基于ABAQUS 的數控車床刀具刀架的有限元分析
2016-12-7 來源：遼寧建筑職業學院機械工程 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都會影響加工精度,是機械機構設計研究時不可忽視的問題,利用有限元分析軟件ABAQUS 對在粗車時對刀具的剛度和強度進行了靜力學分析,對刀具刀架進行了模態分析,得到刀具刀架的前4 階固有頻率和振型,并驗證了刀具和刀架的設計均合理,所使用的研究方法為今后驗證類似模型驗證提供了參考依據。
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之一,在加工過程中工件及刀架系統的變形而產生的低頻振動和因頻率接近車刀的固有頻率而使車刀發生變形的高頻振動均是產生振動的原因[1] 。這會使加工精度大大降低,使加工后的工件尺寸產生較大誤差,同時也會直接影響車床的穩定性。因此有必要對刀具和刀架進行模態分析,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有限元靜力分析和模態分析,對刀具的剛度和強度進行分析,同時找出刀具刀架的共振頻率,并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
對工件加工的過程中,刀具質量和性能的優劣對工件的加工精度有著十分重要的影響。這樣對刀具的分析則顯得十分必要。接下來就以車刀為例,使ABAQUS 軟件對車刀進行靜力分析和模態分析,獲得車刀受力后的參數、固有頻率和振型,并對結果進行分析和驗證。
1. 1 車刀選擇
本次選用的數控車刀為55°的偏刀,其組成為可轉位刀片,刀桿和螺釘,并使用Pro/ E 軟件完成了對刀具的建模,車刀的組裝圖如圖1 所示。該車刀的主要物理特性參數如表1 所示,其中刀桿材料為鋼,可轉位刀片材料為WC 硬質合金。
表1 可轉位車刀主要的物理參數表
1. 2 模型導入
為了避免在模型導入后的網格劃分階段出現問題,需要對車刀模型進行簡化,將其上面所有的倒圓角去掉,并且將螺釘部分進行省略,簡化之后的車刀模型如圖2 所示。簡化后將其保存成Parasolid(?. x_t)格式,以備后續調用。
1. 3 網格劃分
對車刀的網格劃分使用四面體單元來進行劃分。在劃分的過程中,主要受力部分的網格需要對其進行詳細劃分,由于刀尖受力較復雜且為了今后能夠更好的對其進行分析,所以刀尖部分的網格劃分需要十分詳細。由于刀桿部分是固定的,受力相對簡單,且考慮到應盡量的節省計算機的資源,所以在對刀桿部分簡化處理,這樣完成整體網格劃分的刀具如圖3。
1. 4 刀具受力分析
在車削加工工件的過程中,車刀主要受兩種外力:第一種是在生成切屑的過程中,所發生的彈性和及塑性變形對車刀所產生的抗力,第二種是切屑和工件表面對車刀的阻力,它作用在前刀面和后刀面上,但是對于尖銳的刀具來說,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] ,所以在大切深的時候,可近似的認為前刀面的作用力約等于切削力。車削時刀具受力分析如圖4 所示[4] 。
在車削過程中,考慮到低轉速,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進行分析,粗車時相關參數如表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 粗車時的各項參數
1. 5 結果分析
通過ABAQUS 軟件分析可知在粗車的工況下:粗車的靜態分析刀尖處是應力、應變最集中地地方,同時發生位移也最大,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,在粗車時最大位移和最大應力均發生在刀尖處,應力值為4 984 MPa,已經非常接近5 460 MPa,但在其允許范圍內。最大位移為0. 166 2 mm,位移量也十分微小,而應變為0.013 66,非常微小可以忽略不計,所車刀是合格的。
圖5 車刀各項分析結果
通過本次分析可以看到,當粗車時如果一些參數沒有調整好,很可能會發生刀具破壞即崩刀現象,這與實際的加工情況吻合,所以在進行粗車時進給量不應過大,以避免出現崩刀現象,從而影響加工。
模態分析理論
假設結構的自由度為N,則結構的其矩陣形式如下所示[5-8] :
2.刀具刀架的有限元模態分析
2. 1 刀具刀架三維模型的建立
刀具刀架可看做是一個系統的模態分析,主要任務是計算其固有頻率和振型,由于刀具刀架零件比較復雜,適當的處理簡化可以減少計算機運算資源,因此在進行模態分析前對刀具刀架零件模型進行了相應的簡化處理,將刀具刀架三維模型導入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
接下來使用ABAQUS 軟件來模擬所建立的刀具刀架模型的模態分析,在屬性中將刀頭、刀桿和刀架的各項物理特性(如密度、彈性模量和泊松比等)如表3 所列,并參數輸入到屬性里。
表3 刀具刀架主要的物理參數表
對刀具刀架的三維模型進行網格劃分,選用四面體單元來對主軸進行網格劃分,在進行網格劃分的過程中,一些關鍵的地方需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加貼切。在加工過程中,刀具的刀尖部分受力是最主要的,所以需要更加詳細的來進行劃分,刀架頂部的屬于非受力和變形區域,所以網格可劃分密度較低,劃分完畢的刀具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,在對其進行受力分析的過程中,在刀架的底部施加邊界條件,對其進行約束,以模擬真實加工中的載荷情況。分析完畢后,取前4 階結果,如表4。經過分析計算后,所得前4 階的振型圖如圖8。
表4 刀具刀架分析結果
通過對以上的頻率進行分析,在第1 階和第2階,刀具的獨立振動較大,從第3 階開始刀具和刀架均發生比較大的振動,所以在對其進行模態分析的時候,首先分析較低階的模態。已知轉速與頻率的關系為:n =60 f,式中,n 為轉速,f 為頻率。處于對安全性能考慮,要求刀具和刀架的最高轉速應低于1 階臨界轉速的75%。從表4 中可得,其1 階的臨界轉速的75%為60×247. 51×0. 75 =11 137. 95 r/ min,而本車床最高轉速為2 500 r/ min,遠遠低于1 階的臨界轉速,說明刀具刀架的設計也是合理的,并能夠避開共振區,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 軟件對刀具進行靜力分析,通過刀具的應力、應變和位移云圖的分析對其剛度和強度進行了驗證,同時又對刀具刀架進行了模態分析,計算了刀具刀架的固有頻率和振型, 并通過對固有頻率和振型的分析, 得到了刀架系統在切削過程中容易發生共振的頻率范圍,同時也驗證了原有的刀具刀架設計的合理性,為今后進一步的動力學研究提供了依據。
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