基于ansys的切削加工受力分析畢業(yè)論文.doc

1摘要金屬切削是機(jī)械制造行業(yè)中的一類(lèi)重要的加工手段。早在一百多年前人們就已經(jīng)開(kāi)始了對(duì)金屬切削過(guò)程的研究。由于金屬切削本身具有非常復(fù)雜的機(jī)理，用傳統(tǒng)的研究方法研究非常困難。本文應(yīng)用有限元分析方法，利用材料變形的彈塑性理論及金屬切削基本原理，建立工件材料的模型,借助大型商業(yè)有限元分析軟件ANSYS,通過(guò)輸入材料性能參數(shù)、建立有限元模型、施加約束及載荷、計(jì)算,對(duì)正交金屬切削的受力情況進(jìn)行了模擬。最后得出應(yīng)力云圖，進(jìn)行切削加工中的工件和刀具的受力情況分析。關(guān)鍵詞：有限元分析，ANSYS,金屬切削2AbstractMetal-cuttingmachinerymanufacturingindustryinaclassofimportantmeansofprocessing.Asearlyasmorethan100yearsago,peoplehavebeguntheprocessofmetalcuttingresearch.Asaresultofmetal-cuttingitselfisverycomplexmechanism,usingthetraditionalmethodofstudyverydifficult.Inthispaper,finiteelementmethod,usingmaterialsoftheelastic-plasticdeformationtheoryandthebasicprinciplesofmetalcutting,theestablishmentoftheworkpiecematerialmodel,withlargecommercialfiniteelementanalysissoftwareANSYS,theimportationofmaterialpropertiesthroughtheestablishmentofthefiniteelementmodel,toimposeconstraintsandloadcalculatedfortheorthogonalmetalcuttingforcesaresimulated.Cametotheconclusionthatthestressimage,thecuttingoftheworkpieceandtoolintheanalysisoftheforces.Keywords:finiteelementanalysis,ANSYS,metal-cutting1緒論金屬切削是機(jī)械制造行業(yè)中的一類(lèi)重要的加工手段。美國(guó)和日本每年花費(fèi)在切削加工方面的費(fèi)用分別高達(dá)1000億美元和10000億日元。中國(guó)目前擁有各類(lèi)金屬切削機(jī)床超過(guò)300萬(wàn)臺(tái),各類(lèi)高速鋼刀具年產(chǎn)量達(dá)3.9億件,每年用于制造刀具的硬質(zhì)合金超過(guò)5000噸。可見(jiàn)切削加工仍然是目前國(guó)際上加工制造精密金屬零件的主要辦法。19世紀(jì)中期,人們開(kāi)始對(duì)金屬切削過(guò)程的研究,到現(xiàn)在已經(jīng)有一百多年歷史。由于金屬切削本身具有非常復(fù)雜的機(jī)理,對(duì)其研究一直是國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。過(guò)去通常采用實(shí)驗(yàn)法,它具有跟蹤觀測(cè)困難、觀測(cè)設(shè)備昂貴、實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)、人力消耗大、綜合成本高等不利因素。本文利用材料變形的彈塑性理論,建立工件材料的模型,借助大型商業(yè)有限元軟件ANSYS,通過(guò)輸入材料性能參數(shù)、建立有限元模型、施加約束及載荷、計(jì)算,對(duì)正交金屬切削的受力情況進(jìn)行了分析。以前角10、后角8的YT類(lèi)硬質(zhì)合金刀具切削45號(hào)鋼為實(shí)例進(jìn)行計(jì)算。切削厚度為2mm時(shí)形成帶狀切屑。提取不同階段應(yīng)力場(chǎng)分布云圖,分析了切削區(qū)應(yīng)力的變化過(guò)程。這種方法比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)法快捷、有效,為金屬切削過(guò)程的研究開(kāi)辟了一條新的道路。2設(shè)計(jì)要求根據(jù)有限元分析理論，根據(jù)ANSYS的求解步驟，建立切削加工的三維模型。對(duì)該模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分并施加約束邊界條件，最后進(jìn)行求解得出應(yīng)力分布云3圖，并以此云圖分析得出結(jié)論。3金屬切削簡(jiǎn)介3金屬切削過(guò)程，從實(shí)質(zhì)講，就是產(chǎn)生切屑和形成已加工表面的過(guò)程。產(chǎn)生切屑和形成已加王表面是金屬切削時(shí)密切相關(guān)的兩個(gè)方面。3.1切削方式切削時(shí)，當(dāng)工件材料一定，所產(chǎn)生切屑的形態(tài)和形成已加工表面的特性，在很大程度上決定于切削方式。切削方式是由刀具切削刃和工件間的運(yùn)動(dòng)所決定，可分為：直角切削、斜角切削和普通切削三種方式。3.2切屑的基本形態(tài)金屬切削時(shí)，由于工件材料、刀具幾何形狀和切削用量不同，會(huì)出現(xiàn)各種不同形態(tài)的切屑。但從變形觀點(diǎn)出發(fā)，可歸納為四種基本形態(tài)。1帶狀切屑切屑呈連續(xù)狀、與前刀面接觸的底層光滑、背面呈毛葺狀。2擠裂狀切屑切屑背面呈鋸齒形、內(nèi)表面有時(shí)有裂紋。3單元狀切屑切削塑性很大的材料，如鉛、退火鋁、純銅時(shí)，切屑容易在前刀面上形成粘結(jié)不易流出，產(chǎn)生很大變形，使材料達(dá)到斷裂極限，形成很大的變形單元，而成為此類(lèi)切屑。4崩碎狀切屑切削脆性材料，如鑄鐵、黃銅等時(shí)，形成片狀或粒狀切屑。切削時(shí)，在產(chǎn)生帶狀切屑的過(guò)程中，切削力變化較小，切削過(guò)程穩(wěn)定，已加工表面質(zhì)量好。但切屑成為很長(zhǎng)的帶狀，影響機(jī)床正常工作和工人安全，因而要采取斷屑措施；在產(chǎn)生擠裂狀和單元狀切屑的過(guò)程中，切削力有較大的波動(dòng)，尤其是單元狀切屑，在其形成過(guò)程中可能產(chǎn)生振動(dòng)影響加工質(zhì)量；在切削鑄鐵時(shí)，由于所形成的崩碎狀切屑是經(jīng)石墨邊界處崩裂的，因而已加工表面的粗糙度值變大。3.3積屑瘤在用低、中速連續(xù)切削一般鋼材或其他塑性材料時(shí),切屑同刀具前面之間存在著摩擦,如果切屑上緊靠刀具前面的薄層在較高壓強(qiáng)和溫度的作用下，同切屑基體分離而粘結(jié)在刀具前面上,再經(jīng)層層重疊粘結(jié),在刀尖附近往往會(huì)堆積成一塊經(jīng)過(guò)劇烈變形的楔狀切屑材料，叫做積屑瘤。積屑瘤的硬度較基體材料高一倍以上，實(shí)際上可代替刀刃切削。積屑瘤的底部較穩(wěn)定，頂部同工件和切屑沒(méi)有明顯的分界線,容易破碎和脫落,一部分隨切屑帶走，一部分殘留在加工表面上，從而使工件變得粗糙。所以在精加工時(shí)一定要設(shè)法避免或抑制積屑瘤的形成。積屑4瘤的產(chǎn)生、成長(zhǎng)和脫落是一個(gè)周期性的動(dòng)態(tài)過(guò)程（據(jù)測(cè)定,它的脫落頻率為30170次秒），它使刀具的實(shí)際前角和切削深度也隨之發(fā)生變化，引起切削力波動(dòng)，影響加工穩(wěn)定性。在一般情況下，當(dāng)切削速度很低或很高時(shí)，因沒(méi)有產(chǎn)生積屑瘤的必要條件（較大的切屑與刀具前面間的摩擦力和一定的溫度），不產(chǎn)生積屑瘤。3.4切削力切削時(shí)刀具的前面和后面上都承受法向力和摩擦力，這些力組成合力F，在外圓車(chē)削時(shí),一般將這個(gè)切削合力F分解成三個(gè)互相垂直的分力：切向力Ft它在切削速度方向上垂直于刀具基面，常稱(chēng)主切削力；徑向力Fr在平行于基面的平面內(nèi),與進(jìn)給方向垂直,又稱(chēng)推力；軸向力Fa在平行于基面的平面內(nèi),與進(jìn)給方向平行,又稱(chēng)進(jìn)給力。切削過(guò)程中實(shí)際切削力的大小，可以利用測(cè)力儀測(cè)出。測(cè)力儀的種類(lèi)很多，較常用的是電阻絲式和壓電晶體式測(cè)力儀。測(cè)力儀經(jīng)過(guò)標(biāo)定以后就可測(cè)出切削過(guò)程中各個(gè)分力的大小。3.5切削熱切削金屬時(shí)，由于切屑剪切變形所作的功和刀具前面、后面摩擦所作的功都轉(zhuǎn)變?yōu)闊?，這種熱叫切削熱。使用切削液時(shí)，刀具、工件和切屑上的切削熱主要由切削液帶走；不用切削液時(shí)，切削熱主要由切屑、工件和刀具帶走或傳出，其中切屑帶走的熱量最大，傳向刀具的熱量雖小，但前面和后面上的溫度卻影響著切削過(guò)程和刀具的磨損情況，所以了解切削溫度的變化規(guī)律是十分必要的。3.6切削溫度切削過(guò)程中切削區(qū)各處的溫度是不同的，形成一個(gè)溫度場(chǎng)切屑和工件的溫度分布，這個(gè)溫度場(chǎng)影響切屑變形、積屑瘤的大小、加工表面質(zhì)量、加工精度和刀具的磨損等，還影響切削速度的提高。一般說(shuō)來(lái)，切削區(qū)的金屬經(jīng)過(guò)剪切變形以后成為切屑,隨之又進(jìn)一步與刀具前面發(fā)生劇烈摩擦,所以溫度場(chǎng)中溫度分布的最高點(diǎn)不是在正壓力最大的刃口處，而是在前面上距刃口一段距