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1、第一章 引言1.1本课题研究的意义随着计算机技术和计算方法的发展，负责的工程问题可以采用离散化的数值计算技术并借助计算机得到满足工程要求的数值解。数值模拟技术是现代工程学形成和发展的重要推动力之一。目前，在工程领域应用最广泛的数值模拟方法是有限元法，有限元计算结果已成为各类工业产品设计和性能分析的可靠依据和有效手段。ANSYS能对有效的模拟可转位刀具的受力分析，选择合理的刀具结构、几何参数及切削用量参数是提高其切削性能的重要因素，国际生产研究会（CIRP）的一项研究报告指出：“由于刀具材料的改进，刀具使用寿命每隔十年几乎提高一倍；而由于刀具结构和几何参数的改进，刀具使用寿命每隔十年几乎提高二倍
2、”。由此可见，选择合理的刀具几何参数的重要性，所以利用相关软件进行直接模拟优化结构、几何参数有其及其重要的现实意义。此外，在生产中，切削用量的合理选择是一个很重要的问题，它与生产率、加工成本、利润和加工质量等有着密切的联系，所以根据刀具最低有效应力标准来优化切削用量可以达到最优的经济技术指标，具有可观的经济效益。 基于有限元的方法来对刀具的应力应变进行分析进而得出刀具的最佳几何参数一直是研究的热点。该方法利用基于有限元的数值模拟技术，在计算机上通过建立有限元模型、输入材料性能参数、加载、计算来真实地模拟出切削的整个过程，从而可得出切削区及刀具中的应力应变的变化。在此基础上分析不同几何参数下刀具
3、的应力应变分布，进而选取合理的优化标准，并结合刀具材料的性能特点，设计出较合理的刀具结构及几何参数。 因此，随着新型刀具材料的发展，明确切削力和刀片夹紧力在刀片和刀槽之间接触表面上的分布情况是非常重要的，这样就更有利于刀片和刀具的设计，以便防止塑性变形和疲劳破损的产生，确保刀片和刀具的性能。随着CAE技术的发展，应用有限元方法进行车削过程仿真分析，可以研究切削的流动状态、刀具-工件的车削应力-应变状况和温度场分布状态等，研究的结果对车削过程的优化起到一定的作用。但就目前的研究状况看，实用的方法大多具有一定的局限性：(1) 目前基于有限元模拟的车削过程大多采用二维有限元模型，但实际上刀具-工件的
4、整个作用过程是三维、空间、立体的；(2) 许多有限元模拟工作基于简化处理后的车刀几何结构，座了一些理想化处理，因而在一定程度上限制了仿真结果对实际加工的预测和指导意义；(3) 对硬质合金可转位刀具而言，根据其实际加工状况，该刀具刀片的前刀面上实际承受的式分布载荷，但以往多数采用静力等效集中载荷法或弹性理论极坐标通解法来处理前刀面上分布载荷，往往很难得到与实际相符的计算结果。 基于此，本文在充分考虑硬质合金可转位车刀几何参数及刀片-工件实际作用状况的基础上，主要对整个切削过程的力学特性进行了深入研究，分析处于实际加工状态的硬质合金刀具的应力、应变状况，为该刀片的优化设计提供了一定的理论依据。亲，
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6、可以继续使用。刀片承担切削，形成被加工表面； 刀垫保护刀体，确定刀片位置； 夹紧元件一一夹紧刀片及(或)刀垫； 刀体刀体及(或)刀垫的载体，承担和传递切削力及切削扭矩，完成刀片与机床的联接。可转位刀具切削效率高，辅助时间少，所以提高了工效，而且可转位刀具的刀体可重复使用，节约了材料和制造费用，促进了刀具技术的进步。可转位刀片的出现，基本上解决了刀杆材料大量浪费和贵重的硬质合金材料可以回收的问题。但这种可转位刀片，其几何角度仍按加工对象的材料性质和加工要求等所确定，从而限制了刀杆、刀片的通用性。刀垫结构，可使刀片的支撑刚性增加，保护了刀杆。但由于刀垫的前角Y o垫和刃倾角入s垫均为O。，它与刀片
7、配合使用时，刀片主刃上的切削角度没有变，一旦工件材料或加工要求变动时，这种结构便不能适应。2.1.2 可转位刀片设计的基本要求 可转位刀片设计的基本要求：(1)在同一刀片上，要有尽可能多的切削刃供转位使用，以提高可转位刀片的利用率；(2)要有一定的制造精度，保证可转位刀片完全互换；尽量简化或有利于刀片在刀具上的定位与夹紧；(3)要有足够的强度，以承受切削时产生的切削力及冲击、振动等，在此前提下，刀片体积尽量小，以求经济性好：(4)各切削刃要具有相同的几何参数，保证转位或更换刀片后的切削效果不变。车刀片的断屑(卷屑)性能好；(5)尖刀刃切削加工时位置的可达性要好；(6)保证上述要求的前提下，刀片
8、几何形状尽可能简单，以简化刀片制造工艺。 2.1.3 可转位刀片结构特点按照可转位刀片结构设计要求，把可转位刀片设计成正多边形或圆形，在需要加长刀片切削刃时，可制造成长方形或平行四边形。边数愈多，可供转位使用的切削刃也愈多，刀尖强度也愈好，但切削力将增大，同时刀尖、刀刃位置的重复性也差。由于可转位刀片是用机械加固的方法，将刀片夹紧在可转位刀具上的，因此，通常按刀片在刀杆或刀体上的安装方法不同，把可转位刀片分为如下几类：(1)无孔可转位刀片 刀片采用上压式结构将刀片夹紧。(2)圆孔可转位刀片 刀片中间有一圆柱形孔，用来将刀片安装夹紧在刀杆上。(3)可转位刀片 刀片夹紧时，用一沉头螺钉穿入孔内直接
9、将刀片夹紧在刀杆或刀体上，简化了刀具的夹紧结构。2.2 可转位外圆车削刀具夹紧方式2.2.1 刀片的夹固要求 刀片的夹固必须满足下列要求：(1)定位精度高刀片转位或更换新刀片后，刀尖位置的变化应在工件精度允许的范围内。(2)刀片夹紧可靠夹紧元件应将刀片压向定位面，应保证刀片、刀垫、刀杆接触面紧密贴合，经得起冲击和振动，但夹紧力也不宜过大，应力分布应均匀，以免压碎刀片。(3)排屑流畅刀片前面上最好无障碍，保证切屑排出流畅，并容易观察。刀片的夹紧方式受刀片形状、刀具尺寸和刀具功用等因素的影响。夹紧时必须满足以下条件：刀片装夹定位要符合切削力定位夹紧原理，即切削力的合力必须作用在刀片支承面周界内。刀
10、片周边尺寸定位满足三点定位原理。切削力与装夹力的合力在定位基面(刀片与刀体)上所产生的摩擦力必须大于切削振动等引起的使刀片脱离定位基面的交变力。刀片通过刀垫的转位，在刀槽的安装位置上，其侧面的三个定位点将发生变动，由此而可能产生刀尖的位置变动。但对于车刀来说，只要刀垫的最大厚度能保证刀尖位于工件的中心平面上，则其他位置变动， 都是可以通过刀杆的调整而得到修正。2.2.2 可转位车刀的夹紧形式 可转位车刀按刀片夹紧形式可分为杠杆式、插销式、楔块式、上压式、偏心式、拉垫式、压孔式等。下面是刀片夹固的几种典型结构：(1)上压式上压式夹紧结构利用桥形压板或鹰抓形压板通过螺钉从上面将刀片夹紧。特点是结构
11、简单，夹紧可靠，定位精度高，但压紧元件易被切屑划伤，主要用于夹固不带孔，带后角的内孔车刀。(2)偏心式偏心式夹紧结构利用螺钉上端的一个偏心心轴将刀片夹紧在刀杆上，该结构依靠偏心夹紧，螺钉自锁，结构简单，操作方便，但不能双边定位。当偏心量过小时，要求刀片制造的精度高，若偏心量过大时，在切削力冲击作用下刀片易松动，因此偏心式夹紧结构适于连续平稳切削的场合。(3)杠杆式杠杆式夹紧结构应用杠杆原理对刀片进行夹紧。当旋动螺钉时，通过杠杆产生夹紧力，从而将刀片定位在刀槽侧面上，旋出螺钉时，刀片松开，半圆筒形弹簧片可保持刀垫位置不动。该结构特点是定位精度高、夹固牢靠、受力合理、适用方便，但工艺性较差。 (4
12、)楔块式刀片内孔定位在刀片槽的销轴上，带有斜面的压块由压紧螺钉下压时，楔块一面靠紧刀杆上的凸台，另一面将刀片推往刀片中间孔的圆柱销上压紧刀片。该结构的特点是操作简单方便，但定位精度较低，且夹紧力与切削力相反。2.3可转位外圆车削刀具材料2.3.1 刀具材料的重要性切削工具是实现生产过程优质、高效、低耗必不可少的条件和保证，而先进的切削刀具很大程度上有取决于刀具的材料技术。刀具材料的进步是切削加工技术进步的决定性因素之一。因此，刀具材料的开发、推广和正确选用是推动制造技术发展进步的重要动力，也是提高产品质量、降低加工成本和提高生产率的重要手段。如高速切削的目的是以较高的切削速度，高效、低成本地加
13、工工件，并获得较高的加工质量。为了提高切削速度，必须提高刀具的硬度，为了提高进给量，必须增强刀具的韧性，而为了实现高速大进给量切削，则必须同时提高上述两项指标。切削过程中，随着切削速度和切削温度的升高，刀尖会产生急剧磨损和烧蚀现象，这会严重降低刀具的使用寿命。另外工件材料和刀具材料的匹配问题，更会发生一些意想不到的影响刀具寿命的现象，如PCD刀具在高温下与铁元素发生严重的化学反应，故不宜用于加工黑色金属，因此，对于高速切削加工，刀具材料与刀具技术具有举足轻重的作用。近四十年来，刀具材料取得了巨大的发展。开发了一系列具有高强度、高韧性、高硬度及良好红硬性的，能适用于现代切削要求的刀具材料，尤其是
14、超硬材料的出现使得难加工材料的机加工成为现实。2.3.2 现代刀具材料的分类及性能（1）高速钢刀具高速钢材料发明于19世纪末，一般用熔炼法制成。在20世纪后期，逐步出现了许多高性能的高速钢，高性能高速钢是在普通高速钢的基础上，通过调整化学成分并添加其它合金元素，使其常温和高温性能得到显著提高。高速钢刀具韧性和刃磨性较好，但硬度较低。其常温硬度为6570HRC，高温硬度为50-55 HRC在6004C时)。熔炼高速钢容易出现的问题是碳化物偏析。硬而脆的碳化物在高速钢中分布不均匀，且晶粒粗大，对高速钢刀具的耐磨性、韧性及切削性能产生不利的影响。而粉末冶金高速钢是将高频感应炉熔炼出的钢液，用高压气体
15、(氩气或氮气)喷射使之雾化，再急冷而得到细小均匀的结晶组织(粉末)。再将粉末在高温(约1100)、高压(约lOOMpa)下压制成刀坯，或先制成钢坯再经过锻造、轧制成刀具形状，因此粉末冶金高速钢没有碳化物的偏析缺陷，碳化物晶粒尺寸在2 la m以下，其抗弯强度与韧性得以提高，一般比熔炼高速钢高出20一50，适用于制造承受冲击载荷的刀具。但高速钢只能承受600以下的温度。受耐热性的限制，其切削速度不能过高，其切削效率处于较低的水平，高速钢的硬度低，很难切削淬硬钢和冷硬铸铁。（2）硬质合金刀具硬质合金是于1923年开始投入使用的，其硬度比陶瓷、立方氮化硼及金刚石低，但比高速钢高，而韧性比高速钢低，但比陶瓷、立方氮化硼及金刚石好。硬质合金刀具主要优点之一是在高的切削温度下，其红硬性比高速钢刀具高，这种性能使得硬质合金刀具能以高于高速钢刀具的切削速度进行切削，从而提高生产效率及工件表面质量。在金属切削中，硬质合金刀具约占金属切削刀具的45一50，其中硬质合金铣削刀具约占硬质合金刀具的5-20。特别是硬质合金材料与涂层材料结合，可制作出切削超硬材料的刀具，如EMUGE、Gunther公司开发的采用整体硬质合金丝
