基于ANSYS的可转位车刀有限元分析

张海霞 王南 刘月英

摘 要：应用ANSYS有限元分析软件对可转位车刀，从其刀具的切削参数及其受力的分布规律等方面进行详细分析，分析结果对改善可转位车刀的工作性能，增加其使用寿命等方面都具有重要的参考意义和实际应用价值。

关键词：ANSYS;可转位车刀

1.前沿

可转位车刀是一种应用在数控车床上的刀具，主要用来进行零件加工时的切断、外表面切削、圆周切削等作业，在机械加工领域具有十分重要的意义，可转位车刀刀片具有供切削时选用的几何参数和三个以上供转位用的切削刃，当一个切削刃磨损后，松开夹紧机构，将刀片转位到另一切削刃后再夹紧，即可进行切削，当所有切削刃磨损后，则可取下再代之以新的同类刀片。不仅可以大大提高切削加工效率，还可以节省加工制造的成本，如今可转位车刀被越来越多的应用在零件加工的场合。

2.可转位车刀有限元分析

有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）是使用数学计算的方式对真正的工况以及场等抽象的物理现象进行数值化模拟，将真实存在的现象和物品进行抽象化描述，将其划分为简单的尽可能多的元素去模拟无限接近原型，以逼近真实环境，其算法与高等数学中的微积分原理相似。本文采用有限元分析法，应用ANSYS软件对可转位车刀进行分析。

2.1 可转位车刀有限元分析模型的建立

根据可转位刀片实际应用的情况，选用牌号为YT14的硬质合金材料，它的主要力学特性参数是弹性模量E=5.25Gpa，泊松比P=0.25，刀杆材料是45號钢，弹性模量E=210Gpa，泊松比v=0.3。利用ANSYS进行分析之前，考虑到可转位刀片的具体形状及受力特点，在不影响计算精度的情况下，采用了四面体实体单元对其进行有限元网格的自由划分，由于在整个切削过程中，应力应变的变化主要集中在刀尖周围区域，因而对该部位进行了网格细分。   根据以上方法，可转位刀片共被划分为35146个节点，24940个元素，最终生成的网格模型如图1-1所示。

2.2 施加约束和载荷

为了得到较为精确的计算结果，需要根据可转位刀片的实际情况对其施加约束和载荷。分析可转位刀具的结构，刀体通过机械的方式将刀片加紧在刀体上，刀柄槽中放置刀片，刀片Z轴负方向的位置由刀片底面约束，刀片Z轴正方向的位置被刀片前面的压板约束，刀柄槽的两侧面约束刀片Y方向位移，刀片的X，Y，Z轴的旋转被刀槽底面、两侧、中心孔和压板等同时约束。

针对可转位车刀施加载荷，某些载荷的施加对之后的求解有一定的影响，通过选择Main Menu-Solution-Loads-Settings菜单进行设置，在刀片和刀杆之间有三种载荷。第一种载荷是刀片与刀杆产生的紧压力，第二种载荷是刀片产生的切削力，第三种载荷是热量载荷，是在切削过程中在前刀面和工件接触中由于摩擦，温度剧烈升高而产生的。

2.3 分析求解

图1-2为可转位车刀应力应变云图，可以看出主切削刃靠近刀尖的部位应变最大，应力也最大。如图1-3为可转位车刀刀尖位置的应力应变云图，最大应力值为：1.975×（10的9次方）pa，与车刀实际工作状况较为相符。

由此得出该刀片的刀尖是非常重要的失效部位。

3.结论

使刀尖失效的因素有很多，例如刀具本身的质量，如果刀具质量较差则其不能承受过大的应力，机床的工作性能也是影响因素之一，工件夹紧方式是否正确，刀具的硬度和使用刀片的合理性以及切削参数是否合理等因素都对刀具的失效产生影响，其中，对切削性能影响最为重要的是刀具本身的结构性能参数。在实际加工过程中，要使刀具达到最佳状态，才能保证加工要求。

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