可转位数控车刀有限元优化设计.pdf

学兔兔 可 转 位 数 控 车 刀 的 有 限 元 优 化 设 ~-I- 口 余 谧 上海电机学院 上海 200093 摘 要：运用Pro／Mechanica有限元分析模块，结合Pro／E强大的参数化功能和Pro／Mechanica高效的灵敏度分析 方法，对可转位数控车刀进行可行性优化设计。进一步提高了数控刀具的开发效率，对生产实践有着重要的指导意义。 关键词：Pro／Mechanica 可转位车刀 全局灵敏度 优化设计 中图分类号：TG712；TP391 文献标识码：A 文章编号：1000—4998(2010)06—0060—03 新产品的研发，按照传统的设计理念往往要经过 设计、样机试制、工业性试验、改进定型和批量生产等 几个阶段。然而如果产品不满足设计要求，首先必须确 定机构中某些相关零件的技术性能，然后找出那些需 要修改的零件 ，找到那些对机构技术性能影响程度较 大的几何尺寸，从而获取各零件合理的结构参数以保 证机构的准确运行，最终在众多的设计方案中获取最 优的解决方案。对于上述解决问题的方法，在传统的设 计过程中，通常依靠设计者通过大量计算和丰富的设 计经验来完成 ，这对普通设计者来说是相当困难的。 Pro／Mechanica提供了简单可行的分析方法，将工程领 域中广泛应用的有限元分析方法与 CAD技术相互集 跃，刀具的切削性能有显著的提高；切削技术实现了由 成，共同实现“设计 一评价 一再设计”的自动化，提高了 传统的切削工艺向创新制造工艺的飞跃，大大提高了 设计的精准度和效率。 切削加工的效率。切削刀具从低值易耗品过渡到全面 本文运用该软件对可转位数控车刀的刀柄和刀片 进入“三高一专”高效率、高精度、高可靠性和专用化的 进行有限元分析，分析其在切削合金结构钢时的应力 数控刀具时代。 和应变，同时求解出在满足一定强度条件下刀具前角 在切削过程中，有大小相等、方向相反、分别作用 和后角的最优值。 在刀具和工件上的力，这个在切削运动过程中所产生 的力，称为总切削力。如图2所示总切削力 F叉可分为 1 Pro／Mechanica的有限元优化设计 与切削速度方向一致的切削力 、进给力 一和背向 Pro／Mechanica Structure模块是集静态、动态结构 力 。总切削力 F与各分力关系以及三分力之间的粗 分析于一体的有限元分析模块，其分析任务分为两类， 略关系如下方程所示： 第一类是模拟真实环境为模型施加约束和载荷，测算 {F 、F F Ft 其应力、应变、位移等参数 ，实现静态、翘曲、疲劳、频 { =(0．15～0．7) (1) 率、振动等分析；第二类是通过制定设计参数，在给定 n=(O．1～0．6) 的变化范围内进行灵敏度分析，并借助可行性优化分 分析方程式可知 ，切 析为模型寻求最佳参数。Pro／Mechanica的集成工作模 削力 是切削分力中最 式能直接调用建模参数进行优化分析，其工作流程如 关键的力，常用工件材料 图1所示。以下就可转位数控车刀的优化设计为例，阐 的切削层单位面积切削力 述 Pro／Mechanica有限元分析模块的特点。 来计算。切削层单位面积 1．1