挤压—犁削成形刀具的有限元分析

李西兵　万颖思　李明　李明鉴　武儒晨

摘 要：通过分析挤压-犁削刀具的结构，设计出了刀具的有限元模型。在UG中，对挤压-犁削刀具的模型进行了参数化实体造型，并通过接口传递数据，借助Ansys Workbench，最终得到了刀具在工作中受力的总应变和等效应力。

关键词：刀具设计；三维有限元仿真；有限元分析；边界条件

中图分类号：TG376 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.01.070

现如今，国内外学者对挤压-犁削刀具如何散热这一问题给予了高度关注。热管是通过液体的蒸发和凝结来传递热量的，目前，微小型热管在各个领域得到了广泛运用。梁良、全燕鸣对热管刀具的设计和散热性能进行了测试，訾克明、陈劲松对热管技术在高速干切削加工中的应用进行了研究，刘志军、全燕鸣对热管铣刀散热的基本结构和关键参数进行了优化，周小青、孙涛、杜冬东、马飞对ABAQUS旋转热管磨具进行了有限元分析。这些研究为微热管技术的发展奠定了基础。

1 有限元法分析的一般步骤

根据得出点的位移分量用几何方程算出应变分量，然后用物理方程算出应力分量。结构离散化、单元分析和整体分析这三步是有限元法分析的一般步骤。具体步骤为：①结构离散化。结构被离散成一定限制内很小的单元，然后通过节点衔接每个单元和单元与边界。②建立整体刚度矩阵，构建整体平衡方程。③根据单元在全局坐标系中的位置，通过排列叠加，为不同的单元建立刚度矩阵，然后得出整体刚度矩阵Kσ的结构。④对节点载荷列阵组进行集成，使其作用在各单元上，从而求出整体载荷阵列P，最终列出节点的平衡方程。在单个节点受力平衡的基础上，构建结构的整体平衡方程，为：

Kσ=P. （1）

式（1）中：σ为所有节点位移组成的列阵，σ=[σ1，σ2，…σn]T；P为所有节点载荷组成的列阵，P=[P1，P2，…Pn]T。

2 有限元模型的建立

当挤压-犁削时，因为单齿刀具的前刀面是对称分布的，所以在反向作用力下的前刀面会使工件前面出现塑性变形。根据阻力最小原理，此刻在前刀面的交汇处，即中间切削刃出现的金属流动会发生干涉现象，而中间切削刃从中将金属切开分流是避免这一现象发生的唯一途径。

2.1 几何建模

选用了UG作为刀具的三维造型软件，挤压角为90°，然后优化建模，截取一个齿作为分析对象，并导入到Ansys Workbench中进行分析。

2.2 定义材料

选择了比较常用的W18Cr4V材料，其密度为 8 260 kg/m3，弹性模量为2.25×105 MPa。根据材料属性，在Engineering Data中修改了材料相应的属性，如图1所示。

2.3 划分网格

自动划分网格主要是根据实体的几何性自动检测，对于那些可以自动扫掠的实体，就进行六面体网格划分。使用六面体网格划分方法可以减少单元的数量，提高运算效率。扫掠网格时，要在某个指定的方向上进行，然后生成六面体或棱柱单元。扫掠网格对实体的要求比较严格，要求实体在某一个方向上具有相同的拓扑结构。

2.4 边界条件的施加

刀齿模型是挤压-犁削刀具的一个刀齿，这里选择的加工工件材料为纯铜，速度为51 mm/s，挤压-犁削深度为0.5 mm，受力主要集中在刀刃上，有径向力和轴向力，按犁削条件最恶劣的情况（Fx，Fz集中作用于切削刃部分）——158 MPa进行模拟加载。加载时，在刀齿内部施加固定约束力，如图2所示。

3 结束语

通过对实际挤压-犁削过程的有限元分析，得出了如下三个结论：①犁削力集中作用在刀齿的切削刃上，切削刃和刀尖的强度较大；②在犁削力的有限元仿真实验中，刃部并没有发生大的塑性变形，变形量也没有超出范围，说明犁削力不会影响加工精度，刀齿不会产生局部断裂；③采用有限元分析方法提高了操作的准确度，为进一步改进刀具提供了理论依据。

参考文献

[1]庄骏，张红.热管技术及其工程应用[M].北京：化学工业出版社，2000.

[2]梁良，全燕鸣.热管刀具的设计及散热性能测试[J].华南理工大学学报，2012（05）.

[3]訾克明，陈劲松.热管技术在高速干切削加工中的应用研究[J].机械设计与制造，2013（02）.

[4]刘志军，全燕鸣.热管铣刀散热基本结构关键参数优化[J].中国机械工程，2014（24）.

〔编辑：王霞〕