀具刀架;ABAQUS;有限元分析
0.引 言
在車削加工中,刀具的剛度和強度是保證加工精度的重要原因（yīn）之一,在加工過程中工件及刀架係統的變形而（ér）產生的低（dī）頻振動和因頻率接近車（chē）刀的固有頻率而使車刀發（fā）生變形的高頻（pín）振動均是產生振動的原因（yīn）[1] 。這會使加工精度大大降低,使加工後的工件尺寸產生較大誤差,同時也會直接影響車床的穩（wěn）定性（xìng）。因此有必要對刀具和刀（dāo）架進行模態分（fèn）析,從而加深對其動態特性的進一步了解。
筆者主要以CAK40100 數控車床（chuáng）上的刀具刀架為研究對象,通過使用ABAQUS 軟件對刀具刀架進行（háng）有限元靜力分析和模態分析,對刀具的剛（gāng）度和強度進（jìn）行分析,同時找出刀具刀架的共振頻（pín）率（lǜ）,並通過機床的共振頻率來對結果加以驗證。
1.車刀有限元靜力分析
對工件加工的過（guò）程中,刀具質量和性能的優劣對工件（jiàn）的加工精度有著（zhe）十分重要的影（yǐng）響。這樣對刀（dāo）具的分析則（zé）顯得十分必要。接下來就以車刀為例,使ABAQUS 軟件對車刀（dāo）進（jìn）行靜力分析和模態分析,獲得車（chē）刀受力後的參數（shù）、固有頻（pín）率（lǜ）和振型,並對結果進行分析和驗證。
1. 1 車刀選擇（zé）
本（běn）次選（xuǎn）用的數控車刀為55°的偏刀,其組成為可轉位刀片,刀杆和（hé）螺釘,並使用Pro/ E 軟件完成了對（duì）刀具的建模（mó）,車刀（dāo）的組裝圖如圖1 所示。該（gāi）車刀的主要物理特性參（cān）數如表1 所示,其中（zhōng）刀杆材料為鋼,可轉（zhuǎn）位刀片材料為WC 硬質合金。
表1 可轉位（wèi）車刀主要的（de）物（wù）理參數（shù）表
1. 2 模型導入
為了避免在模型導入後的網格劃分階段出現（xiàn）問題,需要對車刀模型進行簡化,將其上麵所有的倒圓角去掉,並且將螺釘部（bù）分進（jìn）行省略,簡化之後的車刀模型如圖2 所示。簡化後將其保存成Parasolid(?. x_t)格式,以備後（hòu）續調用（yòng）。
1. 3 網格劃分
對車刀的（de）網格（gé）劃分使用四麵體單元來（lái）進行劃分（fèn）。在劃分的過程中,主要受力部分的網格（gé）需（xū）要（yào）對其（qí）進行（háng）詳細劃分,由於刀尖受力較複雜且為了今後能夠更好的對（duì）其進行（háng）分析,所以刀尖部分的網格劃分需要十分詳細。由於刀杆部（bù）分是固定的,受力相對簡單,且考（kǎo）慮到應盡量的節（jiē）省計算機的資源,所以在對刀杆部分簡化處理,這樣完成整體網格劃分的刀具如圖3。
1. 4 刀具（jù）受力分析（xī）
在車削加（jiā）工工件（jiàn）的過程中（zhōng）,車刀（dāo）主要受兩種外（wài）力:第一種是在生成切屑的過程中（zhōng）,所發生的（de）彈性和及塑（sù）性變形對車刀所產生的（de）抗力,第二種是切屑和工件（jiàn）表麵對車刀的阻力,它作用在前刀麵和後（hòu）刀麵上,但是對於尖銳的刀具來說,作用在前刀（dāo）麵的切削力是主要的（de）,作用在後刀麵的力所占的（de）比例很小[3] ,所以在大切深的時候,可近似的認為（wéi）前（qián）刀麵的作用力約等於切削力。車削時刀具（jù）受力分析如圖4 所示[4] 。
在車削過程中,考慮到低轉（zhuǎn）速,大（dà）切深的情況下是切削力最大的（de）極限工況,所以選擇粗車的情況來進行分析,粗車（chē）時相關參數如表2。由於模擬的是刀具所受的軸向力最大的極限（xiàn）情況（kuàng）,所以刀具主要受軸向（xiàng）力（lì）作用,即刀杆固（gù）定,刀尖處主要施加軸向載（zǎi）荷（hé）。
表2 粗車時（shí）的各項（xiàng）參（cān）數
1. 5 結果分析（xī）
通過ABAQUS 軟件分析可知在粗車的（de）工況下（xià）:粗車的靜態分析刀尖處是應力、應（yīng）變最集中地地方,同時發生（shēng）位移（yí）也最大,其最大應力為4. 984e+3 MPa,即4 984 MPa;最大位移量為1. 662e-01 mm,即（jí）0.166 2 mm;最大應變1. 366e-02,車刀各項分析結果如圖5 所示。從分析結果可看出,在粗車時最大位（wèi）移和最大應力均發生在刀尖處（chù）,應力值為（wéi）4 984 MPa,已經非常接近5 460 MPa,但在其允許範圍內。最大位移（yí）為0. 166 2 mm,位移量也十分微（wēi）小,而（ér）應變（biàn）為0.013 66,非常微（wēi）小可以（yǐ）忽略不計,所車（chē）刀（dāo）是合格（gé）的。
圖5 車刀各項分析結果
通過本次（cì）分析可以看到,當粗車時如（rú）果一些參（cān）數沒有調整好（hǎo）,很可能會發（fā）生刀具破壞即崩刀現象,這與實（shí）際的（de）加工（gōng）情況吻合,所以（yǐ）在（zài）進行粗車時進給量不（bú）應過大（dà）,以避（bì）免出現崩刀現象（xiàng）,從而影響加工。
模（mó）態分析理（lǐ）論（lùn）
假設結構的自由（yóu）度為N,則結構的其矩陣形式如下所示[5-8] :
2.刀具刀架的（de）有限元（yuán）模態分析（xī）
2. 1 刀具刀（dāo）架三（sān）維模型的建立
刀具刀架可看做是一（yī）個係統的模態分析（xī）,主要任務是計算其固有（yǒu）頻率和振（zhèn）型,由於刀具刀架零件比較複雜,適當的處理簡化可以（yǐ）減少計算機（jī）運算資（zī）源,因此在進行模態分析前對刀具刀（dāo）架（jià）零（líng）件模（mó）型進行了相應的（de）簡化（huà）處理,將刀具刀架（jià）三維模型導入ABAQUS軟件後生成的刀具和刀架模（mó）型如圖6 所示（shì）。
2. 2 刀（dāo）具刀架有限元模型的建立
接下來使用ABAQUS 軟件來模擬所建立的刀（dāo）具（jù）刀架模型的模態分析,在（zài）屬性中將刀頭、刀杆和刀（dāo）架（jià）的各項物理特性(如密度（dù）、彈性模量和泊鬆（sōng）比等)如表3 所列,並參數輸入到屬性裏。
表（biǎo）3 刀具刀架主要（yào）的（de）物（wù）理參數表
對刀具刀架的三維模型進行網格劃分,選用四麵體單元來對主軸進（jìn）行網格劃分,在進行網格劃分的過程中,一些關鍵的地方需（xū）要進行更加細致的網格劃分,這樣才能將分析的結果與真實加工的情況更（gèng）加貼切。在加工過程中,刀具的刀尖部分受力是（shì）最主要的,所以（yǐ）需要更加詳（xiáng）細的來進行（háng）劃分,刀架頂部的屬於非受（shòu）力和變形區域,所以網格可劃分密度較低,劃分完（wán）畢的（de）刀具（jù）和刀架的網格劃分模型如圖7 所示。
3.刀具刀架的有限元模（mó）態分析
對刀具刀架進行模態分析,為了與實際的加工工況相一致（zhì）,在對其進行受力分（fèn）析的過程（chéng）中,在刀架的底部施加邊（biān）界條件,對其進行（háng）約束,以模擬真實加工中的載荷情況。分析完畢後,取前4 階結果,如表（biǎo）4。經過分析計算後,所得前4 階的振型（xíng）圖如圖8。
表4 刀（dāo）具刀架分析結果
通過對以上的頻率（lǜ）進行分析,在第1 階和第（dì）2階,刀具的獨（dú）立振動較大,從第3 階開始刀（dāo）具（jù）和刀架（jià）均發生比（bǐ）較大的（de）振（zhèn）動,所以在對其進行模態分析的時候,首先分析較低階（jiē）的模態（tài）。已知轉速與頻率的（de）關係（xì）為:n =60 f,式中,n 為轉速,f 為（wéi）頻率。處於對安全性能考（kǎo）慮,要求刀具（jù）和刀架的最高轉速應低於1 階臨界轉（zhuǎn）速的75%。從表（biǎo）4 中可得（dé）,其1 階的臨界轉速的75%為60×247. 51×0. 75 =11 137. 95 r/ min,而本車床最高轉速（sù）為2 500 r/ min,遠（yuǎn）遠低於1 階的臨（lín）界轉速,說明刀具（jù）刀架的設計也（yě）是合理的,並（bìng）能夠避開共振區（qū）,保證加工精度。
圖8 前4 階各階的陣型圖
4.結論
介紹了使用ABAQUS 軟（ruǎn）件對刀具進行靜力分析,通過刀具的應力、應變和位移雲圖的分析對其剛（gāng）度和強度進行了驗證,同時又對刀具刀架進行（háng）了模態分析,計算了刀具（jù）刀架（jià）的固有頻率和振型, 並（bìng）通過對固有頻（pín）率和振型的分析, 得到（dào）了刀（dāo）架係（xì）統在切削過程中容易發生共振的頻率範（fàn）圍,同時也驗證了原有的刀具刀架（jià）設計的合（hé）理性,為今後進一步的動力學（xué）研究提供了依據。
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