基於Abaqus分析的新型木珠仿形刀具開發

在我國市場經濟快速發展的今天，紅木傢具以其特有的實用價值、藝術價值、收藏價值、自我認同價值、歷史文化價值，迎來了前所未有的消費熱潮。莆田仙游號稱「中國古典傢具之都」， 莆田紅木古典工藝傢具產業聚集的資金超過百億元，生產廠家有2 100多家，從業人員達10萬之眾，年創產值30億元左右。在紅木加工製作過程中產生了大量的余料。有調查顯示，紅木傢具企業對余料的處理方法，占前三位的分別是賣掉、設計製造小件產品和燃燒處理。但通過轉賣方式處理的余料通常價格低廉，忽略紅木材種的區別，1 t余料的價格在500～550元，且被轉賣的余料最終仍以燃燒的形式處理掉，依然會加重對環境的破壞；燃燒處理不僅未能發揮材料本身的潛在價值，而且使得整個企業的產業鏈不符合綠色環保的要求[1]。隨著紅木原料的消耗、匱乏，越來越多的紅木廠家開始重視紅木余料的工藝化處理，即利用余料生產小件工藝品，如佛珠、手串、象棋、圍棋等[2]。

1　新型木珠仿形刀具設計

目前，傳統的圓形木珠成型主要是通過類似車床的設備進行加工。操作時，將木棍夾持在高速旋轉的主軸上，刀具同時做往複和進給運動，進行車削成型。其缺點是需要預先將木材加工成棍狀，而且主軸轉速高，刀具磨損嚴重。另外一個缺點是利用車削方式加工木珠時，成型和鑽孔是分開的，耗時較多；在鑽孔時深度會超過一個木珠的直徑，質量低；且鑽頭在高速旋轉時，會產生擺動，容易造成孔鑽歪斜。

針對上述不足，本文設計了一種新型的仿形刀具，該刀具能同時對木珠進行成型和鑽孔加工，具有加工效率高、刀具壽命長、操作簡單安全等優點。利用有限元對刀具進行應力、應變分析，在理論上論證了該刀具設計方案的可行性。同時，針對該新型刀具的特點，設計了一種簡易的磨刀機。

在加工諸如佛珠等圓形小件紅木產品時，為了實現快速加工，將刀具設計成仿形刀具，如圖1所示。刀具上自帶一個中心鑽，用來鑽取木珠的繩孔；刀具的刀口成弧形，中心對稱布置在中心鑽的兩側，兩個刀口的弧形同徑、同圓心且圓心位於中心鑽上，兩個刀口的刀刃反向布置。弧形刀口的直徑尺寸與所要加工的紅木迴轉體的直徑相同。

在實際加工的時候，將板狀的木塊夾緊，刀具在木塊兩側對稱分布。木塊不動，刀具做高速旋轉，對板狀木塊做鏜銑加工。成型刃鏜銑出木珠的迴轉外形，同時中心鑽鑽出繩孔。

圖1　刀具結構示意圖

2　基於ABAQUS的刀具強度有限元分析[3-4]

2.1　試驗參數的確定

在常見的紅木原料中，紫檀的硬度較高，其簡氏硬度(Janka)為3 600。但傳統對切削力的計算公式主要是針對切削金屬材料，切削木材時所需的切削力，目前尚未有相關的計算公式，綜合考察紫檀的密度、硬度等條件，本文設定在切削紫檀時所產生的切削力相當於切削灰鑄鐵(硬度190 HBs)時產生的切削力。此時，可以利用指數公式估算切削力。常見的指數公式如下[5]：

(1)

式中，Fc、Fp、Ff為切削力按切削主運動方向、進給方向和切深方向分解的三個分力，即主切削力Fc、進給力Fp、背向力Ff。

CFc、CFp、CFf——工件材料和切削條件對三個分力的影響係數；

xFc、xFp、xFf——背吃刀量ap對三個分力的影響指數；

yFc、yFp、yFf——進給量f對三個分力的影響指數；

nFc、nFp、nFf——切削速度vc對三個分力的影響指數；

KFc、KFp、KFf——各種因素對三個分力影響的修正係數的乘積。

主軸轉速：1 800r/min，背吃刀量ap控制在0.25mm左右，進給量f=0.6mm/r，切削速度vc=20m/min。刀具材料為硬質合金鋼，查閱文獻5中係數指數表，獲得各參數，估算得到，加工灰鑄鐵(即加工紫檀)時，各分力的大小，Fc=314N、Fp=210N、Ff=187N。

2.2　木珠仿形刀具有限元模型的建立及網格劃分

根據圖1所示的刀具形狀及尺寸大小，在Abaqus的GUI模式下，創建三維有限元實體模型。採用CPE4RT四邊形單元[6-7]，對仿形刀具的刀桿、刀刃、中心鑽進行網格劃分。模型及網格劃分結果如圖2所示。

圖2　刀具有限元網格劃分

2.3　施載入荷及求解

根據上文估算的切削力大小對已建立的刀具模型施載入荷約束，對硬質合金鋼刀具在加工紫檀時的應力、應變情況進行分析，得到刀具內部的應力、應變分布及大小，如圖3所示。

圖3　刀具內部應力、應變分布及大小

由圖3可見，在加工紫檀時，新型木珠仿形刀具的最大等效應力和應變均出現在中心鑽與刀刃的連接處，最大合應力達1 079MP，在硬質合金鋼的彈性模量206GPa安全範圍內。中心鑽的最大合位移0.036 64mm，位移量小，對繩孔造成的偏差很小。

3　實驗

為了驗證本項目所研發的仿形刀具的加工效率，在立式木珠機上開展實驗，如圖4所示。兩台電機各自帶動一副刀具旋轉。電機通過螺絲，固定在面板上，與工作台呈對稱分布。操作手柄，面板沿導軌上下滑動，在仿形刀具高速旋轉的同時帶動刀具上下運動，完成木珠的仿形加工。

圖4　立式木珠機實物圖

以12mm的圓珠為例，本項目加工一顆平均耗時10s，傳統的車床加工方式需要32s，加工效率提高了68.7%。同時，仿形加工方式無需將木材原料加工成棒狀，可實現原料的最大化利用，浪費少，成品率高達98%，如圖5所示。

圖5　待加工木件及成品

4　結語

本項目：設計了一種新型的仿形刀具，刀具上自帶一個中心鑽，用來鑽取木珠的繩孔；刀具的刀口成弧形，鏜銑出木珠的迴轉外形。該刀具能同時對木珠進行成型和鑽孔加工，具有加工效率高、刀具壽命長、操作簡單安全等優點。採用ABAQUS有限元分析了硬質合金刀具在加工紫檀時的應力和應變情況。分析結果表明，刀具的應力、應變均在材料的物理參數範圍內，縮短開發周期、減少材料浪費。在立式木珠機上開展實際加工實驗，結果表明，仿形刀具加工方式與傳統的車床加工方式相比，效率高、成品率好、原材料浪費少，為木珠的生產開闢了新方法。

在下一階段，本項目將在刀具的結構方面進一步開展研究，探索刀刃、中心鑽的可拆卸性，進一步提高刀具的使用壽命和使用便捷性。

作者簡介：

翁碧娟(1987-)，女，福建莆田人，研究生，主要從事機械設計方面的研究。

作者：翁碧娟

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