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大模数齿轮铣刀强度的有限元分析

发布于:2017-11-12 21:26
有限元分析

      盘形可转位大模数齿轮铣刀在切削过程中,会产生较大的应力,导致刀体变形甚至破损。刀体的刀槽侧壁是刀片的主要定位面,也是切削时的主要受力面,其强度及变形直接影响铣刀的寿命,因此需要对刀体受到切削力载荷时的强度进行有限元分析,校验铣刀的安全性,本研究采用有限元法建立铣刀的三维数字模型,然后利用有限元App进行分析计算。
      I-DEASApp集三维实体造型设计、工程分析、仿真、实验、制造和工程管理等各种功能于一体,可根据铣刀的廓形及用户需求的铣刀结构建立其三维模型,由于后续操作仅需一组刀片槽(两侧各一个顶刃刀片槽和一个圆周刀片槽),因次只律立一组刀片槽。
      刀体材料为42CrMo,其屈服强度为930MPa,抗拉强度为1080MPa。刀体上刀片槽分为顶刃刀片槽和圆周刀片槽,其切削宽度、深度等参数均有差别,因此其受力也不相同。这里选取同时参与切削的一组刀片槽进行分析,也就是取两侧各一个顶刃刀片槽和各一个圆周刀片槽。
      铣刀的受力计算按照加工方式较为接近的进行计算,铣刀类型选择盘铣刀,工件材料为碳钢,应用硬质合金铣刀切削力的计算经验公式计算。
      由于铣刀切削刃在各点的铣削深度a和铣削宽度e均为变化值,为了便于计算,铣削深度。按刀片参与切削部分平均深度值近似计算,即圆周齿的铣削深度a,按铣刀外径到搭接点的平均深度值近似计算,侧齿的铣削深度。按刀片全长去掉一个搭接长度和安全量平均深度值近似计算。同样,圆周齿的铣削宽度a按工件廓形深度进行计算,侧齿的铣削宽度a。按铣刀最大外径减去侧齿刀片中间点的深度进行计算。这样,铣削深度I和铣削宽度a,P均可视为常量,材料为碳钢时K、取1,为常量,两处刀片的K值均近似取1.23,也视为常量,另外,式中的d也为常量。由文献可知,前角系数K,在前角的变化量为11。
      随着每齿进给量f的值变大,切削力F的值变大,随着转数n的值变大,切削力F的值变小,并且,每齿进给量f的值变化对切削力F的值变化的影响程度远远大于转数n的值变化对切削力F的值变化的影响程度。因此,这里将转数n的值设为固定常量,并取较低的值60 r/min将每齿进给量关的值设为由0.1-0.5mm之间的变量,分别对刀体施加载荷进行分析。
      由于涉及的是线性静力学分析,在I-DEASApp中可采用传统的H方法,亦可以采用P方法,由于P方法具有不需重新构造网格,以较少的用户交互即可达到较高精度的优点,所以这里采用P方法进行分析。根据前面计算出的基础条件,将约束和载荷施加于刀体,并划分网格。利用I-DEAS的Simulation(仿真)模块中的Boundary Conditions(边界条件)子模块内的功能先对铣刀内孔施加全约束,然后将计算出的切削力分别施加到对应的刀片槽侧壁上(刀片槽侧壁所承受的切削力变成其对侧面的面压力),再进入Meshing(网格)子模块,将铣刀模型进行网格划分。
      利用有限元方法对齿轮铣刀的刀体强度进行分析,可以验证铣刀的设计安全性,在铣刀的设计过程中可及时发现不足而进行优化设计,从而提高产品质量。此外,分析结果显示,刀体最大变形量为0.035 mm(属局部变形),该变形会对铣刀的精度产生一定影响,其影响程度需另作分析。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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