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摘 要：刀具强度是影响刀具使用寿命的因素之一。文章利用UG软件对硬质合金车刀进行了受力分析，确定了硬质合金车刀在试验条件下，切削深度对切削力的影响关系及此条件下刀具合理的切削用量。
关键词：硬质合金；切削力；切削深度；应力
1 概述
在车刀进行切削运动的过程中，刀具的使用寿命受多种因素的影响。切削用量就是影响刀具寿命的因素之一。文章主要利用UG软件研究硬质合金车刀在试验条件下合理的切削用量。
2 切削用量与切削力
2.1 切削用量
切削用量包括切削速度、进给量和切削深度。在车刀材料、车刀几何参数、工件材料及刀具磨损情况确定时，切削力的大小由切削用量决定。车削加工中切削用量的使用范围[1]可以查到。
2.2 切削力
实际车削加工中，作用在刀具上的力分解为3个方向，分别以Fz代表切向力，Fy表示切深抗力，Fx则为进给力，如图1所示。切削力大小可由经验公式[2]计算，在确定的刀具材料、刀具几何角度、工件材料、进给量和切削速度的前提下，切削力的计算公式可以简化，具体见公式（1）-（3）。
Fx=313.39ap （1）
Fy=234.81ap0.9 （2）
Fx=614.61ap （3）
由上述公式可见，只要切削深度ap改变，切削力数值也会发生变化。文章就是利用UG软件，找到刀具在确定的进给量和切削速度条件下，切削深度与切削应力和受力点的位移的关系。
3 UG 环境下车刀的受力分析
3.1 试验参数
试验条件：工件材料为中碳合金钢，刀具材料为YT5硬质合金，刀体几何尺寸：B×H=16mm×16mm，L=110mm。车刀主要角度：前角0=10°，后角o=5°，主偏角kr=90°，副偏角kr"=3°，刃倾角s=-5°。刀具材料的机械性能：弹性模量E=600GPa；泊松比=0.27；密度12.8g/cm3。切削用量：切削速度v=1.33m/S，进给量（或进给速度）f=0.4mm/r，切削深度（背吃刀量）ap由试验确定。
3.2 刀具有限元分析
利用UG软件对硬质合金车刀进行建模，然后进行单元格划分，文章采用3D四面体网格中的CTETRA（10）类型对车刀进行网格划分，单元尺寸6.12mm，共划分节点2136个、单元1080个。在刀体的上、下面和侧面施加固定约束。车刀的单元格划分和施加约束结果如图1所示。
3.3 刀具受力分析
在UG软件中对车刀施加载荷，由于实际情况比较复杂，为方便计算做出以下假设[3]：（1）假设刀具在整个切削过程中不会受到冲击，是处于静应力分布的状态。（2）假设在整个切削的过程中，刀具不会受到温度变化的影响。刀具在进行切削运动时，有三个作用力，其中Fx，Fz作用在主切削刃上，Fy作用于刀尖。刀具受力如图1所示。
用UG对刀具模型分析解算。切削深度在2.36mm时的应力云图见图2和位移图见图3。从图2可以看到，切削深度为2.36mm时，刀尖处最大应力滓max为580.08MPa。由图3可以得知，此时刀具受力点处位移为3.785×10-3mm。按此方法，可以得到不同切削深度时的最大应力数值和位移大小，切削深度与位移的关系见图4，切削深度与应力的关系见图5。
3.4 受力结果分析
由公式（1）～（3）可知，改变切削深度的大小，刀刃所受切削力的数值会变。改变切深，刀具所受应力及受力点处的位移也会发生变化，通过试验找到有代表性的几组数值。详细情况见图4和图5。
图4横坐标表示切深，单位mm，纵坐标表示位移，单位x10-3mm。由图4可知，刀具受力点处的位移随切深增大而增大。UG软件试验结果与实际情况吻合。
图5横坐标表示切深，单位mm，纵坐标表示最大应力，单位MPa。由图5可知，刀具最大应力开始随切深增大而增大，切深在2.36mm时应力达到最大值，随后，最大应力随切深增大而减小。为保证刀具具有足够的强度，刀具加工应该在较小应力下进行，实际加工中切削深度推荐的数值为2.5～4.7mm，UG软件试验结果也显示切深在2.5～3mm是合理的，这点与实际情况相符。
4 结束语
（1）文章以YT5硬质合金的外圆车刀为例进行刀具受力模拟分
析，得到该刀具在试验条件下，切削深度对切削力的影响关系。（2）通过改变切削深度而改变切削力的数值，得到刀具在试验条件下，切深与应力及切深与位移的关系。该方法可为合理选择切削用量提供理论依据。
参考文献
[1]陈则钧.车工工作手册[M].北京：化学工业出版社，2007：350.
[2]卢秉恒.机械制造技术基础[M].北京：机械工业出版社，2014：34.
[3]宁仲良，张广军.刀具强度的有限元数值模拟分析[J].工具技术，2013（37）：13-15.
作者简介：王秀芝（1969，4-），女，汉族，天津人，学历：本科，现职称：高级讲师，研究方向：机械制造。
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