陶瓷刀具低速切削時的有限元分析

發(fā)布日期：2012-08-29 蘭生客服中心瀏覽：2662

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1 梯度功能陶瓷刀具的三維機械應力場計算模型

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。低速切削時熱應力較小，機械應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力。

圖1 機械應力的計算模型

圖1所示為機械應力的計算模型。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，刀槽兩側面可限制刀片繞z軸旋轉。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)

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
F_z(N)	74.9	68.9	65.4
F_X(N)	59.9	55.1	52.3
F_Y(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力(Principal)理論、最大剪應力(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力理論及最大剪應力理論；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，所以應計算梯度功能陶瓷刀具內的最大拉應力、最大剪應力及最大形狀改變比能(Mises)應力。

表2 FG-2各層的物理性能
層號	比重r (g·cm^-3)	導熱系數k(20℃) [w·(mK)^-1]	比熱C(20℃) [cal·(gK)^-1]	熱膨脹系數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 三維機械應力場的計算結果及分析

圖2為FG-2和SG-4兩種刀具的最大Mises應力與切削速度的關系曲線。圖3為兩種刀具的最大剪應力與切削速度的關系曲線。圖4為兩種刀具的最大拉應力與切削速度的關系曲線。從圖中可以看出，FG-2和SG-4的最大Mises應力、最大剪應力及最大拉應力幾乎完全相同，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。有限元計算結果表明：在三種切削速度下FG-2前刀面的Mises應力場與SG-4基本相同，均是在刀尖處Mises應力最大，因此此處容易發(fā)生塑性破壞。

圖2 FG-2和SG-4的最大Mises應力與切削速度的關系曲線