g f 系列立銑刀的有限元分析及參數(shù)優(yōu)化 摘要 目前，硬質(zhì)合金立銑刀因其良好的切削性能，已成為銑削加工中的主流刀具， 但是由于立銑刀的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，在切削加工過(guò)程中影響的因素較多，給立銑刀 的設(shè)計(jì)和性能研究帶來(lái)了很大的困難。 隨著三維制圖軟件和有限元分析技術(shù)在刀具設(shè)計(jì)行業(yè)中的迅速發(fā)展，從根本 上解決了傳統(tǒng)意義上刀具設(shè)計(jì)的難題。本文的主要內(nèi)容就是利用有限元分析軟件 對(duì)刀具結(jié)構(gòu)和切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以便充分的發(fā)揮硬質(zhì)合金立銑刀切削加工性能。 首先，本文從切削原理出發(fā)，利用有限單元法建立平頭立銑刀的力學(xué)模型， 從理論上闡述了銑削力的來(lái)源與計(jì)算方法。 其次，對(duì)于硬質(zhì)合金立銑刀的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，主要是利用有限元分析軟件 a d v a n t e d g e 。從立銑刀的前角、后角和螺旋角著手，分析了刀具幾何參數(shù)對(duì)切削 力和刀具溫度的影響，利用正交試驗(yàn)法對(duì)刀具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)將優(yōu)化結(jié)果與 刀具原有結(jié)構(gòu)做對(duì)比分析，驗(yàn)證了優(yōu)化結(jié)果的可行性。 第三，切削力是切削加工過(guò)程中最重要的物理因素之一，因此本文的重點(diǎn)是 利用有限元軟件對(duì)銑削加工過(guò)程中的切削力進(jìn)行仿真研究，并優(yōu)化切削參數(shù)。得 到了不同切削加工參數(shù)對(duì)切削加工過(guò)程的影響及銑削力的預(yù)測(cè)模型，并以銑削力 和加工效率為目標(biāo)函數(shù)，結(jié)合遺傳算法實(shí)現(xiàn)銑削參數(shù)的優(yōu)化。 最后，通過(guò)三維軟件p r o e 建立整體硬質(zhì)合金立銑刀的三維模型，利用有限元 軟件a n s y s 對(duì)立銑刀進(jìn)行模態(tài)分析。得到了立銑刀的固有頻率和振型隨著不同夾 持長(zhǎng)度的變化趨勢(shì)。 論文針對(duì)硬質(zhì)合金立銑刀進(jìn)行的結(jié)構(gòu)參數(shù)及切削參數(shù)優(yōu)化的方法和結(jié)論，對(duì) 立銑刀的設(shè)計(jì)有較好的參考和借鑒價(jià)值。 關(guān)鍵詞：硬質(zhì)合金立銑刀；有限元法；力學(xué)模型；參數(shù)優(yōu)化；模態(tài)分析 a b s t r a c t n o w l y ，t h ec a r b i d ee n dm i l lh a sb e c o m eam a i n s t r e a mt o o li nt h em i l l i n gp r o c e s sd u et o t h e i rg o o dc u t t i n g p e r f o r m a n c e h o w e v e r ，t h e i ri n t r i c a t es t r u c t u r ea n da f f e c t i n gf a c t o r si n m i l l i n gp r o c e s sm a k ei td i f f i c u l tt od e s i g na n dr e s e a r c h t h et r a d i t i o n a lp r o b l e mh a sb e e ns o l v e df u n d a m e n t a l l yw i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to f3 d g r a p h i c ss o f t w a r ea n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s t e c h n i q u e su s i n gi nt h ee n dm i l l t h em a i n c o n t e n to ft h i sp a p e rw a st ou s et h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r et o o p t i m i z et h et o o la n d c u t t m gp a r a m e t e r si no r d e rt op l a yt h ea d v a n t a g e so fc a r b i d ee n dm i l lc o m p l e t e l v f i r s t l y ，t h em e c h a n i c a lm o d e lo fe n dm i l lb a s e do nt h ec u t t i n gt h e o r yw a se s t a b l i s h e db y u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，w h i c ht h e o r e t i c a l l ye x p o u n d e dt h es o u r c ea n dc a l c u l a t i o n m e t h o do ft h em i l l i n gf o r c e s e c o n d l y ，t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea d v a n t e d g ew a su s e dt ot h es t r u c t u r e o p t i m i z a t i o no ft h ec a r b i d ee n dm i l l w er e s e a r c h e dt h ei n f l u e n c eo nc u t t i n gf o r c ea n d t h et o o l t e m p e r a t u r eb yd i f f e r e n tg e o m e t r i cp a r a m e t e r si nr a n k a n g l e s 、r e l i e fa n g i e sa n dh e l i x a n g l e s ，a n do p t i m i z e dt h et o o ls t r u c t u r e a p p l y i n gt h eo r t h o g o n a lt e s tm e t h o d a n dt h e n c o m p a r e dt h eo p t i m i z a lr e s u l t sw i t ht h eo r i g i n a ls t r u c t u r et o v e r i f yt h ef e a s i b i l i t vo ft h e o p t i m i z a t i o nr e s u l t s t h i r d l y ，a sc u t t i n gf o r c ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp h y s i c a lf a c t o r si nt o o l d e s i g n p r o c e s s ，t h ee m p h a s i so ft h i sp a p e rw a st os i m u l a t et h ec u t t i n gp r o c e s sa n do p t i m i z et h e c u t t i n gp a r a m e t e r sw i t ht h ea p p l yo ft h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e t h ep a p e ro b t a i n e dt h e i n f l u e n c eo fd i f f e r e n tc u t t i n gp a r a m e t e r so nc u t t i n gp r o c e s sa n dt h ec u t t i n gf o r c ep r e d i c t i o n m o d e l t h ec u t t i n gp a r a m e t e r sw e r eo p t i m i z e dt o g e tt h em i n i m u mc u t t i n gf o r c ea n d m a x i m u m m a c h i n i n ge f f i c e n c yw i t ha p p l y i n gt h eg e n e t i ca l g o r i t h m f i n a l l y ，t h em o d e lo fs o l i dc a r b i d ee n dm i l l sw a sb u i l tu pw i t ht h eh e l po ft h et h r e e d i m e n s i o n a ls o f t w a r ep r o e ，a n dt h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y s w a su s e df b rt h em o d e l a n a l y s i s t h el a s tw es t u d yt h et r e n do fn a t u r a lf r e q u e n c i e sa n dv i b r a t i o nm o d ei nd i f f e r e n t g r i p p i n gl e n g t h t h em e t h o d sa n dc o n c l u s i o n si nt h i sp a p e rr e s u l t e df r o mo p t i m i z a t i o no ft h es t r u c t u r a l p a r a m e t e r sa n dc u t t i n gp a r a m e t e r st ot h ec a r b i d ee n dm i l lp r o v i d ea g o o dr e f e r e n c et ot h ee n d m i l ld e s i g n k e y w o r d s ：t h ec a r b i d ee n dm i l l s ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；m e c h a n i c a lm o d e l ；p a r a m e t e r o p t i m i z a t i o n ；m o d a la n a l y s i s i i i 插圖索引 圖1 1 a n s y s 分析流程圖6 圖1 2 g f 系列刀具結(jié)構(gòu)圖8 圖2 1 順銑與逆銑10 圖2 2 順銑銑削厚度數(shù)學(xué)模型11 圖2 3 立銑刀微元受力圖1 2 圖2 4 立銑刀旋轉(zhuǎn)角度示意圖。1 2 圖3 1 立銑刀切削加工的幾何模型1 8 圖3 2 不同前角下的刀具溫度場(chǎng)分布。2 0 圖3 3 正交切削模型。2 l 圖3 4 切削力隨前角變化圖2 1 圖3 5 切削力隨后角變化圖2 3 圖3 6 刀具最高溫度隨后角變化圖2 3 圖3 7 不同螺旋角下的溫度云圖2 5 圖3 8 優(yōu)化前刀具溫度分布場(chǎng)3 0 圖3 9 優(yōu)化后刀具溫度分布場(chǎng)。3 0 圖4 1 銑削抗力在x 方向上的分力。3 1 圖4 2 銑削抗力在y 方向上的分力3 2 圖4 3 銑削速度影響下的銑削力變化圖3 3 圖4 4 軸向切深影響下的銑削力變化圖3 4 圖4 5 每齒進(jìn)給量影響下的銑削力變化圖3 5 圖4 6 徑向切深影響下的銑削力變化圖。3 6 圖4 7 遺傳算法求解流程圖一4 4 圖5 1 整體立銑刀結(jié)構(gòu)圖4 8 圖5 。2 四刃整體硬質(zhì)合金立銑刀端面廓形4 8 圖5 3 立銑刀端刃4 9 圖5 4 立銑刀三維模型4 9 圖5 5 立銑刀的有限元模型。5 2 圖5 6l = 4 3 m m 時(shí)十階陣型圖5 5 圖5 7l = 4 3 m m 時(shí)十階陣型圖5 6 圖5 8l = 3 6 m m 時(shí)十階陣型圖5 7 圖5 9l = 3 0 m m 時(shí)十階陣型圖5 8 圖5 1 0 不同懸伸長(zhǎng)度下得固有頻率圖6 0 v l i g f 系列立銑刀的有限元分析及參數(shù)優(yōu)化 附表索引 表3 1 前角對(duì)切削性能影響仿真參數(shù)表1 9 表3 2 后角對(duì)切削性能影響仿真參數(shù)表。2 2 表3 3 刀具螺旋角對(duì)切削性能影響仿真參數(shù)表。2 4 表3 4 不同螺旋角下的銑削力2 6 表3 5 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)表2 6 表3 6x 方向切削力極差分析表2 7 表3 7y 方向切削力極差分析表2 7 表3 8z 方向切削力極差分析表一2 7 表3 9 刀具最高溫度極差分析表2 8 表3 10 仿真結(jié)果對(duì)比表。2 9 表4 1 銑削速度對(duì)銑削力影響的仿真參數(shù)3 3 表4 2 軸向切身對(duì)銑削力影響的仿真參數(shù)3 4 表4 3 每齒進(jìn)給量對(duì)銑削力影響的仿真參數(shù)3 5 表4 4 徑向切深對(duì)銑削力影響的仿真參數(shù)3 6 表4 5 正交試驗(yàn)四因素水平取值3 8 表4 6 銑削力仿真數(shù)據(jù)3 8 表4 7 銑削力回歸方程顯著性檢驗(yàn)。4 0 表4 8 切削參數(shù)優(yōu)化結(jié)果4 4 表5 1 整體硬質(zhì)合金立銑刀的懸伸長(zhǎng)度5 1 表5 2 硬質(zhì)合金的性能指標(biāo)5 1 表5 3 不同懸伸長(zhǎng)度下的十階固有頻率5 3 表5 4 不同懸伸長(zhǎng)度下強(qiáng)振型與弱振型個(gè)數(shù)5 9 表5 5 不同懸伸長(zhǎng)度的危險(xiǎn)轉(zhuǎn)速范圍6 0 v i i i 工程碩士學(xué)位論文 第1 章緒論 近年來(lái)中國(guó)的先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展異常迅速，對(duì)加工過(guò)程的精度、效率、可靠性 等方面提出了愈來(lái)愈嚴(yán)格的要求，在這場(chǎng)生產(chǎn)力大發(fā)展的浪潮中，刀具產(chǎn)品和技 術(shù)作為制造過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也被推上了風(fēng)口浪尖。傳統(tǒng)的刀具生產(chǎn)技術(shù) 已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿(mǎn)足市場(chǎng)對(duì)高效率、低成本的強(qiáng)烈要求。這種市場(chǎng)需求的急劇變化， 在工具產(chǎn)業(yè)當(dāng)中形成了巨大的壓力，迫使其不得不調(diào)整以往的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)模式， 轉(zhuǎn)向迎合現(xiàn)代制造業(yè)要求的“高精度、高效率、高可靠性和專(zhuān)用化”的發(fā)展道路， 所謂“三高一專(zhuān)”的新模式。 從國(guó)外現(xiàn)代工具工業(yè)的運(yùn)行特點(diǎn)和服務(wù)水準(zhǔn)來(lái)對(duì)照我國(guó)工具工業(yè)的現(xiàn)狀，不 得不承認(rèn)這樣一個(gè)現(xiàn)實(shí)，我國(guó)工具工業(yè)的總體水平仍停留在傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化刀具的發(fā) 展階段。工具工業(yè)發(fā)展落后于需求的矛盾在我國(guó)表現(xiàn)的尤為突出?，F(xiàn)代刀具企業(yè) 最響亮的競(jìng)爭(zhēng)口號(hào)，就是為制造業(yè)提供效率最高的切削刀具。在我國(guó)革新刀具預(yù) 示著制造業(yè)未來(lái)發(fā)展方向。 1 1 刀具材料概述 刀具材料的發(fā)展在人類(lèi)的生活、生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用，曾推動(dòng)著人類(lèi)社 會(huì)文化和物質(zhì)文明的發(fā)展l l j 。c i r p 公稀的一項(xiàng)研究報(bào)告指出：由于刀具材料的改 進(jìn)，刀具需用的切削速度每1 0 年就可以提高l 倍，由此可見(jiàn)刀具材料的性能對(duì)刀 具的切削性能起著關(guān)鍵性的作用。合理的選擇刀具材料是刀具制造的第一步，也 是決定刀具使用性能的先決條件1 2 j 。刀具材料的發(fā)展在一定程度上推動(dòng)著金屬切 削加工的進(jìn)步。 刀具切削部分的材料直接影響著切削加工性能。目前刀具材料可分為工具鋼、 高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷、超硬材料五大類(lèi)。據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)目前高速鋼用量約占刀 具的6 0 以上，硬質(zhì)合金的用量約占3 0 以上，隨著難加工材料的應(yīng)用，陶瓷刀 具和超硬刀具材料的使用量目益增長(zhǎng)p j 。刀具新材料的不斷涌現(xiàn)必將會(huì)引領(lǐng)新一 次的工業(yè)革命的到來(lái)。 高速鋼刀具是目前應(yīng)用最廣泛的一種金屬切削刀具，其較好的材料性能使切 削速度和切削效率有了顯著的提高，曾引領(lǐng)了世界各國(guó)的機(jī)械制造業(yè)飛速的發(fā)展。 但是隨著人類(lèi)生產(chǎn)水平的不斷提高，各類(lèi)難加工材料的不斷涌現(xiàn)，高速鋼刀具已 經(jīng)很難滿(mǎn)足人類(lèi)對(duì)高效率和高質(zhì)量切削加工目的的要求。硬質(zhì)合金刀具以其優(yōu)越 的材料性能正在逐步的取代高速鋼刀具成為各大制造企業(yè)的新寵，也成為各大研 究機(jī)構(gòu)正在著力研究的項(xiàng)目。 g f 系列立銑刀的有限元分析及參數(shù)優(yōu)化 1 2 硬質(zhì)合金簡(jiǎn)介 1 2 1 硬質(zhì)合金性畿及應(yīng)用 硬質(zhì)合金是難熔金屬硬質(zhì)化合物和金屬粘結(jié)劑經(jīng)粉末冶金方法而制成的。通 常采用的硬質(zhì)化合物是碳化物，也有硼化物、氮化物和硅化物等。一般采用的粘 結(jié)劑為鈷。它的常溫硬度可達(dá)8 9 9 4 h r a ，耐熱性可達(dá)8 0 0 10 0 0o c ，與高速鋼相比， 其硬度、耐磨性、耐熱性都要好得多。因此，硬質(zhì)合金刀具允許的切削速度要比 高速鋼刀具大5 1 0 倍，可達(dá)1 0 0 3 0 0 m m i n ，壽命是高速鋼的幾倍到幾十倍，現(xiàn)在己 成為主要的刀具材料之一。 硬質(zhì)合金是由德國(guó)人于1 9 2 3 年用粉末冶金方法研制成功的，通過(guò)8 0 多年的發(fā) 展，世界硬質(zhì)合金產(chǎn)業(yè)不斷地發(fā)展擴(kuò)大。硬質(zhì)合金刀具在我國(guó)已有幾十年的發(fā)展 史，近年來(lái)隨著中國(guó)制造業(yè)的不斷騰飛，硬質(zhì)合金行業(yè)也在中國(guó)飛速地發(fā)展。 我國(guó)目前常用的硬質(zhì)合金主要有三類(lèi)：鎢鈷類(lèi)硬質(zhì)合金( 代號(hào)y g ) 、鎢鈦鈷 類(lèi)硬質(zhì)合金( 代號(hào)y t ) 、鎢鈦鉭類(lèi)硬質(zhì)合金( 代號(hào)y w ) 。 鎢鈷類(lèi)硬質(zhì)合金由w c 和c o 組成，主要用于加工鑄鐵、有色金屬等脆性材料和 非金屬材料。鎢鈦鈷類(lèi)硬質(zhì)合金是由w c 、t i c 和c o 組成，由于t i c 比w c 還要硬、 耐磨、耐熱，但是要脆一些，所以鎢鈦鈷類(lèi)硬質(zhì)合金適合加工鋼材等塑型材料。 鎢鈦鉭類(lèi)硬質(zhì)合金是在鎢鈦鈷類(lèi)硬質(zhì)合金中加入少量的t a c 或n b c ，它的硬度、耐 磨性、抗彎強(qiáng)度和沖擊韌度均比鎢鈦鈷類(lèi)硬質(zhì)合金要高，因此y w 類(lèi)硬質(zhì)合金既可 以加工鋼，又可以加工鑄鐵和有色金屬，稱(chēng)為通用硬質(zhì)合金1 4 - 7 j 。 1 2 2 硬質(zhì)合金在中國(guó)的發(fā)展歷程 我國(guó)硬質(zhì)合金產(chǎn)業(yè)的發(fā)展水平要遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于歐美發(fā)達(dá)國(guó)家。2 0 世紀(jì)5 0 年代我 國(guó)才開(kāi)始硬質(zhì)合金規(guī)模化的生產(chǎn)，而到了5 0 年代末期株洲硬質(zhì)合金集團(tuán)的正式投 產(chǎn)才真正拉開(kāi)了我國(guó)硬質(zhì)合金大規(guī)模發(fā)展的序幕。7 0 年代末，我國(guó)共有硬質(zhì)合金 生產(chǎn)企業(yè)2 7 家，年產(chǎn)4 4 0 0 t ，基本能滿(mǎn)足當(dāng)時(shí)我國(guó)經(jīng)濟(jì)狀況下的需要。 2 0 世紀(jì)8 0 年代是我國(guó)硬質(zhì)合金產(chǎn)業(yè)大發(fā)展時(shí)期，國(guó)內(nèi)1 1 家企業(yè)先后從美國(guó)、 德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家引進(jìn)了先進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)技術(shù)，通過(guò)此次引進(jìn)，我國(guó)的硬質(zhì)合 金產(chǎn)業(yè)得到了巨大的改善。 進(jìn)入9 0 年代，我國(guó)在不斷引進(jìn)國(guó)外技術(shù)的基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)企業(yè)紛紛與國(guó)外企業(yè) 合作，國(guó)內(nèi)民營(yíng)企業(yè)紛紛涌現(xiàn)，雖說(shuō)當(dāng)時(shí)的國(guó)企面臨著巨大的市場(chǎng)沖擊，但是這 種情況也在一定程度上的推動(dòng)了我國(guó)硬質(zhì)合金產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 2 1 世紀(jì)是我國(guó)硬質(zhì)合金產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展時(shí)期。隨著我國(guó)宏觀(guān)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)向好， 硬質(zhì)合金市場(chǎng)需求不斷加大，極大的刺激了我國(guó)硬質(zhì)合金產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。期間我國(guó) 硬質(zhì)合金產(chǎn)業(yè)實(shí)行重組，使生產(chǎn)和發(fā)展規(guī)模化，至此我國(guó)硬質(zhì)合金工業(yè)形成了工 2 工程碩士學(xué)位論文 藝設(shè)備先進(jìn)、產(chǎn)品產(chǎn)能與產(chǎn)量巨大的格局。2 0 0 4 年中國(guó)的硬質(zhì)合金產(chǎn)量已突破1 5 萬(wàn)噸，今后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間中國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)仍將快速發(fā)展，將持續(xù)為硬質(zhì)合金提 供良好發(fā)展空間。據(jù)分析到2 0 1 0 年中國(guó)僅汽車(chē)工業(yè)所需的硬質(zhì)合金工具費(fèi)用將達(dá) 到8 0 億元人民幣，在未來(lái)幾年里中國(guó)會(huì)成為世界上硬質(zhì)合金行業(yè)最有競(jìng)爭(zhēng)力的國(guó) 家。但是在我國(guó)硬質(zhì)合金的研制與生產(chǎn)方面與國(guó)外還有較大差距，目前中國(guó)硬質(zhì) 合金市場(chǎng)仍然是魚(yú)龍混雜，高精端的產(chǎn)品及技術(shù)也是參差不齊，高端技術(shù)仍掌握 在國(guó)外人手中。所以我們要充分利用先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，不斷改善和發(fā)展硬質(zhì)合金材 料，不斷縮小與國(guó)際先進(jìn)技術(shù)的差距 8 - 1 1 l 。 如今，不使用硬質(zhì)合金刀具已無(wú)法適應(yīng)日益提高的機(jī)械加工技術(shù)要求。在切 削工具中占有極大比例的硬質(zhì)合金刀具，正被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)。硬質(zhì)合金刀具 是數(shù)控加工刀具的主導(dǎo)產(chǎn)品，目前各工具行業(yè)不斷擴(kuò)大各種整體式和可轉(zhuǎn)位式硬 質(zhì)合金刀具的生產(chǎn)，其品種已經(jīng)擴(kuò)展到各種切削刀具領(lǐng)域。目前國(guó)外9 0 以上的 車(chē)刀、5 5 以上的銑刀均采用硬質(zhì)合金材料制造。 1 3 整體硬質(zhì)合金立銑刀 銑刀一般是多刃刀具，由于同時(shí)參加切削的齒數(shù)多、切削刃長(zhǎng)，并能采用較 高的切削速度，故生產(chǎn)率高。銑刀的類(lèi)型按刀齒結(jié)構(gòu)可分為尖齒銑刀和鏟齒銑刀。 本論文主要研究的是尖齒銑刀中的立銑刀。 立銑刀主要用于加工凹槽、臺(tái)階面以及工件上各種形狀的孔及內(nèi)外曲線(xiàn)表面 等。由于高速鋼立銑刀已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足目前我國(guó)對(duì)高精加工的要求，其地位必將逐 漸被硬質(zhì)合金立銑刀所取代。 硬質(zhì)合金立銑刀按結(jié)構(gòu)形式可分為整體式結(jié)構(gòu)、鑲焊式結(jié)構(gòu)和機(jī)夾可轉(zhuǎn)位結(jié) 構(gòu)。 鑲焊式立銑刀包括焊接式硬質(zhì)合金斜齒立銑刀、焊接式硬質(zhì)合金螺旋齒立銑 刀、焊接式硬質(zhì)合金螺旋玉米齒立銑刀等。刀具精度高，整體剛性好，但在焊接 或刃磨不當(dāng)時(shí)，易產(chǎn)生裂紋甚至使之報(bào)廢。 機(jī)夾可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金立銑刀廣泛用于銑削平面、溝槽、臺(tái)肩等。一般采用帶 孔刀片，直接用螺釘壓緊，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容屑空間大，刀體可重復(fù)使用，成本較低， 但是由于其直徑較小，夾緊元件所占的空間位置受到很大的限制。 整體式硬質(zhì)合金立銑刀其圓柱表面上有螺旋齒，端面上也有刀齒，銑削時(shí)主 要以圓柱表面上的刀齒切削。整體式硬質(zhì)合金立銑刀適合做精銑刀，耐沖擊性好， 適合大切深大走刀，經(jīng)濟(jì)性更好。 整體式硬質(zhì)合金立銑刀與高速鋼立銑刀相比在常溫時(shí)硬度相同，同為 8 3 8 6 h r a ，但是允許的切削速度卻是高速鋼的4 7 倍。而且其熱硬性可達(dá)8 0 0 1 0 0 0 攝氏度，在5 4 0 攝氏度時(shí)的硬度仍可達(dá)8 2 8 7 h r a 以上，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于高速鋼刀具。 g f 系列立銑刀的有限元分析及參數(shù)優(yōu)化 但是它的抗彎強(qiáng)度只有高速鋼的1 4 1 2 ， 硬質(zhì)合金立銑刀韌性差，怕沖擊和振動(dòng)。 的這點(diǎn)。 沖擊韌度僅為高速鋼的幾十分之一，故 因此在設(shè)計(jì)和分析立銑刀時(shí)要充分考慮 1 4 立銑刀銑削力建模方法 由于銑削過(guò)程非常的復(fù)雜，因此直接計(jì)算銑削力是非常困難的，而且目前尚 沒(méi)有簡(jiǎn)單、直接的計(jì)算方法。為了能夠得到一個(gè)通用的、簡(jiǎn)單的銑削力力學(xué)模型， 許多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，得到了很多有意義的銑削力計(jì)算方法。 1 經(jīng)驗(yàn)公式法 1 2 1 。其主要思想是通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，由測(cè)力儀測(cè)得切削力后， 再根據(jù)切削條件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得出經(jīng)驗(yàn)公式。 2 力學(xué)法 1 3 - 1 6 1 。力學(xué)法主要是根據(jù)立銑刀在切削過(guò)程中的受力情況，運(yùn)用解析 法列出受力公式，其中避免了許多復(fù)雜的刀具參數(shù)，而且不需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)， 目前已成為建立銑削力模型的有效方法。 3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法1 1 7 , , s l 。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法是智能的運(yùn)算方式，它不需要數(shù)學(xué)模 型就可以模擬出輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)之間的關(guān)系，因此非常適用于復(fù)雜的銑削過(guò) 程的模擬。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法有著巨大的發(fā)展?jié)摿Γ俏磥?lái)切削力模型建模方式的 新的研究方向。 4 有限單元法。其主要思想是將立銑刀劃分成有限個(gè)微小單元，每個(gè)微小單元 相當(dāng)于一個(gè)簡(jiǎn)單的切削過(guò)程，計(jì)算出每個(gè)微單元的受力情況，再將所有微單元的 受力情況加到一起，形成立銑刀整體受力模型。有限單元法是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的 不斷發(fā)展而逐漸興起的一種計(jì)算方法，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)切削加工的有限元仿 真研究不斷的深入，創(chuàng)建了許多值得借鑒的切削加工的有限元模型，如今有限元 法的銑削力建模及切削優(yōu)化已經(jīng)成為刀具設(shè)計(jì)的主流思想。 1 5 有限元法簡(jiǎn)介 有限單元法是結(jié)構(gòu)工程師和應(yīng)用數(shù)學(xué)人員共同智慧的結(jié)晶，目前已廣泛應(yīng)用 于工程研究領(lǐng)域。有限單元法最早可以追溯到2 0 世紀(jì)早期，近幾年來(lái)以其獨(dú)有的 計(jì)算優(yōu)勢(shì)得到了廣泛地發(fā)展和應(yīng)用，已出現(xiàn)了不同的有限元算法，并由此產(chǎn)生了 一批非常成熟的通用和專(zhuān)業(yè)軟件。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，各種工程軟件也 得以廣泛的應(yīng)用州。 有限元法最初的求解思想是把計(jì)算區(qū)域劃分為有限個(gè)且互不重疊的微小區(qū) 域，用標(biāo)準(zhǔn)方法求出每個(gè)微小單元的近似解，最后將每個(gè)單元合成原有系統(tǒng)的近 似系統(tǒng)。在工程領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)分析中，首先要假定每個(gè)微小區(qū)域中結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng) 力變化都是簡(jiǎn)單的，小區(qū)域內(nèi)的變形和應(yīng)力大小可以通過(guò)計(jì)算機(jī)很容易的求解出 工欄缺士學(xué)位論文 米，最終可以獲得整個(gè)系統(tǒng)的分析結(jié)構(gòu)。事實(shí)上，隨著單元數(shù)目的增加，每個(gè)單 元內(nèi)的變形和應(yīng)力的計(jì)算總是趨于簡(jiǎn)單，計(jì)算結(jié)果的近似程度也就越逼近真實(shí)情 況。理論上可以證明，當(dāng)單元數(shù)目足夠多時(shí)，計(jì)算結(jié)果將無(wú)限趨近于問(wèn)題的精確 解，但是計(jì)算量也會(huì)相應(yīng)增大。 有限元法最早應(yīng)用于結(jié)構(gòu)力學(xué)，如今，在工程領(lǐng)域中有限元法最主要的應(yīng)用 形式是結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，如結(jié)構(gòu)形狀的最優(yōu)化，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析，振動(dòng)的分析等等。 有限元法經(jīng)過(guò)五十多年的發(fā)展歷程，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷的擴(kuò)大從最初的平面問(wèn)題、 靜力平衡問(wèn)題擴(kuò)展到目前的空間問(wèn)題、動(dòng)力響應(yīng)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等方面的問(wèn)題，解決 了大量的工程實(shí)際問(wèn)題，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。 經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展、驗(yàn)證和在工程實(shí)際當(dāng)中的應(yīng)用，有限元法已被證明 是一種非常有效的工程問(wèn)題的模擬仿真方法，在解決了大量的工程實(shí)際問(wèn)題的同 時(shí)，也為工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步起到了巨大的推動(dòng)作用。 1 6 立銑刀計(jì)算機(jī)輔助工具的相關(guān)簡(jiǎn)介 在計(jì)算機(jī)輔助工具的研究上我國(guó)仍落后于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家，目前應(yīng)用比較廣泛 的立銑刀三維制圖軟件有u g 、p r o e 、s o l i d w o r k s 等等，立銑刀分析軟件主要有 a n s y s 、d e f o r m 、a d v a n t e d g e 等等。其中a d v a n t e d g e 軟件是專(zhuān)門(mén)從事金屬切削 方向的專(zhuān)業(yè)軟件，雖說(shuō)這款軟件在我國(guó)也用應(yīng)用，但是其理論原理要受到嚴(yán)密的 保護(hù)。 如今利用計(jì)算機(jī)對(duì)刀具進(jìn)行有限元分析已經(jīng)發(fā)展的像當(dāng)成熟了，采用有限元 法模擬切削加工，可以獲得在實(shí)驗(yàn)中無(wú)法直接測(cè)得或難以測(cè)得的變量，如應(yīng)力分 布、溫度場(chǎng)分布得等，而這些變量會(huì)有利于優(yōu)化切削過(guò)程，為刀具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和 切削參數(shù)的優(yōu)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 由于有限元分析法能減少設(shè)計(jì)經(jīng)費(fèi)和設(shè)計(jì)周期，以及提供必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)， 因此有限元分析法已經(jīng)成為當(dāng)代刀具設(shè)計(jì)的主流思想，取代了實(shí)驗(yàn)公式的設(shè)計(jì)方 式。 本文主要是對(duì)整體硬質(zhì)合金立銑刀進(jìn)行結(jié)構(gòu)的靜力分析和模態(tài)分析。 所謂靜力分析是指用來(lái)計(jì)算在固定不變的載荷作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，即由靜態(tài) 載荷引起系統(tǒng)變化。可以考慮結(jié)構(gòu)的線(xiàn)性及非線(xiàn)性行為，例如：大變形、大應(yīng)變、 應(yīng)力鋼化、接觸、塑性、超彈性及蠕變等。 模態(tài)分析一般用于確定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，即結(jié)構(gòu)的自振頻率及振形，也是其 他動(dòng)力學(xué)分析的起點(diǎn)。譜分析是模態(tài)分析的擴(kuò)展，用于計(jì)算由隨機(jī)振動(dòng)引起的結(jié) 構(gòu)應(yīng)力和應(yīng)變。 本文靜力分析主要應(yīng)用t h i r dw a v es y s t e m s 公司生產(chǎn)的a d v a n t e d g ef e m 軟 件。模態(tài)分析主要是應(yīng)用a n s y s 軟件。 g f 系列立銑刀的有限兀分析及參數(shù)優(yōu)化 1 6 1 有限元分析軟件a n s y s a n s y s 軟件是美國(guó)a n s y s 公司研制的大型通用有限元分析軟件，它是世界 范圍內(nèi)增長(zhǎng)最快的c a e 軟件，能夠進(jìn)行包括結(jié)構(gòu)、熱、聲、流體以及電磁場(chǎng)等科 學(xué)的研究，在世界各領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。a n s y s 的功能強(qiáng)大，操作簡(jiǎn)單方便， 現(xiàn)在它已經(jīng)成為國(guó)際最流行的有限元分析軟件。 a n s y s 有限元軟件是一個(gè)多用途的有限元法計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序，可以用來(lái)求解 結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場(chǎng)及碰撞等問(wèn)題。因此它可應(yīng)用于以下工業(yè)領(lǐng)域： 航空 航天、汽車(chē)工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機(jī)械、微機(jī)電系統(tǒng)、 運(yùn)動(dòng)器械等。 軟件分析過(guò)程包涵三個(gè)主要步驟：前處理，分析計(jì)算和后處理，利用a n s y s 進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)流程如圖1 1 。 圖1 1a n s y s 分析流程圖 前處理是指創(chuàng)建實(shí)體模型和有限元模型。它包括創(chuàng)建實(shí)體模型，定義單元屬 性，劃分有限元網(wǎng)格，修正模型等幾項(xiàng)內(nèi)容。該模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模 及網(wǎng)格劃分工具，用戶(hù)可以方便地構(gòu)造有限元模型。 分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓 電分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度 分析及優(yōu)化分析能力。 后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線(xiàn)顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流 軌跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示( 可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部) 等圖形方式顯 示出來(lái)，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線(xiàn)形式顯示或輸出。 工程碩士學(xué)位論文 a n s y sw o r k b e n c he n v i r o n m e n t ( a v e ) 作為新一代的多物理場(chǎng)協(xié)同c a e 仿 真環(huán)境，其獨(dú)特的產(chǎn)品構(gòu)架和眾多支撐性產(chǎn)品模塊為產(chǎn)品整機(jī)、多場(chǎng)耦合分析提 供了非常優(yōu)秀的系統(tǒng)級(jí)解決方案。它所包含的三個(gè)主要模塊：幾何建模模塊 ( d e s i g n m o d e l e r ) 、有限元分析模塊( d e s i g n s i m u l a t i o n ) 、和優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊 ( d e s i g n x p l o r e r ) 將設(shè)計(jì)、仿真、優(yōu)化集成于一體，可便于設(shè)計(jì)人員隨時(shí)進(jìn)行不 同功能模塊之間進(jìn)行雙向參數(shù)互動(dòng)調(diào)用，使與仿真相關(guān)的人、部門(mén)、技術(shù)及數(shù)據(jù) 在統(tǒng)一環(huán)境中系統(tǒng)工作 2 0 , 2 1 】。 本文應(yīng)用有限元軟件a n s y sw o r k b e n c h 的模態(tài)分析方法分別對(duì)硬質(zhì)合金立銑 刀在不同的刀具懸伸長(zhǎng)度情況下進(jìn)行模態(tài)分析，研究其結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性。即確定 其結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，分析刀具的懸伸長(zhǎng)度變化對(duì)立銑刀振動(dòng)的影響。 1 6 2a d v a n t e d g ef e m 軟件簡(jiǎn)介 a d v a n t e d g ef e m 軟件是t h i r dw a v es y s t e m s 公司于1 9 9 8 年發(fā)布的一款有限元 切削仿真軟件。用于優(yōu)化金屬切削工藝，優(yōu)化刀具設(shè)計(jì)。該軟件可以全面的預(yù)測(cè) 切削加工過(guò)程中的各類(lèi)數(shù)據(jù)，比如說(shuō)切削力、溫度、應(yīng)力、切屑形成、切屑打卷 及斷裂情況等。a d v a n t e d g ef e m 具有以下特點(diǎn)： 1 有限元解決方案。 2 可以進(jìn)行微觀(guān)及宏觀(guān)的加工分析，模擬金屬切削中的切削力、熱流、溫度、 切屑形成、切屑打卷、切屑斷裂、殘余應(yīng)力及刀具磨損。 3 詳細(xì)的銑削( 含插銑、玉米銑、五軸銑削等) 、車(chē)削、鉆削、鏜削、攻絲、 環(huán)槽等工藝分析。 4 網(wǎng)格劃分完全自動(dòng)，只需定義刀具、工件的網(wǎng)格控制系數(shù)及網(wǎng)格自適應(yīng)重劃 系數(shù)。 5 擁有豐富的材料庫(kù)：13 0 多種從鑄鐵到鈦合金的工件材料；10 0 多種從 c a r b i d e 、金剛石到高速鋼的刀具材料；涂層材料有t i n 、t i c 、t i a i n ；同時(shí)支持 用戶(hù)自定義材料、自定義本構(gòu)方程。 6 在仿真模擬中可以考慮工件初始應(yīng)力、刀具振動(dòng)、刀具表面涂層及冷卻液。 7 具有參數(shù)研究功能，可以進(jìn)行切削速度、進(jìn)給量、前角、切削刃圓弧半徑及 變換刀具來(lái)優(yōu)化金屬切削工藝。 8 車(chē)削及環(huán)槽刀具磨損仿真，主要采用日本的u s u i 算法，支持用戶(hù)自定義磨 損算法。 9 豐富的后處理功能，曲線(xiàn)、云圖及動(dòng)畫(huà)顯示仿真結(jié)果，可以得到切削力、溫 度、應(yīng)力、應(yīng)變率及加工功率等結(jié)果。 本論文將利用a d v a n t e d g ef e m 軟件仿真立銑刀的銑削過(guò)程，其中不僅針對(duì)刀 具幾何參數(shù)對(duì)切削加工過(guò)程的影響，還涉及到銑削參數(shù)的變化對(duì)切削力的影響。 g f 系列立銑刀的有限兀分析及參數(shù)優(yōu)化 刀具的幾何參數(shù)主要涉及到整體硬質(zhì)合金立銑刀的前角、后角、螺旋角；切削參 數(shù)主要包括了軸向切削深度、徑向切削深度、主軸轉(zhuǎn)速、每齒進(jìn)給量。其中銑削 參數(shù)是本次優(yōu)化過(guò)程的主要目標(biāo)。 1 7 論文主要內(nèi)容、研究背景及意義 本文的研究對(duì)象是我國(guó)某大型刀具企業(yè)的g f 系列整體式硬質(zhì)合金立銑刀， o f 系列立銑刀屬于通用精加工系列。 g f 系列立銑刀是新推出的一款精加工刀具，由于屬于精加工系列，所以刀具 刃部為四刃螺旋結(jié)構(gòu)，以便使切削過(guò)程平穩(wěn)，減少?zèng)_擊。該立銑刀有直柄和平柄 兩種情況，由于直柄立銑刀的懸伸長(zhǎng)度可以改變，會(huì)影響立銑刀加工過(guò)程中的振 動(dòng)情況，因此本文中只研究直柄立銑刀，圖1 2 為g f 系列立銑刀的結(jié)構(gòu)圖。 圖1 2g f 系列刀具結(jié)構(gòu)圖 本文的主要工作是，利用有限元軟件a d v a n t e d g ef e m 對(duì)切削過(guò)程進(jìn)行模擬， 期間將選取幾個(gè)對(duì)切削力影響較大的刀具幾何參數(shù)( 前角、后角、螺旋角) 以及 切削參數(shù)( 軸向切削深度、每齒進(jìn)給量、切削速度、徑向切削深度) 作為研究的 對(duì)象，分析以上參數(shù)對(duì)銑削力和切削溫度的影響。運(yùn)用正交試驗(yàn)法選取較優(yōu)的刀 具結(jié)構(gòu)，運(yùn)用遺傳算法，以最小切削力和最大加工效率為目標(biāo)函數(shù)，選取銑削參 數(shù)最優(yōu)值。運(yùn)用a n s y s 軟件對(duì)刀具進(jìn)行模態(tài)分析，應(yīng)用有限元模態(tài)分析方法計(jì)算硬 質(zhì)合金立銑刀在不同懸伸長(zhǎng)度下的固有頻率和振型，并分析刀具懸伸長(zhǎng)度對(duì)立銑 刀固有振動(dòng)頻率、振型的變化規(guī)律以及立銑刀振動(dòng)的影響。 主要研究?jī)?nèi)容如下： 1 利用有限元分析軟件a d v a n t e d g ef e m 對(duì)硬質(zhì)合金立銑刀銑削加工4 5 號(hào)鋼 的過(guò)程進(jìn)行仿真模擬。 2 利用單因素法分析硬質(zhì)合金立銑刀的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)：刀具前角、后角、螺旋 角對(duì)于刀具切削性能的影響。利用正交試驗(yàn)法，以最小切削力和刀具溫度值為研 究目標(biāo)對(duì)刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并將優(yōu)化結(jié)構(gòu)與刀具原有結(jié)構(gòu)做對(duì)比，驗(yàn)證優(yōu) 工程碩士學(xué)位論文 化結(jié)果的可行性。 3 利用有限元分析軟件a d v a n t e d g ef e m 對(duì)硬質(zhì)合金立銑刀進(jìn)行靜力學(xué)分析， 并模擬切削加工過(guò)程，同樣利用單因素法分析各個(gè)銑削參數(shù)對(duì)于銑削力的影響， 得到分析數(shù)據(jù)，利用最小二乘法建立銑削力預(yù)測(cè)模型。并用遺傳算法以最小切削 力和最大加工效率為目標(biāo)函數(shù)，選取參數(shù)的最優(yōu)值。 4 利用三維制圖軟件p r o e ，根據(jù)硬質(zhì)和金立銑刀的幾何模型，建立硬質(zhì)合金 立銑刀的三維模型。利用有限元軟件a n s y sw o r k b e n c he n v i r o n m e n t ( a v e ) 對(duì)刀 具進(jìn)行模態(tài)分析。分析當(dāng)?shù)毒邞疑扉L(zhǎng)度變化時(shí)對(duì)刀具固有頻率、振型和振動(dòng)情況 的影響，并得出最優(yōu)的懸伸長(zhǎng)度。 本課題的意義在于通過(guò)分析刀具幾何參數(shù)及銑削參數(shù)對(duì)切削過(guò)程的影響，為 減小切削力、切削溫度，減少刀具磨損，提高工件表面加工精度提供了重要的參 考依據(jù)，同時(shí)通過(guò)有限元方法確定合理的切削參數(shù)，優(yōu)化了刀具參數(shù)，減少了立 銑刀的設(shè)計(jì)周期和設(shè)計(jì)成本，并且為刀具設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。 1 8 本章小結(jié) 本章主要介紹了本文的研究背景，對(duì)刀具的材料，尤其是我國(guó)硬質(zhì)合金材料 的發(fā)展作了詳細(xì)的介紹，并著重介紹了目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于刀具結(jié)構(gòu)和銑削參數(shù)的優(yōu) 化的發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)簡(jiǎn)單介紹了力學(xué)模型的建模方法，以及各建模方法的理論原 理。還介紹了兩款有限元軟件，a n s y s 、a d v a n t e d g e ，以及它們?cè)谟邢拊治錾?的各自?xún)?yōu)點(diǎn)。最后對(duì)本論文的主要研究?jī)?nèi)容作了一個(gè)系統(tǒng)的概述。 9 g f 系列立銑刀的有限元分析及參數(shù)優(yōu)化 第2 章立銑刀銑削力建模 2 1 銑削特點(diǎn)及銑削方式的選擇 銑削是非常普遍的加工方式，通過(guò)旋轉(zhuǎn)的多切肖刃刀具，沿著設(shè)定好的進(jìn)給 路線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，從而完成金屬切削，形成加工表面。由于銑削加工屬于斷續(xù)切削，每 齒依次切入切出，因此沖擊載荷較大，容易發(fā)生震動(dòng)，會(huì)降低刀具的耐用度和表 面粗糙度。但是銑削時(shí)參加工作的切削刃總長(zhǎng)度較大，銑削面積較寬，單位時(shí)間 內(nèi)金屬切除率高，故生產(chǎn)效率高。 銑削加工是一種比較復(fù)雜的金屬切削過(guò)程，每一齒在切削過(guò)程中不斷變化的 切削厚度，將引起銑削力的變化。故在銑削時(shí)可以通過(guò)選取不同的銑削方式，來(lái) 改變銑肖4 厚度的變化，使在銑削過(guò)程中銑削力不會(huì)有太大的波動(dòng)，從而提高刀具 的耐用度。 對(duì)于銑削方式最常見(jiàn)的就是順銑和逆銑兩種。所謂逆銑就是刀具旋轉(zhuǎn)方向與 工件進(jìn)給方向相反時(shí)的銑削方式。逆銑時(shí)，銑削厚度從零逐漸增大到最大，由于 剛開(kāi)始切入時(shí)切削厚度很小，無(wú)法切下切屑，刀齒將在工件表面滑移一小段距離， 產(chǎn)生了強(qiáng)烈的摩擦，使刀具磨損嚴(yán)重，而且在工件表面產(chǎn)生冷硬現(xiàn)象，會(huì)影響加 工表面質(zhì)量。而順銑，是刀具的旋轉(zhuǎn)方向與工件進(jìn)給方向相同，切削厚度從最大 逐漸減小至零，順銑避免了逆銑的缺點(diǎn)，減弱了加工硬化的趨勢(shì)，加工平穩(wěn)，提 高了表面加工質(zhì)量和刀具使用壽命，因此在機(jī)床、夾具和工件剛度等滿(mǎn)足工藝要 求時(shí)，順銑是首選方式。 鱟釜 ( a ) 逆銑 圖2 1 順銑與逆銑 1 0 ( b ) 順銑 工程碩士學(xué)位論文 2 2 銑削力數(shù)學(xué)模型的建立 2 2 1 銑削厚度的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo) 由于立銑刀在加工過(guò)程中是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此其主切削刃運(yùn)動(dòng)軌跡是近似圓弧 的曲線(xiàn)，所以其切削層厚度一直都是在變化的。立銑刀加工時(shí)的切削厚度如下圖 2 2 所示 避給 圖2 2 順銑銑削厚度數(shù)學(xué)模型 首先假設(shè)瞬時(shí)接觸角緲( i ，歹) ，其表示為第i 個(gè)刀齒切入工件時(shí)，刀齒上第，個(gè)微 單元所處的位置，瞬時(shí)接觸角是一個(gè)時(shí)問(wèn)函數(shù)可以寫(xiě)成q g ( i ，) = c o t 。如果想分析 硬質(zhì)合金立銑刀的瞬時(shí)切削力，所分析的刀刃必須參加切削過(guò)程，所以我們得出 瞬時(shí)接觸角的變化范圍是在切入角和切出角之問(wèn)，即： ，n 緲( f ，) ( p e g ， ( 2 1 ) 式中，紀(jì)舢刀具開(kāi)始切削時(shí)的角度，即切入角； 。刀具結(jié)束切削時(shí)的角度，即切出角。 由圖2 2 可知銑削厚度b e = i a b = t o 一乙= r 一乙 其中乙可在a o 。o a 中利用余弦定理求出： 螂( 萬(wàn)一緲) ：絲掣 ( 2 2 ) o t o o a k 2 + 乙2 一c o s ( 萬(wàn)一緲) 2 乞d l o a t o , 一2 = 0 式中，l o , o = 正，為立銑刀的每齒進(jìn)給量 t o , 。= r ，為立銑刀的半徑。 g f 系列立銑刀的有限元分析及參數(shù)優(yōu)化 所以式2 2 可以變?yōu)椋?k 2 - c o s ( e r - ( p ) 2 f j o a + z 2 一r 2 = o ( 2 3 ) 利用二次根式求得： 乙= 一zs i n 緲+ 扛麗 ( 2 4 ) 由于乙 0 所以舍掉負(fù)根。由于本文中每齒進(jìn)給量z 小于l ，所以c o s 2 姒2 為 高階無(wú)窮小，故將其舍掉。所以銑削厚度公式： 包= l a 8 = o b 一乙= r + zs i n 夠一r = zs i n 緲 ( 2 5 ) 由式2 5 可以看出銑削厚度統(tǒng)是妒( i ，) 的函數(shù)，因此也是隨時(shí)間變化的。 2 2 2 平頭立銑刀銑削力建模 其實(shí)在實(shí)際的切削加工中金屬切削幾乎全部是三元切削的場(chǎng)合，純粹的二元 切削( 嚴(yán)格的平面塑性流動(dòng)狀態(tài)) 幾乎不存在【2 2 】。但是如果軸向力對(duì)切削過(guò)程影 響不是很大時(shí)，我們可以將三元切削過(guò)程簡(jiǎn)化成二元切削模型，比如立銑加工過(guò) 程中如果軸向切深是切削厚度的五倍以上時(shí)可將模型簡(jiǎn)化成二維正交切削，此時(shí) 我們可以用二元正交切削來(lái)推算出硬質(zhì)合金立銑刀的幾何角度、切削變量等參數(shù) 對(duì)銑削過(guò)程的影響。 本文采用a l t i n t a s 1 建立的瞬時(shí)力學(xué)模型為基礎(chǔ)，對(duì)平頭立銑刀進(jìn)行建模。其 基本思想是把平頭立銑刀的螺旋切削刃部分沿軸線(xiàn)方向離散成有限個(gè)微單元，每 個(gè)微單元等效成一個(gè)簡(jiǎn)單的切削過(guò)程，求出每個(gè)微單元上所受的主切削力妲，徑 向力織，軸向力礬，然后在切削范圍內(nèi)積分求出總的銑削力。 x 一勿、 嬲，一 圖2 3 立銑刀微元受力圖 圖2 4 立銑刀旋轉(zhuǎn)角度示意圖 、， 工程碩士學(xué)位論文 將立銑刀置于x y z 三維空間中，立銑刀的底平面置于x o y 平面中，銑刀軸線(xiàn) 方向與z 軸重合。將立銑刀在軸向切削深度a 內(nèi)，沿軸向方向z 劃分成有限個(gè)微 小單元，定義數(shù)量為m