对于Pro/mechanica的数控车刀的有限元分析

【摘 要】在数控机床当中，最重要的组成结构就是数控车刀，加工精度的高低是由车刀的动态性能和静态性能的好坏决定的。数控机床当中会用到Pro/Mechanica软件，这主要是利用其对硬质合金车刀进行3D建模，然后对数控车刀进行有限元分析。通过分析结果，车刀的前八种模式的固有频率超出数控加工过程中的频率范围，因此断定车刀很难出现共振，从而保证了数控机床的安全运行。本文就对Pro/Mechanica的数控车刀进行有限元分析，旨在为数控机床的安全运行奠定基础。

【关键词】车刀 硬质合金 Pro/Mechanica 有限元分析

Pro/Mechanica属于Pro/Engineer，这当中的另外两个次模块就是结构分析和热力分析。在结构分析模块当中，我们主要是对零件和装配体进行结构分析，这种结构分析就包括对其进行静态分析、模态分析、屈曲分析、接触分析、预应力分析和振动分析；热力分析模块包括稳态分析和分布分析，且热力状态会对灵敏度分析和优化设计产生影响。

本文中，我们需要对车刀进行三维建模，这时就会采用Pro/Engineer作为辅助软件，在对车刀进行模态分析和静态分析的时候，我们采用Pro/Mechanica作为辅助软件，从而得到数控车刀的固有频率，然后结合生产当中出现的实际情况做静力分析，这样我们就能清楚每一种加工过程当中的切削力会对车刀产生怎样的应力影响。

1 Pro/Mechanica的简介

不是每一个大型的有限元分析软件都具备较强的建模功能，有一些只是用来做一些简单的三维模型；在分析复杂的零件或组件的时候，我们首先利用CAD软件建模，然后把工作图形导入到分析软件里面，这时的工作图形需要是IGES或STEP格式，也可以利用软件接口导入。这种做法的缺点就是在模型的简化和修补方面，CAE工程师会花费很多的时间和精力，降低了工作效率。鉴于这种情况，美国方面在Pro/Engineer的基础上开发了Pro/Mechanica有限元分析软件，这样就实现了几何建模和有限元分析的集成。

1.1 Pro/Mechanica的优点

把Pro/Mechanica和其他有限元分析软件进行比较，我们可以发现其存在以下优点：

（1）Pro/Mechanica对产品进行设计的时候，就能对产品的性能进行评估，并及时找出产品存在的缺点，从而对产品进行优化设计，这种做法不只减少了成本的支出，而且还提高了设计效率。

（2）在产品的设计模块里面，Pro/Mechanica可以实现无缝集成，不用在简化和修补方面花费太多的时间和精力，并且也能让软件可以简便的计算出相应的产品参数。

（3）Pro/Mechanica让分析的流程变得简单，在对其进行网格单元的操作的时候，不只可以进行精确的收敛，还能够进行简便运算。

（4）Pro/Mechanica和Pro/Engineer的界面一样，能提高设计效率。

1.2 Pro/Mechanica的组件分析

在实际的应用当中，我们对产品进行有限元分析，主要是对其组件进行分析。通常情况下，我们都是分析关键性的零件，这样可以减少求解规模，但是这不可以全方面的了解零件在组件当中的行为，因此得到的结果不是十分精确。组件的Pro/Mechanica有限元分析，是为了在Pro/Mechanica当中得到装配信息，能够把产生接触的两个零件作为一个独立的个体来对待。Pro/Engineer存在很多的连接方法，这些连接方法能够让组件模型更能接近实际情况，在Pro/Mechanica当中，我们可以模拟螺栓和螺钉连接、刚性连接、焊接等固定连接。

Pro/Mechanica当中的网格划分工作是自动完成的，并且不会和AutoGEM网格划分工具产生冲突。在Native Mode下，默认采用P-Code单元进行网格划分，这样就可以更容易让求解出现收敛。

2 数控车刀建模及切削力分析

2.1 数控车刀建模

本文选用数控车刀为35°偏刀，这种车刀由以下几个部分组成：刀柄、刀粒、垫片和紧固件，其主要参数如表1所示。我们在对车刀进行三维建模的时候，是采用Pro/Engineer Wildfire5.0作为辅助软件，所得的模型和刀具实物如图1所示。

2.2 数控车刀受力分析

数控车床在对工件进行车削加工的时候，车刀除了会承受变形力之外，还会承受摩擦阻力，变形力是工件在产生切屑的时候，切屑因为产生弹性变形和塑性变形而形成的，摩擦阻力则是因为刀具切屑和工件表面出现摩擦而形成的。克服这两方面的构成了切削合力，它作用在前刀面和后刀面上，如果刀具比较如理或者出现了正常磨损，那么，切削合力大部分作用在刀具的前刀面。本文当中的切削力是用刀具前刀面的作用力代替的。根据牛顿第三定律，工件在切削的时候，车刀所受的力是切削合力的反作用力，其特点是方向相反、大小相同。

2.3 数控车刀的模态分析

在对车刀进行3D建模的时候，我们需要利用到Pro/Engineer Wildfire5.0软件，FEM是用来分析Pro/Mechanica软件，求解出固有频率。

2.3.1 对指定材料进行设置

数控车刀的组成部分比较多，每一部分都是由不同的材料制成的，除了刀粒属于硬质合金材料之外，其他的都是钢材料，其特性参数如表1所示。

2.3.2 划分网格

Pro/Mechanica软件当中具备AutoGEM功能，这样就可以对模型进行网格划分，得到以下参数：边数252，面数338，四面体数142，边角最小度数为5.06°，最大度数为169.91°。

2.3.3 设置约束

在加工工件的时候，车刀刀柄的底部和侧面要根据其实际情况进行固定，刀粒和刀具主体之间是螺纹连接，所以，在平面约束的设置当中需要设置销钉约束。