【文章內(nèi)容簡介】 的刀桿材料是瑞典SS2230鋼。刀桿的材料性能，彈性模量E=210Gpa，泊松比v=，屈服強度y=1350Mpa，密度P=7850kg／m3。本算例中選用45鋼，其截面形狀為矩形截面，寬H、高B的尺寸分別為25Xm、20X m。刀桿的長度為125m。假定與限制：做一些假定與限制能夠盡可能的簡化有限元模型和縮短解題時間。(1)刀片和刀具的幾何外形上所有的細小棱條和槽以及微小距離都被忽略(2)裝夾部分被認為是刀具和刀片產(chǎn)生的作削力：(3)假定在靜態(tài)條件下，沒有振動：(4)在刀片和刀槽之間沿著接觸線的二維接觸寬度假定為1mm。 建立模型在ANSYS里直接建模，其方法就是在ANSYN的前處理程序中直接定義每個節(jié)點的位置以及單兒的大小、形狀和連通性來創(chuàng)建有限元模型。節(jié)點用來定義單元在空間的位置，單元定義了模型的連接性。 載荷條件在刀片和刀桿之間有三種負載，兩種機械載荷、一種熱載荷。第一種載荷是刀片與刀桿產(chǎn)生的夾緊力，第一種載荷是切削力，它取決于切削參數(shù)，第三種載荷是熱量載荷．它是切削過程中在切削邊緣溫度劇烈升高而產(chǎn)生的。金屬切削時，刀具切入工件，使被加工材料發(fā)生變形成為切屑所需要的力稱為切削力，來源于三個方面：(1)克服被加工材料對彈性變形的抗力：(2)克服被加工材料對塑性變形的抗力；(3)克服切屑對刀具前刀面的摩擦力和刀具后刀面對過渡表面和已加工表而之間的摩擦力。上述各力的總和形成作用在刀具上的合力F(國際標準為F)，為了實際應(yīng)用F，可分為相互垂直的三個力Fx (國際標準為Ff)、Fy (國際標準為Fp)、Fz(國際標準為Fc)。在三維切削模型中，F(xiàn)z(Fc)為切削力或切向力，它切于過渡表面并與基面垂直。Fz(Fc)是計算刀具強度、設(shè)計機床零件，確定機床功率所必須的，一般稱為主切削力；Fx(Ff)為進給力，F(xiàn)y(Fp)為切深抗力或吃刀力。對于二維切削來說，主切削力Fz(Fc)就是和刀具運動方向相同的力。計算切削力的公式Kc=Kc1hmc(1一γ／100) 4—1式中Kc一單位切削厚度上的切削力(Pa)Kc1一名義上的確定切削力(Pa)h一切削厚度(m)Mc—切屑厚度對切削力的影響系數(shù)γ一切屑傾斜角度(176。)(1)刀片材料YTl4時，取Kc1=1700Mpa，Mc=，γ=O176。，kr=75176。，切削用量fn=0．40mm／r，ap=3mm。有公式41計算得kc=2165N，切削力、進給力和切深抗力為：Fc=fnapkc=32165=2598NFf=Fc=2598=1299NFp=1299= 圖4—2 車削加工中的切深抗力Fp、進給力Ff和切削力Fc 可轉(zhuǎn)位刀具受力的有限元分析 可轉(zhuǎn)位刀具三維模型的建立車削模擬中采用的刀具為可轉(zhuǎn)位車具，刀片的形狀：正方形、法向后角為0176。、單面有直線圓弧形斷屑槽。刀桿的形狀為矩形截面，寬B為高H為2刀桿長度L為125。如圖所示，整個模型采用基于特征的零件實體建模技術(shù)，利用ANSYS建立。圖4—3 可轉(zhuǎn)位刀具的有限元模型 可轉(zhuǎn)位刀具的有限元模型根據(jù)可轉(zhuǎn)位刀片實際用材情況，我們選用牌號為YT14的硬質(zhì)合金材料，其主要力學特性參數(shù)為彈性模量EX=，泊松比P=,刀桿材料是45號鋼彈性模量E=210Gpa，泊松比v=。利用ANSYS進行分析之前，考慮到可轉(zhuǎn)位刀片的具體形狀及受力特點，在不影響計算精度的情況下，采用了四面體實體單元對其進行有限元網(wǎng)格的自由劃分，由于在整個切削過程中，應(yīng)力應(yīng)變的變化主要集中在刀尖周圍區(qū)域，因而對該部位進行了網(wǎng)格細分。根據(jù)以上方法，可轉(zhuǎn)位刀片共被劃分為35146個節(jié)點，24940個元素，其網(wǎng)格如圖4所示。為了得到較為精確的計算結(jié)果，需要根據(jù)可轉(zhuǎn)位刀片的實際狀況對其約束和加載。分析可轉(zhuǎn)位刀具的結(jié)構(gòu)可知(如圖43)，刀片通過機械的方式，被夾固在刀體上，刀片置于刀柄槽中，刀底面約束刀片 軸負方向的位移，刀片前刀面的壓板約束刀片z軸正方向的位移，刀柄槽的兩側(cè)面約束刀片 和Y方向位移，刀槽底面、兩側(cè)、中心孔及壓板還約束刀片x．y和z軸的旋轉(zhuǎn)，所以，刀片相對于刀墊是固定不動的，據(jù)此對其約束。由于切削力的影響因素較多，計算較復(fù)雜，加之目前所用切削力理論計算公式是在忽略了溫度、正應(yīng)力、第Ⅲ 變形區(qū)的變形與摩擦力等條件下推導(dǎo)出來的，與實際切削狀態(tài)差別較大，故只能用于切削力的定性分析，不宜用于實際計算。因此，根據(jù)本實例的原始試驗數(shù)據(jù)，采用文獻[4]中的實驗公式，計算出三個切削分力的經(jīng)驗值分別為=1299N, Fy=,Fz=2598N根據(jù)上述分析，按切削條件最惡劣的極限情況(即 、Fy、 Fz集中作用于刀尖一點)進行模擬加載，在刀具末端施加全部約束(這樣并不影響分析結(jié)果)圖4—4 可轉(zhuǎn)位刀具有限元網(wǎng)格模型可轉(zhuǎn)位刀片在工作過程中主要受到的載荷有：（1）克服被加工材料對彈性變形和塑性變形的抗力；（2）克服切削過程所引起的摩擦力。根據(jù)實際作用效果，切削力通常被分成3個方向的作用力，即主切削力 、進給抗力 和切深抗力 ，如圖1所示。由于切削過程非常復(fù)雜，所以，目前還沒有與實際測量結(jié)果十分相符的理論公式?，F(xiàn)在有關(guān)切削力的計算一般都是采用實驗方法獲得的經(jīng)驗公式，該公式的具體形式如下:。式中： 、 、 是決定于被加工材料、切削條件的系數(shù)；分別為 的指數(shù)值；、為當實際加工條件與實驗公式條件不符時，各因素對切削力的修正系數(shù)的積。上述各系數(shù)、指數(shù)、修正系數(shù)值都可以從相關(guān)切削用量手冊中查得。本文根據(jù)可轉(zhuǎn)位刀片加工實際狀況，查閱手冊得到了某一粗加工可轉(zhuǎn)位刀片的經(jīng)驗公式：其中，單位為mm ,f單位為mm/r， 、 、 單位為N。 結(jié)果分析(1)由上述應(yīng)力、應(yīng)變圖可以看出：可轉(zhuǎn)位車刀刀片受到的最大應(yīng)力、出現(xiàn)的最大應(yīng)變均出現(xiàn)在主切削刃靠近刀尖的部位，最大應(yīng)力值為：，與其實際工作狀況較為相符。(2)為了進一步說明問題，在保持進給量、切削深度不變的情況下，分別取主切削力進行分析計算，所得到的結(jié)果見圖。上述計算結(jié)果也表明，可轉(zhuǎn)位刀片進行切削加工時，主切削刃靠近刀尖區(qū)域所受到的應(yīng)力最大，產(chǎn)生的應(yīng)變也最大，因此，該部位是刀片失效的關(guān)鍵部位。(3)分析可轉(zhuǎn)位刀片的工作過程及其刀尖區(qū)的失效特征，我們認為：失效的產(chǎn)生不僅與刀具本身的質(zhì)量有關(guān)，還受機床性能，工件夾持的可靠性，刀桿系統(tǒng)的剛性，刀片選擇的合理性以及切削參數(shù)的正確性等因素的影響，既有隨機性、偶然性，也帶有普遍性。通過對該刀片的結(jié)構(gòu)、幾何參數(shù)和切削性能的分析，刀片及刀體自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)對整個車刀的切削性能有著至關(guān)重要的影響；并且在實際加工過程中，刀體的結(jié)構(gòu)參數(shù)基本上是不變的。因此，我們只有通過改變刀片的幾何參數(shù)來改變刀片的切削性能，以便刀具在生產(chǎn)加工過程中達到最佳的切削狀態(tài)。綜合各方面的因素，為了提高刀具的耐用度，特提出以下建議：一是提高刀具原始質(zhì)量。有關(guān)研究表明，刀具原始質(zhì)量是造成刀具非正常損壞的主要原因。因此，提高刀體材料質(zhì)量、規(guī)范熱處理方法、選擇恰當?shù)牡镀铺栆约霸O(shè)計合理的刀具切削角度都會改善刀具的原始質(zhì)量，提高刀具的耐用度。二是提高刀具使用質(zhì)量?？赊D(zhuǎn)位硬質(zhì)合金刀具隨著應(yīng)用場合的不同，對使用者的經(jīng)驗和水平要求也不同，但刀具使用質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到刀具的加工成本和使用效率。通過對大量刀片損壞事例分析，總結(jié) 提高刀具使用質(zhì)量的一些方法，具體有以下幾種：① 考慮機床功率的承受能力，防止因刀具直徑太大或齒數(shù)太密或進給量太大，造成機床功率不足，出現(xiàn)悶車打刀現(xiàn)象，致使刀片失效。②考慮使用切削液的具體加工環(huán)境和時機，切不可認為只要在切削過程中施加切削液就一定起好作用，有些場合使用切削液適得其反，例如可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金立銑刀，若在切削過程中加切削液必將損壞刀片。③提高工藝系統(tǒng)的剛性。夾緊刀片時，不論采用何種夾緊方式，刀片在夾緊時必須滿足：刀片裝夾定位要符合切削力的定位夾緊原理，即切削力的合力必須作用在刀片支承面周界內(nèi)；刀片周邊尺寸定位需滿足三點定位原理；切削力與裝夾力的合力在定位基面(刀片與刀體)上所產(chǎn)生的摩擦力必須大于切削振動等引起的使刀片脫離定位基面的交力。作如下假設(shè)：(1)將刀桿和刀片材料視為一體，便于模擬加載分析和計算。(2)計算中假定材料為線彈性，即不發(fā)生屈服。(3)刀具在切削過程中會受到一定的沖擊和振動，考慮到這種沖擊和振動的有限性，為簡化計算，視刀具在切削過程中某時刻為靜應(yīng)力分布。(4)在切削過程中，刀具因劇烈摩擦會產(chǎn)生高溫，但為便于計算，暫不考慮溫度場影響。圖4—5 刀尖應(yīng)力應(yīng)變圖圖4—6 應(yīng)力應(yīng)變云圖圖4—7 應(yīng)力應(yīng)變曲線圖結(jié)論低速切削時，刀具失效的主要來自于機械應(yīng)力，這里有刀具本身的質(zhì)量原因，還受機床性能，工件夾持的可靠性，刀桿系統(tǒng)的剛性，刀片選擇的合理性以及切削參數(shù)的正確選擇等因素的影響，既有隨機性、偶然性，也帶有普遍性。對于幾何形狀比較復(fù)雜的刀具，在考慮實際加工的條件下，采用有限元分析的方法，能夠精確地分析切削過程對刀片的應(yīng)力和變形的影響，因而可以將結(jié)果應(yīng)用于刀具的設(shè)計和加工參數(shù)的選擇。金屬切削過程十分復(fù)雜，即有機械的變化，又有物理的、化學的變化，因而應(yīng)該同時考慮應(yīng)力、應(yīng)變變化和溫度狀態(tài)。高速切削時，產(chǎn)生熱應(yīng)力較大，溫度因素不可忽略，可以在本文的基礎(chǔ)上，對處于高速狀態(tài)的刀具進一步做傳熱溫度場分析，熱一結(jié)構(gòu)耦合有限元分析。致謝轉(zhuǎn)眼間從冬天到了炎炎夏日，短短幾個月的畢業(yè)設(shè)計即將過去。在周里群老師的精心指導(dǎo)下，我們的畢業(yè)設(shè)計告一段落。在此特別向周老師表以衷心的感謝！ 這次畢業(yè)設(shè)計，不僅使我鞏固了以前所學的專業(yè)知識，而且還學習了幾門新的知識。在此之前，我們并不怎么了解ANSYS這個軟件，通過這次畢業(yè)設(shè)計，我初步掌握了ANSYS的一些基本操作，尤其是對三維建模有較深的了解，并且熟悉了APDL的一些編程知識。在設(shè)計過程中，我深刻地認識到自己所學知識的不廣與不精，這次設(shè)計為我將來的學習也奠定了良好的基礎(chǔ)。最后，再次感謝周老師對我的幫助。同時也要感謝同組彭泓龍同學，沒有他們的幫助我不可能按時保證質(zhì)量地完成這次畢業(yè)設(shè)計。參考文獻[1] 任重．ANSYS實用分析教程[M]．北京：北京大學出版社，:1~333 [2] 易日．[M] .北京：北京大學出版社，:1~284 [3]陳日曜．金屬切削刀具 [M].北京：機械工業(yè)出版社， :1~227 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Qin, . Chou,D. Nolen and . Thompson發(fā)表日期：2009摘要： 化學氣相沉積法（CVD），金剛石薄膜的發(fā)現(xiàn)，作為涂層刀具的應(yīng)用。即使傳統(tǒng)的金剛石涂層的使用似乎是公認的切削，為不同的加工操作選擇適當?shù)耐繉雍穸葲]有經(jīng)常研究。涂層厚度影響涂層刀具在不同的角度，可能相互影響，在復(fù)雜的方式，在機械加工工具金剛石工具的性能特點。 在這項研究中，在沉積層厚度對殘余應(yīng)力，特別是圍繞一個前沿，對涂層的破壞模式進行了數(shù)值研究。另一方面，刀具表面光滑涂層厚度的影響以及尖端的半徑進行了實驗研究。此外，鋁基復(fù)合材料加工用金剛石涂層刀具涂層厚度變化進行了評估對切削力的影響，零件表面光潔度和刀具磨損。 結(jié)果歸納如下: （一）增加涂層厚度，涂層殘余應(yīng)力，基體界面。（2）在另一方面，增加涂層厚度一般會增加涂層耐開裂和脫層。（3）厚涂層將在更大的優(yōu)勢半徑的結(jié)果，但是，對切削力的影響程度還取決于加工條件。（4）的厚度范圍內(nèi)進行測試，對金剛石涂層刀具壽命與因分層延遲涂層厚度的增加。 關(guān)鍵詞：涂層厚度、金剛石涂層、有限元、加工、刀具磨損 介紹 采用化學氣相沉積金剛石涂層生產(chǎn)法（CVD）技術(shù)已被越來越多地探討了刀具的應(yīng)用。金剛石涂層刀具在不同的加工應(yīng)用的巨大潛力和優(yōu)勢，如切削鉆頭幾何形狀復(fù)雜的工具捏造。輕質(zhì)高強度部件的增加也導(dǎo)致慣例，在金剛石涂層工具的重大利益。熱絲化學氣相沉積金剛石涂層的是，厚度為50微米，對包括鈷硬