车床刀套设计制造和结构有限元分析

王坤峰 王龙飞

（陕西国防工业职业技术学院，西安 710300）

数控车床常用的刀具刀杆规格为20mm×20mm和25mm×25mm，在日常的生产加工中，不同的刀架台使用不同规格的刀具。但是，在加工一些特殊形状时，如梯形螺纹，如果刀杆尺寸较小，相对应的螺纹螺距也较小。这样20mm×20mm的刀杆所装夹的刀片无法加工大螺距梯形螺纹，而满足要求的25mm×25mm刀杆又无法安装到20mm×20mm的刀架台上。为了将25mm×25mm刀杆安装到20mm×20mm的刀架台上，笔者设计了一款车床刀套，以实现不同规格刀杆的转换使用[1-2]。

首先使用Pro/E软件设计出车床刀套的结构，再使用ABAQUS软件对设计好的结构进行有限元分析，分析车床刀套的受力分析等情况，观察其是否满足强度要求，最后使用数控铣床进行加工和制造，并将车床刀套安装在数控车床上，试验其切削加工效果，观察其使用中存在的问题[3-5]。

1 车床刀套设计

大连机床集团生产的CKA6136数控车床刀架台如图1所示，其使用20mm×20mm刀杆，无法安装25mm×25mm的刀杆，因为刀尖高度大于零件回转中心。现设计一款刀架刀套，如图2所示。

图1 车床刀架台

基于现有材料，使用φ80的45钢棒料来制作刀套。刀套右边台阶尺寸20mm×25mm，20mm与原20mm×20mm刀杆宽度一致，方便装夹。刀套左边方槽装夹25mm×25mm刀杆，其尺寸为25mm×30mm，25mm与刀杆宽度一致，30mm比25mm大5mm，方便通过螺栓装夹刀杆。刀套的整体设计中，关键点在于左边的方槽比右边的台阶低5mm，以实现25mm×25mm刀杆的刀尖中心高度与20mm×20mm刀杆中心高度装夹高度一致。在刀套左边方槽上方设计两个均布M12螺纹孔，用以安装螺栓，固定25mm×25mm刀杆。整个刀套依靠右边台阶安装在刀架台上，由刀架台螺栓固定。

图2 车床刀套二维图

2 刀套三维建模

通过Pro/E软件，对车床刀套进行三维仿真建模，首先选择“拉伸”工具，放置在FRONT 平面进行草绘，绘制一直径为φ80mm，拉伸长度为75mm的圆柱体，结果如图3（a）所示。第二步继续选择“拉伸”工具，放置在FRONT平面进行草绘，绘制如图2所示外形轮廓，然后进行反向切除，如图3（b）所示。第三步以FRONT平面为基准面偏25mm建立两个辅助平面DTM1和DTM2，然后使用“拉伸”工具，在TOP平面建立两个φ12螺纹孔，如图3（c）所示。第四步，点击“插入”“螺纹扫描”“切口”按步骤建立螺纹，最后对称到另外一个孔，如图3（d）所示。

3 刀套有限元分析

在加工过程中，车床会受到材料的一个反作用力Fr，如图4所示，该反作用力Fr可分解为Fx、Fy和Fz，本文近似将车刀受到的反作用力应用于刀套上，作用点如图2所示的a点，以便进行应力分析。假设刀套安装YT15硬质合金车刀，纵车σb=0.588GPa的热轧钢外圆，切削速度vc=100m/min，背吃刀量ap=4mm，进给量f=0.3mm/r。相关变量的关系如下：

由 式（1） 计 算 可 得：Fx=783.32N，Fy=456.7N，Fz=1620N。

图3 车床刀套三维模型

图4 车刀受力图

同时，刀套右边20mm×25mm台阶被M12螺栓固定，计算得知向下的预紧力为26976～37766.4N，取预紧力为27000N，刀套材料为45钢，密度7890kg/m3，弹性模量为209000GPa，泊松比为0.269。然后，利用ABAQUS软件对刀套进行有限元分析。

通过图5观察得知，刀套的最大应力值为8256Pa，小于45钢的屈服极限355MPa。同时发现，刀套的应力集中点为螺栓和刀套接触点、刀具与刀套的接触点，说明刀套结构设计合理，没有应力突出点。

图5 刀套有限元分析图

4 加工和制造

利用西门子数控铣床，可对设计好的机械零件进行加工。加工过程中需要考虑台阶与方槽之间5mm的高度差，这是车床车套设计的关键点，同时需要保证这5mm的精度。将加工好的车床车套安装好刀具，装夹到车床刀架台，便可以进行机械零件的加工，如图6所示。在车床车套使用的过程中，需要注意的是，换刀时，刀架台一定要远离三爪卡盘，防止撞刀。

图6 刀套安装使用示意图

5 结语

本文基于Pro/E软件，设计了一款新型车床刀套，解决了大尺寸刀杆无法安装到小尺寸刀架台的问题，解决了不同尺寸刀杆之间的转换问题。最后对刀套进行了有限元建模，分析了其应力、应变。分析结果表明，该车床刀套设计合理。该车床刀套的设计和制造，具有一定的生产实践作用，解决了实际生产加工过程中存在的一些问题，为数控车床制造提出了新思路。