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刀具强度的有限元数值模拟分析

来源：CAD世界网

1、引言

金属切削过程是刀具与工件相互作用的过程。在机床—夹具—刀具—工件构成的加工系统中，合理选用

刀具十分重要。刀具的整体结构、切削刃材料与几何形状都会直接影响刀具使用寿命、工件加工质量和切

削生产效率。因此，在切削过程中，刀具应具有较高的强度、良好的韧性、较长的寿命以及良好的工艺性。

对刀具强度进行理论分析，了解刀具内部的应力应变状态，不仅有利于在加工过程中合理选择刀具，而且

可为进一步改善刀具内部受力状态、提高刀具使用寿命提供理论依据。

2、有限元数值分析软件ANSYS简介

有限元数值分析软件(ANSYS)将现代数学、力学的基础理论与有限元分析技术、计算机图形学和优化技

术相结合，具有丰富、完善的单元库、材料模型库和求解器，可利用数值模拟技术高效求解各类结构动力、

静力和线性、非线性问题。ANSYS作为一种有限元分析软件，已成为CAE和工程数值模拟的有效工具，

是当今CADFCAEFCAM软件中的主流产品之一。

利用ANSYS进行有限元结构的力学分析时，通过对所施加的载荷进行数值模拟，分析应力应变集中区，

从而达到强度分析和优化设计的目的。ANSYS求解的三个主要步骤为：创建有限元模型(前处理)→施加载

荷并求解(求解)→查看分析结果(后处理)。

3、刀具力学模型的建立

在金属切削过程中，当刀具切入工件时，使被加工材料发生变形并形成切屑所需的力称为切削力。切削

力的大小直接影响刀具、机床、夹具的设计与使用。切削力包括克服被加工材料变形时产生的弹性和塑性

变形抗力、克服切屑对刀具前刀面的摩擦力以及刀具后刀面对加工表面和已加工表面之间的摩擦力。

图1刀具受力分析示意图

为便于分析、计算和测量刀具受力情况，可按切削主运动速度方向、切深方向和进给方向建立空间直角

坐标系，将切削合力F在该坐标系中分解成三个分力，即主切削力F——切削速度方向分力(切向

rz

力)、切深抗力F——切深方向分力(径向力)和进给抗力F——进给方向分力(轴向力)(见图1)。

yx

主切削力Fz是最大的分力，也是设计、使用刀具的主要依据，同时还可用于验算机床、夹具主要零部件

的强度、刚度以及机床电机功率等。切深抗力Fy并不消耗功率，主要对工艺系统的变形及零件的加工质量

产生影响，但当机床—夹具—刀具—工件组成的工艺系统刚性不足时，Fy是造成零件变形和加工振动的主

要因素。进给抗力Fx主要作用于机床进给系统，是验算机床进给系统主要零部件强度和刚性的重要依据。

4、刀具强度有限元分析实例

车刀是应用最广泛的金属切削刀具之一，主要用于车削加工各种回转表面和回转体端面等。下面以典型

的外圆车刀为例，应用ANSYS对刀具强度进行有限元数值模拟分析。

(1)试验参数

采用硬质合金车刀在C630卧式车床上进行车削试验。工件材料为的碳素钢。选

取刀具几何参数：刀杆材料：45钢；刀杆几何尺寸：B×H=20mm×25mm，L=150mm。刀片材料：YT15；

车刀主要角度：前角，刀具材料

的机械性能：强度极限：600Mpa；屈服极限：355MPa；弹性模量E=206GPa；泊松比=0.27。切削用量：

切削速度)v=100m/min，进给量(或进给速度)f=0.5mm/r，背吃刀量

c

(2)划分单元格

根据刀具的几何尺寸，在ANSYS交互模式下创建刀具有限元实体模型。

图2有限元网格图

通过ANSYS自带的自适应网格划分方法进行单元格的划分，自定义单元长度。采用八节点六面体Soli

d45单元类型(该单元类型便于施加载荷，且计算精度较高)，将车刀划分为1569个节点、6934个单元(见图

2，单元划分较密是为了更清楚地显示应力集