基于ABAQUS 的數(shù)控車床刀具刀架的有限元分析
2016-12-7 來(lái)源：遼寧建筑職業(yè)學(xué)院機(jī)械工程 作者：紀(jì)海峰
摘 要:在切削加工中,刀具的剛度、強(qiáng)度以及產(chǎn)生的共振等問(wèn)題都會(huì)影響加工精度,是機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)研究時(shí)不可忽視的問(wèn)題,利用有限元分析軟件ABAQUS 對(duì)在粗車時(shí)對(duì)刀具的剛度和強(qiáng)度進(jìn)行了靜力學(xué)分析,對(duì)刀具刀架進(jìn)行了模態(tài)分析,得到刀具刀架的前4 階固有頻率和振型,并驗(yàn)證了刀具和刀架的設(shè)計(jì)均合理,所使用的研究方法為今后驗(yàn)證類似模型驗(yàn)證提供了參考依據(jù)。
關(guān)鍵詞:數(shù)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(qiáng)度是保證加工精度的重要原因之一,在加工過(guò)程中工件及刀架系統(tǒng)的變形而產(chǎn)生的低頻振動(dòng)和因頻率接近車刀的固有頻率而使車刀發(fā)生變形的高頻振動(dòng)均是產(chǎn)生振動(dòng)的原因[1] 。這會(huì)使加工精度大大降低,使加工后的工件尺寸產(chǎn)生較大誤差,同時(shí)也會(huì)直接影響車床的穩(wěn)定性。因此有必要對(duì)刀具和刀架進(jìn)行模態(tài)分析,從而加深對(duì)其動(dòng)態(tài)特性的進(jìn)一步了解。
筆者主要以CAK40100 數(shù)控車床上的刀具刀架為研究對(duì)象,通過(guò)使用ABAQUS 軟件對(duì)刀具刀架進(jìn)行有限元靜力分析和模態(tài)分析,對(duì)刀具的剛度和強(qiáng)度進(jìn)行分析,同時(shí)找出刀具刀架的共振頻率,并通過(guò)機(jī)床的共振頻率來(lái)對(duì)結(jié)果加以驗(yàn)證。
1.車刀有限元靜力分析
對(duì)工件加工的過(guò)程中,刀具質(zhì)量和性能的優(yōu)劣對(duì)工件的加工精度有著十分重要的影響。這樣對(duì)刀具的分析則顯得十分必要。接下來(lái)就以車刀為例,使ABAQUS 軟件對(duì)車刀進(jìn)行靜力分析和模態(tài)分析,獲得車刀受力后的參數(shù)、固有頻率和振型,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析和驗(yàn)證。
1. 1 車刀選擇
本次選用的數(shù)控車刀為55°的偏刀,其組成為可轉(zhuǎn)位刀片,刀桿和螺釘,并使用Pro/ E 軟件完成了對(duì)刀具的建模,車刀的組裝圖如圖1 所示。該車刀的主要物理特性參數(shù)如表1 所示,其中刀桿材料為鋼,可轉(zhuǎn)位刀片材料為WC 硬質(zhì)合金。
表1 可轉(zhuǎn)位車刀主要的物理參數(shù)表
1. 2 模型導(dǎo)入
為了避免在模型導(dǎo)入后的網(wǎng)格劃分階段出現(xiàn)問(wèn)題,需要對(duì)車刀模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,將其上面所有的倒圓角去掉,并且將螺釘部分進(jìn)行省略,簡(jiǎn)化之后的車刀模型如圖2 所示。簡(jiǎn)化后將其保存成Parasolid(?. x_t)格式,以備后續(xù)調(diào)用。
1. 3 網(wǎng)格劃分
對(duì)車刀的網(wǎng)格劃分使用四面體單元來(lái)進(jìn)行劃分。在劃分的過(guò)程中,主要受力部分的網(wǎng)格需要對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)劃分,由于刀尖受力較復(fù)雜且為了今后能夠更好的對(duì)其進(jìn)行分析,所以刀尖部分的網(wǎng)格劃分需要十分詳細(xì)。由于刀桿部分是固定的,受力相對(duì)簡(jiǎn)單,且考慮到應(yīng)盡量的節(jié)省計(jì)算機(jī)的資源,所以在對(duì)刀桿部分簡(jiǎn)化處理,這樣完成整體網(wǎng)格劃分的刀具如圖3。
1. 4 刀具受力分析
在車削加工工件的過(guò)程中,車刀主要受兩種外力:第一種是在生成切屑的過(guò)程中,所發(fā)生的彈性和及塑性變形對(duì)車刀所產(chǎn)生的抗力,第二種是切屑和工件表面對(duì)車刀的阻力,它作用在前刀面和后刀面上,但是對(duì)于尖銳的刀具來(lái)說(shuō),作用在前刀面的切削力是主要的,作用在后刀面的力所占的比例很小[3] ,所以在大切深的時(shí)候,可近似的認(rèn)為前刀面的作用力約等于切削力。車削時(shí)刀具受力分析如圖4 所示[4] 。
在車削過(guò)程中,考慮到低轉(zhuǎn)速,大切深的情況下是切削力最大的極限工況,所以選擇粗車的情況來(lái)進(jìn)行分析,粗車時(shí)相關(guān)參數(shù)如表2。由于模擬的是刀具所受的軸向力最大的極限情況,所以刀具主要受軸向力作用,即刀桿固定,刀尖處主要施加軸向載荷。
表2 粗車時(shí)的各項(xiàng)參數(shù)
1. 5 結(jié)果分析
通過(guò)ABAQUS 軟件分析可知在粗車的工況下:粗車的靜態(tài)分析刀尖處是應(yīng)力、應(yīng)變最集中地地方,同時(shí)發(fā)生位移也最大,其最大應(yīng)力為4. 984e+3 MPa,即4 984 MPa;最大位移量為1. 662e-01 mm,即0.166 2 mm;最大應(yīng)變1. 366e-02,車刀各項(xiàng)分析結(jié)果如圖5 所示。從分析結(jié)果可看出,在粗車時(shí)最大位移和最大應(yīng)力均發(fā)生在刀尖處,應(yīng)力值為4 984 MPa,已經(jīng)非常接近5 460 MPa,但在其允許范圍內(nèi)。最大位移為0. 166 2 mm,位移量也十分微小,而應(yīng)變?yōu)?.013 66,非常微小可以忽略不計(jì),所車刀是合格的。
圖5 車刀各項(xiàng)分析結(jié)果
通過(guò)本次分析可以看到,當(dāng)粗車時(shí)如果一些參數(shù)沒有調(diào)整好,很可能會(huì)發(fā)生刀具破壞即崩刀現(xiàn)象,這與實(shí)際的加工情況吻合,所以在進(jìn)行粗車時(shí)進(jìn)給量不應(yīng)過(guò)大,以避免出現(xiàn)崩刀現(xiàn)象,從而影響加工。
模態(tài)分析理論
假設(shè)結(jié)構(gòu)的自由度為N,則結(jié)構(gòu)的其矩陣形式如下所示[5-8] :
2.刀具刀架的有限元模態(tài)分析
2. 1 刀具刀架三維模型的建立
刀具刀架可看做是一個(gè)系統(tǒng)的模態(tài)分析,主要任務(wù)是計(jì)算其固有頻率和振型,由于刀具刀架零件比較復(fù)雜,適當(dāng)?shù)奶幚砗?jiǎn)化可以減少計(jì)算機(jī)運(yùn)算資源,因此在進(jìn)行模態(tài)分析前對(duì)刀具刀架零件模型進(jìn)行了相應(yīng)的簡(jiǎn)化處理,將刀具刀架三維模型導(dǎo)入ABAQUS軟件后生成的刀具和刀架模型如圖6 所示。
2. 2 刀具刀架有限元模型的建立
接下來(lái)使用ABAQUS 軟件來(lái)模擬所建立的刀具刀架模型的模態(tài)分析,在屬性中將刀頭、刀桿和刀架的各項(xiàng)物理特性(如密度、彈性模量和泊松比等)如表3 所列,并參數(shù)輸入到屬性里。
表3 刀具刀架主要的物理參數(shù)表
對(duì)刀具刀架的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,選用四面體單元來(lái)對(duì)主軸進(jìn)行網(wǎng)格劃分,在進(jìn)行網(wǎng)格劃分的過(guò)程中,一些關(guān)鍵的地方需要進(jìn)行更加細(xì)致的網(wǎng)格劃分,這樣才能將分析的結(jié)果與真實(shí)加工的情況更加貼切。在加工過(guò)程中,刀具的刀尖部分受力是最主要的,所以需要更加詳細(xì)的來(lái)進(jìn)行劃分,刀架頂部的屬于非受力和變形區(qū)域,所以網(wǎng)格可劃分密度較低,劃分完畢的刀具和刀架的網(wǎng)格劃分模型如圖7 所示。
3.刀具刀架的有限元模態(tài)分析
對(duì)刀具刀架進(jìn)行模態(tài)分析,為了與實(shí)際的加工工況相一致,在對(duì)其進(jìn)行受力分析的過(guò)程中,在刀架的底部施加邊界條件,對(duì)其進(jìn)行約束,以模擬真實(shí)加工中的載荷情況。分析完畢后,取前4 階結(jié)果,如表4。經(jīng)過(guò)分析計(jì)算后,所得前4 階的振型圖如圖8。
表4 刀具刀架分析結(jié)果
通過(guò)對(duì)以上的頻率進(jìn)行分析,在第1 階和第2階,刀具的獨(dú)立振動(dòng)較大,從第3 階開始刀具和刀架均發(fā)生比較大的振動(dòng),所以在對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析的時(shí)候,首先分析較低階的模態(tài)。已知轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系為:n =60 f,式中,n 為轉(zhuǎn)速,f 為頻率。處于對(duì)安全性能考慮,要求刀具和刀架的最高轉(zhuǎn)速應(yīng)低于1 階臨界轉(zhuǎn)速的75%。從表4 中可得,其1 階的臨界轉(zhuǎn)速的75%為60×247. 51×0. 75 =11 137. 95 r/ min,而本車床最高轉(zhuǎn)速為2 500 r/ min,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于1 階的臨界轉(zhuǎn)速,說(shuō)明刀具刀架的設(shè)計(jì)也是合理的,并能夠避開共振區(qū),保證加工精度。
圖8 前4 階各階的陣型圖
4.結(jié)論
介紹了使用ABAQUS 軟件對(duì)刀具進(jìn)行靜力分析,通過(guò)刀具的應(yīng)力、應(yīng)變和位移云圖的分析對(duì)其剛度和強(qiáng)度進(jìn)行了驗(yàn)證,同時(shí)又對(duì)刀具刀架進(jìn)行了模態(tài)分析,計(jì)算了刀具刀架的固有頻率和振型, 并通過(guò)對(duì)固有頻率和振型的分析, 得到了刀架系統(tǒng)在切削過(guò)程中容易發(fā)生共振的頻率范圍,同時(shí)也驗(yàn)證了原有的刀具刀架設(shè)計(jì)的合理性,為今后進(jìn)一步的動(dòng)力學(xué)研究提供了依據(jù)。
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