基于ANSYS的高速切削涂層刀具仿真分析

2016-08-30 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

摘要:針對含有缺陷的涂層刀具,利用ANSYS軟件建立其切削過程的三維仿真模型,詳細分析了缺陷的尺寸(長度、寬度、深度)對刀具溫度變化的影響,為刀具缺陷的檢測提供理論依據(jù)。

1 概述

刀具是切削加工不可或缺的重要工具,刀具性能的優(yōu)劣直接影響著整個工作母機的生產(chǎn)效率、加工精度以及產(chǎn)品的質(zhì)量。涂層技術(shù)是為了改善高速切削加工中的高熱量引起刀具的彈塑性形變,提高高度的使用壽命。研究結(jié)果表面:含涂層的刀具的使用壽命是普通刀具的2倍。

在涂層刀具帶來的上述優(yōu)點的同時,它會帶來刀具缺陷檢測帶來一定的難度。為此,本文通過ANSYS對含有缺陷的涂層刀具進行有限元建模,并對刀具涂層的尺寸(長度、寬度及深度)對刀具溫度的影響進行詳細分析,為涂層刀具的設(shè)計以及其缺陷探測技術(shù)奠定理論基礎(chǔ),對保證加工質(zhì)量和高可靠性的切削有重要的實際意義。

2 有缺陷涂層刀具溫度場仿真實例

刀具在生產(chǎn)加工中將會受到?jīng)_擊、振動等使其產(chǎn)生缺陷,這將會降低產(chǎn)品的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率,甚至威脅到生產(chǎn)的安全,因此,刀具缺陷的實時檢測是必不可少的,尤其對于加工精度高的產(chǎn)品來說更為重要。本文首先用DEFORM對切削過程進行有限元的建模與求解,然后將得到的溫度場數(shù)據(jù)來簡化邊界條件,使用ANSYS進行給定熱源的有限元建模。將已知熱源作為已知邊界條件加載,從而求出帶有缺陷的涂層刀具的溫度場分布。通過ANSYS軟件來建立大塑性變形下的切削模型,生成FEM模型,再通過對FEM模型的分析以得到刀具溫度的分布情況。

2.1 仿真建模對有缺陷涂層刀具的溫度場進行仿真時,主要分為以下幾步:

①利用DEFORM建模求解,圖1給出了DEFORM中工件和刀具的有限元模型及刀具的溫度場分布情況。②根據(jù)刀具的尺寸建立其幾何模型,并導(dǎo)入ANSYS,進行網(wǎng)格劃分。③確定熱邊界條件。④根據(jù)上述步驟,運行ANSYS得到仿真結(jié)果。

2.2 結(jié)果分析

①缺陷長度對刀具溫度的影響仿真中,假設(shè)刀具缺陷的寬度和深度為0.12mm×0.18mm,其深度分別為0.2mm、0.3mm和0.4mm時涂層刀具的溫度場如圖2(a)所示。

由圖2(a)可知,在保持缺陷寬度和深度不變的情況下,缺陷越長,缺陷靠近刀尖一側(cè)表面溫度越高。

表1給出了在保證缺陷寬度和深度不變的情況下,不同缺陷長度時刀具的最高溫度。表1表明:刀具的最高溫度隨著缺陷長度的增加而升高。

②缺陷深度對刀具溫度的影響缺陷寬度和長度為0.12mm×0.3mm,其深度分別為0.03mm、0.09mm和0.15mm時涂層刀具的溫度場如圖2(b)所示?？芍?缺陷寬度和深度恒定,無缺陷刀具在靠近刀尖位置時的表面溫度高于有缺陷時的溫度,且其表面溫度隨著缺陷深度的增加而升高。

表2對比了存在缺陷時刀具的最高溫度隨著缺陷深度的變化情況?？芍?有缺陷時刀具的最高溫度隨著缺陷深度的增加而升高。

缺陷的寬度對刀具溫度的影響可采用上述方法進行分析,由于篇幅原因,這里沒有給出其圖形,僅總結(jié)出其變化規(guī)律。

規(guī)律如下:涂層刀具的最高溫度隨著缺陷寬度、長度、深度的增加而升高,其表面溫度隨著距離刀尖位置的增加而降低。

3 結(jié)論

本文通過DEFORM和ANSYS對刀具在有無缺陷的溫度場進行有限元建模仿真,并詳細給出了刀具的表面溫度和最高溫度隨缺陷寬度、深度及長度的變化規(guī)律。為在實際應(yīng)用中進行涂層刀具的缺陷檢測技術(shù)提供一定的理論依據(jù)。