基于UG7.5细长杆类数控刀具屈曲响应分析

王继群,张文兵（北京工业职业技术学院 机电工程学院,北京 100042）

基于UG7.5细长杆类数控刀具屈曲响应分析

王继群,张文兵
（北京工业职业技术学院 机电工程学院,北京 100042）

摘 要：本文利用UG软件对细长杆类刀具系统进行屈曲响应分析，计算出了产生失稳状态的临界荷载，并对改变刀杆的悬臂长度对临界荷载的影响程度进行了分析。最后分别采用线性静态和非线性静态解算模块对超荷载状态下的刀具加以分析，对比验证了分析结果。

关键词：UG；细长杆类刀具；屈曲响应分析；临界荷载

随着CNC雕刻加工技术在数控加工领域的发展，小直径细长杆类刀具被越来越广泛的应用。但是在生产加工过程中，随之也带来一系列的问题，由于数控精雕类的刀具刀杆较长，极易出现失稳现象，对产品加工精度造成一定的影响，因此，对于所使用的细长杆类刀具进行屈曲响应分析就十分必要[1]。

1　UG软件的简介

UG软件是全球最为高端的工业软件之一，涵盖了产品开发的所有过程——设计、制造和仿真分析，广泛的应用在国防、机械、汽车、电子等各个领域。它实现了CAD/CAM/CAE无缝对接，为企业提供了解决问题的方案。该软件的计算机辅助分析功能十分强大，其有限元分析种类越来越多，解算功能越来越强，本文以UG7.5版本为平台，对细长杆类刀具进行了相应的屈曲响应分析。

2　 屈曲响应分析概述

所谓屈曲就是指处于稳定平衡状态的细长杆类结构当承受荷载达到某一值时，突然丧失平衡状态，这一过程就称为失稳或屈曲，相应的荷载称为临界荷载。屈曲响应分析主要用于研究结构在特定荷载下的稳定性以及确定结构失稳的临界荷载，主要包括：线性屈曲和非线性屈曲分析。

线性屈曲是以小位移小应变的线弹性理论为基础的，分析中不考虑结构在受载变形过程中结构构形的变化，也就是在外力施加的各个阶段，总是在结构初始构形上建立平衡方程。我们对刀具系统的屈曲分析绝大多数都属于线性屈曲分析。

细长杆类刀具在数控加工中，易出现失稳现象，对产品的加工精度产生影响，甚至出现加工事故。为防止出现上述问题，首先就要对其进行屈曲响应分析，求解出临界荷载，并对刀具结构的其它参数进行适当的分析。下面以细长杆类数控铣刀为例，利用UG软件的CAE（计算机辅助分析）功能对其进行解算分析。

3　 细长杆类数控刀具系统实例

下面是某精雕企业生产加工高频鞋模的真实案例。数控刀具就安装在CNC精雕机上，实例中刀杆直径较小，悬臂长度较长，如图1。刀柄和刀杆的材料都是优质合金结构钢40CrNiMuA，屈服强度是1178MPa，抗拉强度是1240MPa。

4　临界荷载的求解

4.1 分别建立刀柄和刀杆的有限元分析模型

首先，利用UG软件的建模功能结合实例建立刀柄和刀杆的立体模型，也可以在其它软件中创建刀柄和刀杆，利用UG软件的转换接口导入模型[2]。之后进入“高级仿真模块”，分别赋予刀柄和刀杆材料属性为优质合金结构钢40CrNiMuA，物理属性为PSOLID，定义单元类型为3D四面体10节点，最后完成刀柄和刀杆各种网格划分操作，如图2。这里的网格数量要适当，太少，有限元分析精度下降，太多，计算量会增加，计算时间会过长[3]。

4.2 建立有限元分析装配模型

由于我们是对整个刀具系统进行有限元屈曲响应分析，而不是单单分析一个刀杆，因此，需要把这两个有限元模型进行装配。装配的方法与UG中装配普通立体模型完全一样，先通过移动和旋转等动态操作方法，将刀柄和刀具基本对齐，再通过移动组件命令进行调整，使两个组件完成最终的装配。装配后的效果如图3。我们后面的分析都是以整个刀具系统作为有限元分析对象。

4.3 建立有限元分析仿真模型

首先新建仿真模型，在“解算方案类型”中选择“SEBUCKL105”（屈曲响应分析专用解算模块）解算类型。通过“约束类型”命令，设置仿真模型的边界条件。利用“模型对象”命令，设置刀柄与刀杆之间的接触条件，由于UG7.5版本中屈曲分析模块中没有曲面接触功能，这里采用曲面粘和功能来代替。再利用“荷载类型”命令，设置作用荷载方向从刀杆端面圆心沿轴线指向刀柄[4]。至此，仿真模型创建完毕，如图4。

4.4 屈曲响应临界荷载的求解

临界荷载的求解是屈曲响应分析中最为关键的一步，首先在“仿真导航器”中右键单击Solution1，弹出的快捷菜单中单击“求解”命令，此时软件系统进行求解计算，等计算完成后，双击“Results”节点[5]。然后进入“后处理导航器”，查看结果，整个刀具系统失稳临界荷载为2058N，荷载工况节点情况如图5。（注意：2.058e+003是科学计数法，e代表10，+0.003代表3次方，即2.058×103=2058）

5　改变刀杆的悬臂长度对临界荷载的影响

上面只是把实例中产生屈曲响应的临界荷载计算出来了，为了进一步研究细长杆刀具的屈曲特点，改变刀杆的悬臂长度，分析刀具改变结构参数后，对临界荷载变化的影响[6]。刚才的有限元分析装配模型刀杆悬臂长度是120mm，现在利用“组件移动”命令把装配模型刀杆悬臂长度缩短至80mm。然后建立起相应的仿真模型，再进行临界荷载的求解，方法同上。最后解算的结果是4602N，荷载工况节点情况如图6。

我们把上述两个结果进行对比，由此不难得出结论：随着刀杆悬臂长度的减小，屈曲响应临界荷载增大。换句话说，刀杆悬臂长度越短，整个刀具系统稳定性越强。

6　刀具线性和非线性静态分析比较

在数控加工中，如果由于荷载过大，刀杆会进入到塑性变形阶段，我们对其进行静力学分析[7]。在此种情况下，采用线性静态和非线性静态两种解算方案那一个更好呢？我们通过实际的解算来验证一下。作用荷载选取6010N。

6.1 线性静态解算

首先回到有限元分析装配模型状态下，把刀杆悬臂长度进一步减小到75mm。新建仿真模型，在“解算方案类型”中选择“SESTATIC101-单约束”（线性静力学分析专用解算模块）解算类型。然后在“荷载类型”中把力改为6010N，其它参数不变，进行重新求解。最后在“后处理导航器”中调出线性静态模型节点应力云图，如图7所示，最大应力值是1726MPa，处于刀杆断面的圆边处，已经超过刀具材料的屈服强度了。

6.2 非线性静态解算

还是回到有限元分析装配模型状态下，新建仿真模型，在“解算方案类型”中选择“NLSTATIC106”（非线性静力学分析专用解算模块）解算类型。还是把力改为6010N，其它参数不变，进行重新求解。最后也在“后处理导航器”中调出线性静态模型节点应力云图，如图8所示，最大应力值是17000MPa，不是在刀杆端面边缘处，而是处于刀杆和刀柄的连接处，而此时，刀杆在这么大的荷载下已经断裂了[8]。

由此可见，当刀具系统在超荷载的情况下，经过弹性变形阶段，进入塑性变形阶段以后，采用非线性静态解算比线性静态解算结果更为准确。

7　结束语

本文以加工高频鞋模的细长杆类数控刀具为例，利用UG软件对其进行了屈曲响应分析，取得了很好的效果。根据上述解算的相关数据，就可以采取相应的措施，避免该刀具在数控加工中失稳现象的出现，从而提高模具产品的质量，防止加工事故的发生。随着小直径细长杆类刀具被更多的使用，利用UG软件的CAE功能对其进行有限元分析，解决工程中实际问题的情况也会越来越多，相信在UG软件的不断研发、升级下，其有限元分析的功能也会越来越强，在工业生产中会发挥更大的作用。

参考文献：

[1]彭海.超细长小直径深孔的加工工艺研究[J].工艺与工艺装备,2003(11):42-43.

[2]张金伟，李和孝.往复泵介秆的有限元分析方法[J].煤矿机械,2013，34(4):136-137.

[3]杜小东.小直径铣刀高速铣削淬硬钢的动力学建模与仿真[D].南

京:南京理工大学,2007.

[4]陈国华.高速加工中小直径铣刀铣削过程研究[D].南京:南京理工大学,2008.

[5]石岚，王成勇.高速铣削小直径立铣刀的有限元分析[J].高速加工与装备,2007(08):28-30.

[6]徐盛学，李林，邹忠.小直径刀具的设计和磨制[J].工具技术,2013,47(02):48-50.

[7]张洁,彭芳瑜,李斌.面向加工特征的小直径螺旋球头立铣刀切削力模型[J].机械科学与技术,2006,25(08):895-899.

[8]曹景源.小直径铣刀铣削淬硬钢圆弧动态特性及混合推理铣削数据库研究[D].广西:广西大学,2009.

论文课题：大学生科研训练项目—细长杆类数控铣刀切削加工的屈曲响应分析 编号：110601502/017

作者简介：王继群（1978-），男，辽宁康平人，工程硕士，讲师，从事数控机械类专业教学及研究工作。