陶瓷刀具低速切削時(shí)的有限元分析

發(fā)布日期：2012-08-29    蘭生客服中心    瀏覽：2661


1 梯度功能陶瓷刀具的三維機(jī)械應(yīng)力場(chǎng)計(jì)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(shí)，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(wú)太大優(yōu)勢(shì)。低速切削時(shí)熱應(yīng)力較小，機(jī)械應(yīng)力是刀具破損的主要原因。通過(guò)用有限元方法對(duì)切削時(shí)的梯度功能陶瓷刀具進(jìn)行分析，可求出其最大機(jī)械應(yīng)力。






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圖1 機(jī)械應(yīng)力的計(jì)算模型


圖1所示為機(jī)械應(yīng)力的計(jì)算模型。刀片置于刀槽中，刀槽底面約束刀片的z軸負(fù)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(gè)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(gè)自由度被全部約束。

在切削過(guò)程中，刀具承受的切削力Fr有FZ、Fy和Fx三個(gè)分量。由于采用有限元法計(jì)算時(shí)切削力要施加在各節(jié)點(diǎn)上，所以假定切削力沿刀—屑接觸長(zhǎng)度方向?yàn)槿切畏植�，而沿主、副切削刃方向�(yàn)榫鶆蚍植肌Ｓ赡澄墨I(xiàn)可知，SG-4陶瓷刀具在加工淬硬高碳工具鋼時(shí)的切削力經(jīng)驗(yàn)公式為




Fz=34444ap0.88f0.65v-0.12 (1)

假定







FY=0.5Fz (2)
FX=0.8Fz (3)























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) 50 100 150
Fz(N) 74.9 68.9 65.4
FX(N) 59.9 55.1 52.3
FY(N) 37.5 34.5 32.7


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(jìn)給量f=0.05mm/r，背吃刀量ap=0.2mm，工件材料為T(mén)10A(硬度59.5HRC)。FG-2各層的物理性能見(jiàn)表2(SG-4的物理性能與FG-2的第一層相同)。

由于夾緊點(diǎn)距刀尖較遠(yuǎn)，夾緊力對(duì)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(shí)由于陶瓷刀片表面非常光滑，摩擦系數(shù)很小，所以?shī)A緊時(shí)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(duì)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(duì)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(shí)，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(jì)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。










































表2 FG-2各層的物理性能
層號(hào) 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
4 5.666 35.16 0.127 7.660 424.7 0.242
3/5 5.94 34.35 0.121 7.522 432.6 0.239
2/6 6.22 33.55 0.115 7.386 440.7 0.235
1/7 6.50 32.77 0.110 7.251 448.9 0.232

2 三維機(jī)械應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)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(shuō)明梯度功能陶瓷刀具材料在抗機(jī)械應(yīng)力引起的損壞方面與普通陶瓷刀具材料相比并無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)。有限元計(jì)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(chǎng)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。













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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

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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

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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







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圖5 v=50m/min時(shí)FG-2主后刀面最大拉應(yīng)力場(chǎng)

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圖6 v=50m/min時(shí)SG-4主后刀面最大拉應(yīng)力場(chǎng)



圖5和圖6分別為FG-2和SG-4在v=50m/min時(shí)主后刀面的最大拉應(yīng)力場(chǎng)。由圖可見(jiàn)，兩種刀具主后刀面的最大拉應(yīng)力場(chǎng)并無(wú)差異，最大拉應(yīng)力場(chǎng)位于距前刀面很近的地方，由此可以推斷此處即為破壞時(shí)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(jī)械應(yīng)力場(chǎng)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(shí)機(jī)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(shí)的抗破損能力與普通陶瓷刀具相比并無(wú)太大優(yōu)勢(shì)。

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