正交切削刀具应力的有限元分析

AeronauticalComputingTechnique

Vol.38No.1Jan.2008

正交切削刀具应力的有限元分析

李海宁,单晨伟,蔺小军

1

2

2

(1.西安航空发动机(集团)有限公司,陕西西安710021;

2.西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室,陕西西安710072)

摘　要:应用有限元方法计算了正交切削刀具的应力。对正剪切和负剪切的应力分布进行了比较,分析了负剪切易引起刀具破损的原因;对刀具前角分别为0°、10°、15°时的等效应力进行了对比,分析了刀具前角变化对刀具强度的影响。关键词:有限元;正交切削;刀具;应力

中图分类号:O242.21　　　　文献标识码:A　　　　文章编号:1671Ο654X(2008)01Ο0016Ο03

引言

金属切削加工,是为了保证零件高质量和提高劳动生产率所广泛采用的工艺过程。为了生产出低成本、高质量的产品,各个厂家纷纷使用各种类型的数控机床、加工中心等高新设备。它们的使用效果,与刀具工作的可靠性有密切的关系。金属加工企业的统计资料表明,大约30～50%的刀具,特别是硬质合金刀具,是由于破损而导致不能继续使用。况且由于刀具的破损会造成零件报废,直接影响产品的成本。所以对刀具的破损作出准确的预测显得尤为重要。

分析计算刀具的应力分布就成为了一个重要的研究课题。由于金属切削过程的复杂性,一般都从正交切削入手,然后扩大到非正交切削。本文应用有限元方法对正交切削刀具的应力进行了分析。

[1]

L=l1+l2(2)

根据参考资料[3],在这里假设l1=l2。1.2　前刀面和后刀面上的主应力、剪应力分布

根据Primos、Kathwinkel和Wright等人的研究结果

[3]

(如图1所示):

图1　前、后刀面主应力、剪应力分布

1　有限元分析初始条件的确定

1.1　刀-屑接触长度L的确定

前刀面上最大正应力在刀刃处,正应力在刀-屑接触长度范围内由最大值σmr线性减小到零,在刀-屑分离点处以后正应力为零;

前刀面上的剪应力在紧密型接触区长度l1内保持不变,而且为最大值。在峰点型接触长度l2内线性减小,在刀-屑分离点处以后剪应力为0;

后刀面上的正应力和剪应力与刀具的磨损有关。如有磨损,正应力和剪应力在刀刃处最大,在磨损范围内线性减小到0。

前刀面和后刀面上的最大正应力、剪应力分别按(4)、(5)、(6)来计算[3]:照公式(3)、

2Fz

σmr=awL

刀-屑接触长度L对切削过程有很大影响。对接触长度产生影响的因素比较多,其中切削速度、刀具前角、切削厚度、润滑剂等因素的影响,已经有了研究成果。在这里采用中山一雄计算接触长度的实验公式来计算。式中ac为切削厚度,km为外观接触长度和理论接触长度之比。

acsin(<+β+γ)

(1)L=km

βsin刀-屑接触长度L等于紧密型接触区长度l1和峰点型接触长度l2之和,即

　收稿日期:2007Ο12Ο02　　　修订日期:2007Ο12Ο25

[2]

(3)

　作者简介:李海宁(1961-),男,陕西扶风人,研究员,研究方向为机械电子工程,企业生产管理。

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2008年1月李海宁等:正交切削刀具应力的有限元分析　　　　　・17・

τ　　mr=2Fx

θcos・(1+l1/L)・awL

(4)(5)(6)

σmr=2Fy/A

τμFy/Amr=2

式中:Fz、Fy、Fx分别为主切削力、切深抗力、进给抗力;aw为切削宽度;L为刀-屑接触长度;L1为刀-屑紧密型接触区长度;θ为切屑流出方向;μ为后刀面上的摩擦系数;A为后刀面的磨损面积。

在切削刃附近最大,压应力最大值达到1.286GP。离切削刃越远,压应力值越小。由于切削刃附近的最大主应力和最小主应力相差甚大,使切削刃附近作用的最大剪应力值很大。图5表示的是最大剪应力(刀具

),切削刃附近可达402MP。前角γO=0°

2　模型的建立

刀具在切削加工时,是一个复杂的三维问题,为了便于计算和分析,在这里只讨论正交切削,而且限制在

二维。刀具在使用中既有弹性变形,又有塑性变形。由于切削温度较高,在高温作用下,刀具材料的物理机械性能参数,如弹性模量E、导热系数α、强度极限σb、屈服极限σs等会有较大得变化,从而影响刀具的强度。为了简化计算,在用有限元分析正交切削刀具的应力时做了以下假设:1)刀具材料连续、均匀,具有各项同性;

2)刀具受力变形模型为理想弹塑性线性强化模型;3)刀具材料的屈服满足米赛斯屈服准则。

图2　等效应力分布图

图3　最大主应力分布图

3　计算结果和分析

3.1　计算条件

刀具采用硬质合金焊接车刀,刀片材料为YT15

3

(密度ρ:14.3e+3kg/m,泊松比μ:0.21,弹性模量E:620GP,抗弯强度:1500MP,抗压强度:3500MP),刀杆为中碳钢。刀具后角α,主偏角К,刃倾角O=8°r=45°λs=0°。切削速度V=1.67m/s,走刀量f=0.47mm/r,切削深度ap=3.4mm,切削宽度aw=2mm。工件材料为中碳钢。刀具后刀面有磨损VB=0.2mm。按照正常切削加工状态,前刀面上有主切削力和刀屑的摩擦力(方向指向刀具根部),后刀面上有进给力和摩擦力(方向指向刀具的下方)。3.2　计算结果与分析3.2.1　正剪切切削

)的等效应力计算的刀头部分(刀具前角γO=0°

如图2,在刀刃处等效应力最大,达到1.263GP,在刀刃

　　图4　最小主应力分布图　图5　最大剪应力分布图

3.2.2　负剪切切削

刀具在切削加工时,在切出的瞬间,当切到工件的末端时,常常会将工件多切去一些,使工件形成一个倒角。在这种情况下,刀具往往容易破损。这是由于负剪切的缘故。当刀具快到达切出边时,剪切方向已由原来的从切削刃向加工方向向待加工表面方向,转成从切削刃向工件深处的方向,即从正剪切转成了负剪切。当发生负剪切时,剪切方向和切屑流出方向随之改变,前刀面受主切削力和摩擦力,但摩擦力的方向由指向刀具根部改变为指向刀刃,后刀面则不受力。图

)负剪切获得的最大6是模拟刀具(刀具前角γO=0°主应力分布图。从图中可以看出,最大拉应力的值达到了1.491GP,其位置更加接近刀刃。而正常切削加

工时仅仅只有375MP。从这里就可以解释为什么负剪切时容易引起刀具刀刃的破损。

附近发生塑性破损的可能性最大。离切削刃越远,等

)最大效应力的值越小。刀头部分(刀具前角γO=0°

主应力分布图如图3,从图中可以看到,刀刃部分没有拉应力,最大拉应力出现在距刀刃有两个刀屑接触长度L的地方。最大值为375MP,远低于硬质合金的抗弯强度,可见在稳定的切削加工过程中,很难发生脆性

),破损。图4表示的是最小主应力(刀具前角γO=0°

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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　航空计算技术　　　　　　　　　　　　　　　第38卷・18・第1期

都会影响刀具的强度。可见,有限元法可以确定刀具

的合理前角。参考文献:

[1]　BA奥斯塔费耶夫.刀具动态强度计算[M].北京:机械

工业出版社,1982.

图6　最大主应力分布图

[2]　中山一雄.金属切削加工理论[M].北京:机械工业出版

社,1982.

[3]　Younis.MechanicalandThermalStressesinClamped,Brazed

andBondedCarbideTools[J].JournalofEngineeringforin2dustry,1992,114Ο337.

[4]　BertJShih.FiniteElementAnalysistheRakeAngelEffects

inOrthogonalMetalCutting[J].J.Mech.Sci.1996,38(1).[5]　Tyan,WeiHang.AnalysisofOrthogonalMetalCutting

Processes[J].InternationalJournalforNumberMethodsinEngineering,1992,34:365-389.

[6]　ErtJShih,HenryTYYang.ExperimentalandFiniteEle2

mentPredictionsofResidualStressesDuetoOrthogonalMet2alCutting[J].InternationalJournalfornumbericalMethodsinEngineering.1993,36:1487-1570.

[7]　JShih.FiniteElementSimulationofOrthogonalMetalCutting

[J].TransationsoftheASME,1995,84:117.

[8]　KomvopoulosSAErpenbeck.FiniteElementModelingofOr2

thogonalMetalCutting[J].JournalofEngineeringforindus2tryAUGUST,1991,113:253.

[9]　TlustyZMasood.ChippingandBreakageofCarbideTools

[J].JournalofEngineeringforindustry,1978,100:403.[10]　StrenkowskiJT.Carroll,lll,AfiniteelementModelofOr2

thogonalMetalCutting[J].JournalofEngineeringforIn2dustry,NOVERMBER,1985,107:349.

　图7　前角γ时等效　图8　前角γ时等效O=10°O=15°　　　　应力分布图　　　　　　　　应力分布图刀具前角γ0刀刃部分最大等效应力(MP)0°126310°15°

8841350

3.2.3　刀具前角变化对刀具强度的影响

(其它图7和图8是刀具前角γ、15°O分别为10°

条件和图2一样)时计算的等效应力。下表列出了γO分别为0°、10°、15°时计算的刀刃部分最大等效应力值。从表中可以看出,当γ时,在临近切削刃处O=15°其等效应力最大,达到1350MP。当γ时,等效O=10°应力最小,为884MP。而当γ时,其等效应力介O=0°

于两者之间。从中可以发现,刀具的前角过大或过小,

AnalyzingStressesofOrthogonalMetalCuttingToolbyFEM

LIHaiΟning,SHANChenΟwei,LINXiaoΟjun

1

2

2

(1.Xi′anAeroΟengine(Group)LTD,Xi′an710021,China;

2.TheKeyLaboratoryofContemporaryDesignandIntegratedManufacturingTechnologyof

MinistryofEducation,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi′an710072,China)

Abstract:ThestressesoforthogonalmetalcuttingtoolareestimatedbyusingFEM.Thecalculatedstressesincuttingtoolandtherelationbetweenstressesandbreakagearediscussed.Thispapergivesadetailedanalysisofthereasonwhythecuttingtoolworkinginnegativelyshearedcuttingconditioniseasytocausechippingandbreakage.Therakeangleeffectstotoolstrengthincuttingprocessesarealsoanalyzedinparticular.

Keywords:FEM;orthogonalmetalcutting;cuttingtool;stress

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