陶瓷刀具低速切削時的有限元分析

時間:2011-05-23 08:41:07 來源:未知

1 梯度功能陶瓷刀具的三維機械應(yīng)力場計算模型

梯度功能陶瓷刀具由于其組分的分布按一定梯度變化，因此在高速切削條件下其抗破損能力比普通陶瓷刀具明顯提高。但在低速切削時，梯度功能陶瓷刀具的抗破損能力與普通陶瓷刀具相比并無太大優(yōu)勢。低速切削時熱應(yīng)力較小，機械應(yīng)力是刀具破損的主要原因。通過用有限元方法對切削時的梯度功能陶瓷刀具進行分析，可求出其最大機械應(yīng)力。

圖1 機械應(yīng)力的計算模型

圖1所示為機械應(yīng)力的計算模型。刀片置于刀槽中，刀槽底面約束刀片的z軸負向位移，刀片前刀面的壓板約束刀片的z軸正向位移，刀槽的兩個側(cè)面約束刀片的x向和y向位移，刀槽底面和壓板還限制了刀片繞x軸和y軸旋轉(zhuǎn)，刀槽兩側(cè)面可限制刀片繞z軸旋轉(zhuǎn)。這樣，刀片的6個自由度被全部約束。

在切削過程中，刀具承受的切削力F_r有F_Z、F_y和F_x三個分量。由于采用有限元法計算時切削力要施加在各節(jié)點上，所以假定切削力沿刀—屑接觸長度方向為三角形分布，而沿主、副切削刃方向為均勻分布。由某文獻可知，SG-4陶瓷刀具在加工淬硬高碳工具鋼時的切削力經(jīng)驗公式為 F_z=34444a_p^0.88f^0.65v^-0.12(1)

假定 F_Y=0.5F_z(2)F_X=0.8F_z(3)

5010015074.968.965.459.955.152.337.534.532.7

表1 兩種陶瓷刀具在各種切削速度下的三維切削力分量值
v(m/min)	F_z(N)	F_X(N)	F_Y(N)

表1為FG-2梯度功能陶瓷刀具(假定式(1)～(3)也適用于FG-2)和SG-4普通陶瓷刀具在各種切削速度下的三維切削力分量值。其中，切削速度分別取v=50m/min、v=100m/min、v=150m/min，進給量f=0.05mm/r，背吃刀量a_p=0.2mm，工件材料為T10A(硬度59.5HRC)。FG-2各層的物理性能見表2(SG-4的物理性能與FG-2的第一層相同)。

由于夾緊點距刀尖較遠，夾緊力對刀尖附近的應(yīng)力狀態(tài)影響不大，所以可不考慮夾緊力的影響；同時由于陶瓷刀片表面非常光滑，摩擦系數(shù)很小，所以夾緊時的摩擦力作用也可不予考慮。衡量材料破壞的理論有最大拉應(yīng)力(Principal)理論、最大剪應(yīng)力(Tresca)理論、最大形狀改變比能(Mises)理論、莫爾理論等。對于脆性材料的疲勞破壞宜采用最大拉應(yīng)力理論及最大剪應(yīng)力理論；對于脆性材料的塑性破壞宜采用最大形狀改變比能理論。梯度功能陶瓷刀具用于高速切削時，既有疲勞造成的破壞，又有刀尖溫度太高造成的塑性破壞，所以應(yīng)計算梯度功能陶瓷刀具內(nèi)的最大拉應(yīng)力、最大剪應(yīng)力及最大形狀改變比能(Mises)應(yīng)力。 45.66635.160.1277.660424.70.2423/55.9434.350.1217.522432.60.2392/66.2233.550.1157.386440.70.2351/76.5032.770.1107.251448.90.232

表2 FG-2各層的物理性能
#p#分頁標題#e#層號	比重r (g·cm^-3)	導(dǎo)熱系數(shù)k(20℃) [w·(mK)^-1]	比熱C(20℃) [cal·(gK)^-1]	熱膨脹系數(shù)a(20℃) (×106/K^-1)	彈性模量E (GPa)	泊松比v

2 三維機械應(yīng)力場的計算結(jié)果及分析

圖2為FG-2和SG-4兩種刀具的最大Mises應(yīng)力與切削速度的關(guān)系曲線。圖3為兩種刀具的最大剪應(yīng)力與切削速度的關(guān)系曲線。圖4為兩種刀具的最大拉應(yīng)力與切削速度的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，F(xiàn)G-2和SG-4的最大Mises應(yīng)力、最大剪應(yīng)力及最大拉應(yīng)力幾乎完全相同，這說明梯度功能陶瓷刀具材料在抗機械應(yīng)力引起的損壞方面與普通陶瓷刀具材料相比并無明顯優(yōu)勢。有限元計算結(jié)果表明：在三種切削速度下FG-2前刀面的Mises應(yīng)力場與SG-4基本相同，均是在刀尖處Mises應(yīng)力最大，因此此處容易發(fā)生塑性破壞。

圖2 FG-2和SG-4的最大Mises應(yīng)力與切削速度的關(guān)系曲線

圖3 FG-2和SG-4的最大剪應(yīng)力與切削速度的關(guān)系曲線

圖4 FG-2和SG-4的最大拉應(yīng)力與切削速度的關(guān)系曲線

圖5 v=50m/min時FG-2主后刀面最大拉應(yīng)力場

圖6 v=50m/min時SG-4主后刀面最大拉應(yīng)力場

圖5和圖6分別為FG-2和SG-4在v=50m/min時主后刀面的最大拉應(yīng)力場。由圖可見，兩種刀具主后刀面的最大拉應(yīng)力場并無差異，最大拉應(yīng)力場位于距前刀面很近的地方，由此可以推斷此處即為破壞時前刀面剝落的位置。

3 結(jié)論

梯度功能陶瓷刀具和普通陶瓷刀具的機械應(yīng)力場基本一致，兩種刀具內(nèi)的最大Mises應(yīng)力、最大剪應(yīng)力和最大拉應(yīng)力基本相等。由于低速切削時機械應(yīng)力是陶瓷刀具破損的主要原因，因此梯度功能陶瓷刀具在低速切削時的抗破損能力與普通陶瓷刀具相比并無太大優(yōu)勢。

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