對于Pro/mechanica的數控車刀的有限元分析

李進東++吳國明

【摘 要】在數控機床當中，最重要的組成結構就是數控車刀，加工精度的高低是由車刀的動態性能和靜態性能的好壞決定的。數控機床當中會用到Pro/Mechanica軟件，這主要是利用其對硬質合金車刀進行3D建模，然后對數控車刀進行有限元分析。通過分析結果，車刀的前八種模式的固有頻率超出數控加工過程中的頻率范圍，因此斷定車刀很難出現共振，從而保證了數控機床的安全運行。本文就對Pro/Mechanica的數控車刀進行有限元分析，旨在為數控機床的安全運行奠定基礎。

【關鍵詞】車刀 硬質合金 Pro/Mechanica 有限元分析

Pro/Mechanica屬于Pro/Engineer，這當中的另外兩個次模塊就是結構分析和熱力分析。在結構分析模塊當中，我們主要是對零件和裝配體進行結構分析，這種結構分析就包括對其進行靜態分析、模態分析、屈曲分析、接觸分析、預應力分析和振動分析；熱力分析模塊包括穩態分析和分布分析，且熱力狀態會對靈敏度分析和優化設計產生影響。

本文中，我們需要對車刀進行三維建模，這時就會采用Pro/Engineer作為輔助軟件，在對車刀進行模態分析和靜態分析的時候，我們采用Pro/Mechanica作為輔助軟件，從而得到數控車刀的固有頻率，然后結合生產當中出現的實際情況做靜力分析，這樣我們就能清楚每一種加工過程當中的切削力會對車刀產生怎樣的應力影響。

1 Pro/Mechanica的簡介

不是每一個大型的有限元分析軟件都具備較強的建模功能，有一些只是用來做一些簡單的三維模型；在分析復雜的零件或組件的時候，我們首先利用CAD軟件建模，然后把工作圖形導入到分析軟件里面，這時的工作圖形需要是IGES或STEP格式，也可以利用軟件接口導入。這種做法的缺點就是在模型的簡化和修補方面，CAE工程師會花費很多的時間和精力，降低了工作效率。鑒于這種情況，美國方面在Pro/Engineer的基礎上開發了Pro/Mechanica有限元分析軟件，這樣就實現了幾何建模和有限元分析的集成。

1.1 Pro/Mechanica的優點

把Pro/Mechanica和其他有限元分析軟件進行比較，我們可以發現其存在以下優點：

（1）Pro/Mechanica對產品進行設計的時候，就能對產品的性能進行評估，并及時找出產品存在的缺點，從而對產品進行優化設計，這種做法不只減少了成本的支出，而且還提高了設計效率。

（2）在產品的設計模塊里面，Pro/Mechanica可以實現無縫集成，不用在簡化和修補方面花費太多的時間和精力，并且也能讓軟件可以簡便的計算出相應的產品參數。

（3）Pro/Mechanica讓分析的流程變得簡單，在對其進行網格單元的操作的時候，不只可以進行精確的收斂，還能夠進行簡便運算。

（4）Pro/Mechanica和Pro/Engineer的界面一樣，能提高設計效率。

1.2 Pro/Mechanica的組件分析

在實際的應用當中，我們對產品進行有限元分析，主要是對其組件進行分析。通常情況下，我們都是分析關鍵性的零件，這樣可以減少求解規模，但是這不可以全方面的了解零件在組件當中的行為，因此得到的結果不是十分精確。組件的Pro/Mechanica有限元分析，是為了在Pro/Mechanica當中得到裝配信息，能夠把產生接觸的兩個零件作為一個獨立的個體來對待。Pro/Engineer存在很多的連接方法，這些連接方法能夠讓組件模型更能接近實際情況，在Pro/Mechanica當中，我們可以模擬螺栓和螺釘連接、剛性連接、焊接等固定連接。

Pro/Mechanica當中的網格劃分工作是自動完成的，并且不會和AutoGEM網格劃分工具產生沖突。在Native Mode下，默認采用P-Code單元進行網格劃分，這樣就可以更容易讓求解出現收斂。

2 數控車刀建模及切削力分析

2.1 數控車刀建模

本文選用數控車刀為35°偏刀，這種車刀由以下幾個部分組成：刀柄、刀粒、墊片和緊固件，其主要參數如表1所示。我們在對車刀進行三維建模的時候，是采用Pro/Engineer Wildfire5.0作為輔助軟件，所得的模型和刀具實物如圖1所示。

2.2 數控車刀受力分析

數控車床在對工件進行車削加工的時候，車刀除了會承受變形力之外，還會承受摩擦阻力，變形力是工件在產生切屑的時候，切屑因為產生彈性變形和塑性變形而形成的，摩擦阻力則是因為刀具切屑和工件表面出現摩擦而形成的?？朔@兩方面的構成了切削合力，它作用在前刀面和后刀面上，如果刀具比較如理或者出現了正常磨損，那么，切削合力大部分作用在刀具的前刀面。本文當中的切削力是用刀具前刀面的作用力代替的。根據牛頓第三定律，工件在切削的時候，車刀所受的力是切削合力的反作用力，其特點是方向相反、大小相同。

2.3 數控車刀的模態分析

在對車刀進行3D建模的時候，我們需要利用到Pro/Engineer Wildfire5.0軟件，FEM是用來分析Pro/Mechanica軟件，求解出固有頻率。

2.3.1 對指定材料進行設置

數控車刀的組成部分比較多，每一部分都是由不同的材料制成的，除了刀粒屬于硬質合金材料之外，其他的都是鋼材料，其特性參數如表1所示。

2.3.2 劃分網格

Pro/Mechanica軟件當中具備AutoGEM功能，這樣就可以對模型進行網格劃分，得到以下參數：邊數252，面數338，四面體數142，邊角最小度數為5.06°，最大度數為169.91°。

2.3.3 設置約束

在加工工件的時候，車刀刀柄的底部和側面要根據其實際情況進行固定，刀粒和刀具主體之間是螺紋連接，所以，在平面約束的設置當中需要設置銷釘約束。

2.3.4 計算模態分析

完成以上的幾個步驟之后就可以進行模態分析，在模態分析當中沒有載荷，因此模態當中的分析模式數為8，不同的模式具備不同的應力、位移、應變。

3 數控車刀的靜態分析和參數優化

針對數控車刀的靜態分析，我們可以按照以下幾個步驟進行：第一步，設置材料；第二步，指定材料；第三步，網格劃分；第四步，設置約束；第五步，設置載荷；第六步，分析計算。這當中有幾個步驟的分析過程是一樣的，那就是設置材料、網格劃分、設置約束和模態分析；在對數控車刀進行設置載荷這一步驟的時候，會產生以下幾種載荷：刀柄的夾持力、切削力的反作用力。本文當中會對車刀的粗車和半精車過程進行分析，主要是分析切削力對車刀的應力影響，工件為鋼料，刀具是WC硬質合金材料。

我們知道，數控車刀在進行粗車的時候，靜態分析之后的最大應力可達到6.189e+3MPa，最大位移量是1.036e-2mm，而數控車刀在進行半精車的時候，所得到的靜態分析最大應力為3.053e+3MPa，最大位移量是5.11e-3mm。根據計算結果，我們可以知道，數控車刀在進行粗車加工的時候，刀尖處會發生最大應力，應力值比硬質合金的抗彎強度還要大，硬質合金的抗彎精度為5460MPa，因此，數控車刀在進行粗車的時候，車刀會因其應力值的增大而遭到破壞，但是數控車刀在進行半精車加工的時候，因為其應力值處于安全范圍，因此不會出現破壞情況。以上所述的只是理論上的結果，我們需要在實際生產當中去驗證這個結論，實踐中使用粗車參數加工進行到一定時間的時候，我發現數控車刀出現了崩刀的情況，驗證了該分析結果。因此，我們需要對數控車刀粗車過程當中產生的切削參數進行優化，使其最大應力值處于硬質合金材料的抗彎強度之中。

4 結論

本文當中，我們對硬質合金車刀進行三維建模，并且采用Pro/Engineer作為輔助軟件，再結合上Pro/Mechanica的有限元分析，通過其所得到的分析結果，我們可以得到以下的結論：

（1）在加工過程當中，數控車刀的頻率由于模式的增加也變得越來越快，頻率數值通常是在12671.2-30181.4Hz之間，數控機床在進行加工的時候，電源的頻率是50Hz，低速車床主軸轉速的頻率在100Hz以下，但是車刀的固有頻率都不在這兩個范圍之內，因此數控機床在生產過程當中不容易發生共振，并能夠安全、可靠的運行，這個特點能夠從其生產過程的動態分析之中得到。

（2）在對數控車刀的切削力進行計算時，我們同時對數控車刀的受力情況也做出了分析，結果顯示數控車刀在進行粗車的時候，所得到的靜態分析最大應力為6.189e+3MPa，最大位移量是1.036e-2mm，而數控車刀在進行半精車的時候，所得到的靜態分析最大應力為3.053e+3MPa，最大位移量是5.11e-3mm。數控車刀在粗車的過程當中，其產生的最大應力值比硬質合金材料的抗壓強度還要大，而在進行半精車的時候，數控車刀的最大應力值比抗彎強度小，因此，我們需要對數控車刀的粗車加工過程進行優化設計，優化之后，數控車刀的最大應力值是4.942e+3MPa，比硬質合金的抗彎強度還要小，因此，把這樣的切削參數加在數控車刀上，再去進行數控加工，自然是安全可靠的。

5 結語

機械加工當中，需要對工件的精度具備很高的要求，數控刀具的個體分析和靜態分析與其是息息相關的，因此，我們需要對數控刀具進行動態和靜態的分析和計算。本文對數控車刀的分析當中，詳細的介紹了兩種輔助軟件，Pro/Engineer和Pro/Mechanica，由此來進行三維建模和有限元分析。在此期間，我們對數控刀具的結構分析和計算，驗證了理論上得出的結果，并對其進行優化處理，使數控車刀在數控機床當中的使用變得更加安全、可靠。機械加工制造業對我國的國民經濟而言至關重要，因此，我們更應該提高對數控車刀的有限元分析能力，借此提升企業的制造力，增強企業的市場競爭力。

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