基于Abaqus分析的新型木珠仿形刀具开发

在我国市场经济快速发展的今天，红木家具以其特有的实用价值、艺术价值、收藏价值、自我认同价值、历史文化价值，迎来了前所未有的消费热潮。莆田仙游号称“中国古典家具之都”， 莆田红木古典工艺家具产业聚集的资金超过百亿元，生产厂家有2 100多家，从业人员达10万之众，年创产值30亿元左右。在红木加工制作过程中产生了大量的余料。有调查显示，红木家具企业对余料的处理方法，占前三位的分别是卖掉、设计制造小件产品和燃烧处理。但通过转卖方式处理的余料通常价格低廉，忽略红木材种的区别，1 t余料的价格在500～550元，且被转卖的余料最终仍以燃烧的形式处理掉，依然会加重对环境的破坏；燃烧处理不仅未能发挥材料本身的潜在价值，而且使得整个企业的产业链不符合绿色环保的要求[1]。随着红木原料的消耗、匮乏，越来越多的红木厂家开始重视红木余料的工艺化处理，即利用余料生产小件工艺品，如佛珠、手串、象棋、围棋等[2]。

1　新型木珠仿形刀具设计

目前，传统的圆形木珠成型主要是通过类似车床的设备进行加工。操作时，将木棍夹持在高速旋转的主轴上，刀具同时做往复和进给运动，进行车削成型。其缺点是需要预先将木材加工成棍状，而且主轴转速高，刀具磨损严重。另外一个缺点是利用车削方式加工木珠时，成型和钻孔是分开的，耗时较多；在钻孔时深度会超过一个木珠的直径，质量低；且钻头在高速旋转时，会产生摆动，容易造成孔钻歪斜。

针对上述不足，本文设计了一种新型的仿形刀具，该刀具能同时对木珠进行成型和钻孔加工，具有加工效率高、刀具寿命长、操作简单安全等优点。利用有限元对刀具进行应力、应变分析，在理论上论证了该刀具设计方案的可行性。同时，针对该新型刀具的特点，设计了一种简易的磨刀机。

在加工诸如佛珠等圆形小件红木产品时，为了实现快速加工，将刀具设计成仿形刀具，如图1所示。刀具上自带一个中心钻，用来钻取木珠的绳孔；刀具的刀口成弧形，中心对称布置在中心钻的两侧，两个刀口的弧形同径、同圆心且圆心位于中心钻上，两个刀口的刀刃反向布置。弧形刀口的直径尺寸与所要加工的红木回转体的直径相同。

在实际加工的时候，将板状的木块夹紧，刀具在木块两侧对称分布。木块不动，刀具做高速旋转，对板状木块做镗铣加工。成型刃镗铣出木珠的回转外形，同时中心钻钻出绳孔。

图1　刀具结构示意图

2　基于ABAQUS的刀具强度有限元分析[3-4]

2.1　试验参数的确定

在常见的红木原料中，紫檀的硬度较高，其简氏硬度(Janka)为3 600。但传统对切削力的计算公式主要是针对切削金属材料，切削木材时所需的切削力，目前尚未有相关的计算公式，综合考察紫檀的密度、硬度等条件，本文设定在切削紫檀时所产生的切削力相当于切削灰铸铁(硬度190 HBs)时产生的切削力。此时，可以利用指数公式估算切削力。常见的指数公式如下[5]：

(1)

式中，Fc、Fp、Ff为切削力按切削主运动方向、进给方向和切深方向分解的三个分力，即主切削力Fc、进给力Fp、背向力Ff。

CFc、CFp、CFf——工件材料和切削条件对三个分力的影响系数；

xFc、xFp、xFf——背吃刀量ap对三个分力的影响指数；

yFc、yFp、yFf——进给量f对三个分力的影响指数；

nFc、nFp、nFf——切削速度vc对三个分力的影响指数；

KFc、KFp、KFf——各种因素对三个分力影响的修正系数的乘积。

主轴转速：1 800 r/min，背吃刀量ap控制在0.25 mm左右，进给量f=0.6 mm/r，切削速度vc=20 m/min。刀具材料为硬质合金钢，查阅文献5中系数指数表，获得各参数，估算得到，加工灰铸铁(即加工紫檀)时，各分力的大小，Fc=314 N、Fp=210N、Ff=187 N。

2.2　木珠仿形刀具有限元模型的建立及网格划分

根据图1所示的刀具形状及尺寸大小，在Abaqus的GUI模式下，创建三维有限元实体模型。采用CPE4RT四边形单元[6-7]，对仿形刀具的刀杆、刀刃、中心钻进行网格划分。模型及网格划分结果如图2所示。

图2　刀具有限元网格划分

2.3　施加载荷及求解

根据上文估算的切削力大小对已建立的刀具模型施加载荷约束，对硬质合金钢刀具在加工紫檀时的应力、应变情况进行分析，得到刀具内部的应力、应变分布及大小，如图3所示。

图3　刀具内部应力、应变分布及大小

由图3可见，在加工紫檀时，新型木珠仿形刀具的最大等效应力和应变均出现在中心钻与刀刃的连接处，最大合应力达1 079MP，在硬质合金钢的弹性模量206 GPa安全范围内。中心钻的最大合位移0.036 64 mm，位移量小，对绳孔造成的偏差很小。

3　实验

为了验证本项目所研发的仿形刀具的加工效率，在立式木珠机上开展实验，如图4所示。两台电机各自带动一副刀具旋转。电机通过螺丝，固定在面板上，与工作台呈对称分布。操作手柄，面板沿导轨上下滑动，在仿形刀具高速旋转的同时带动刀具上下运动，完成木珠的仿形加工。

图4　立式木珠机实物图

以12 mm的圆珠为例，本项目加工一颗平均耗时10 s，传统的车床加工方式需要32 s，加工效率提高了68.7%。同时，仿形加工方式无需将木材原料加工成棒状，可实现原料的最大化利用，浪费少，成品率高达98%，如图5所示。

图5　待加工木件及成品

4　结语

本项目：①设计了一种新型的仿形刀具，刀具上自带一个中心钻，用来钻取木珠的绳孔；刀具的刀口成弧形，镗铣出木珠的回转外形。该刀具能同时对木珠进行成型和钻孔加工，具有加工效率高、刀具寿命长、操作简单安全等优点。②采用ABAQUS有限元分析了硬质合金刀具在加工紫檀时的应力和应变情况。分析结果表明，刀具的应力、应变均在材料的物理参数范围内，缩短开发周期、减少材料浪费。③在立式木珠机上开展实际加工实验，结果表明，仿形刀具加工方式与传统的车床加工方式相比，效率高、成品率好、原材料浪费少，为木珠的生产开辟了新方法。

在下一阶段，本项目将在刀具的结构方面进一步开展研究，探索刀刃、中心钻的可拆卸性，进一步提高刀具的使用寿命和使用便捷性。

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