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铣刀 |
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铣刀片的应力场分析 |
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作者：董丽华 袁哲俊 李振加 严复钢 |
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1．引言
铣削属断续切削，切削过程中刀片受力非常复杂，力的大小和方向随时变化，刀片的失效形式主要为冲击破损。因此，采用有限元法对铣刀片应力场进行分析，以寻求减少刀片破损的刀具最佳几何角度，对于铣刀片槽型的开发具有指导意义。
2．面铣切削加工坐标系统的建立
面铣切削加工坐标系统由刀体坐标系和刀片坐标系组成，如图1所示。
图1面铣切削加工坐标系统
在刀体坐标系中，Y轴为铣刀轴线，X轴在基面内过刀尖与Y轴相交。在刀片坐标系中，y1轴通过主切削刃，x1轴通过副切削刃，刀片前刀面在x1o1y1平面内。铣刀半径为R=OO1，铣刀前角为g0，刃倾角为ls，主偏角为K，法向前角为gn。
面铣刀无论具有何种几何角度，都可看作是由刀体坐标系经过一次平移和三次旋转而成，可用矩阵表示为
其中A11=cosgnsinhr+singnsinlscoshrA12=cosgncoshr-singnsinlssinhrA13=singncoslsA21=-coslscoshrA22=coslssinhrA23=sinlsA31=-singnsinhr+cosgnsinlscoshrA32=-singncoshr-cosgnsinlssinhrA33=cosgncoslstggn=tgg0cosls
3．切入冲击力方向的确定
铣削与车削的不同之处在于铣削为断续切削，存在着切入、切出过程，铣刀的破损主要是由机械冲击力引起的。因此，首先要确定铣刀切入瞬间冲击力的作用方向。铣削时，铣刀高速旋转，工件缓慢进给，若忽略进给运动(因进给运动速度仅为铣刀运动速度的约1/4)，铣刀切入冲击力的方向应该在刀具相对工件运动的切线方向上。如图2所示。
图2 切入冲击力的方向
由图1可知，切入冲击力方向为Z轴方向，力F分解到刀片坐标系中为
式中A13、A23、A33取值见式(1)，代入具体参数得
上式中，如果各分力值为正，则表示作用力沿坐标轴正方向；如果各分力值为负，则表示作用力沿坐标轴负方向。将面铣刀几何角度代入上式，即可确定铣刀切入冲击力的方向。
4．切入瞬间应力场有限元分析
面铣刀前刀面外力分布模型如图3a所示。
图3 面铣刀受力模型
在面铣刀运动过程中，刀刃O的位移比刀面上的点A、B的位移大(因为刀刃O的半径及回转速度最大)，因此在铣削过程中，刀刃受力最大，刀面受力呈逐渐减小分布。面铣刀切入过程中，前刀面只受瞬间的集中力作用，因此可用分布力模型表示切入过程前刀面的受力状况，与稳定切削状态相比，只是接触长度比稳定切削状态短。刀具受力模型如图3b所示，q1=kq2(k为系数)，y为作用力方向角，L为分布力作用长度。其中作用角y值由刀具几何角度确定，因此，刀片的几何角度不同，会引起作用力方向的改变。
下面对平前刀面刀片和带槽型刀片进行有限元分析，研究刀片槽型对铣削性能的影响。刀片几何参数见表1。表1 刀片几何参数
| | 前角 | 后角 | 刃倾角 | | 带槽型刀片 | 18° | 7° | 5° | | 平前刀面刀片 | 0° | 7° | 0° |
由式(3)可知，即使在相同的外力作用下，带槽型刀片的主切削力Fz1也小于平前刀面刀片的主切削力，实际测量结果也证实了这一点。
1 有限元分析模型的建立
有限元分析采用美国SDRC公司的大型工程软件I-DEASMaster series4，利用实体造型模块建立平前刀面及带槽型铣刀片的实体模型(见图4)，将实体模型输入有限元分析模块，并对其进行网格划分，对参加切削部分受力区域进行手工细分网格。 
图3 面铣刀受力模型
2 边界条件的确定
为分析两种刀片切削时的应力、应变和位移情况，需在网格模型上加边界条件(切削力载荷)，为测得实际切削时的铣削力，进行了铣削力试验。试验在X5030A铣床上进行，工件材料为奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti，刀片材料为YG546，切削用量v=100m/min，f=0．24mm/z，ap=4mm，其它切削条件均相同。用CLY铣削测力仪测得的主切削力如下：有槽型刀片：Fz=280kg；平前刀面刀片：Fz=350kg。按面铣刀受力模型在刃前区相应的位置加分布载荷，并将刀片材料的机械性能输入材料特性表，载荷作用角由刀具角度决定，按刀片所受约束情况建立位移和运动约束，将边界条件和约束并入一个组中，进行解算。
3 模型解算
模型解算的过程就是求解应力、应变和位移的过程。经计算机辅助解算及后处理得到的两种刀片切削时的应力、应变和位移结果如图5所示。  
  
(a)应力分布 (b)应变 (c)位移
图5 有限元分析结果
从图5可明显看出，平前刀面刀片切削时的应力、应变和位移均比有槽型刀片大。因此，在铣刀片上开出正确的槽型，可在很大程度上改善其铣削性能。
5．结语
由于铣削过程的复杂性，使刀片的破损比车削严重得多，其中切入破损占有较大比重。本文通过铣削过程分析、有限元分析和实验验证，证明在铣刀片上开出槽型，使刀具具有合理的几何角度，可改变切入冲击力的方向，减小刀片内部应力，改善铣削状态。因此，铣刀片槽型的开发研究是铣削研究的一个发展方向，已受到各国金属切削行业的重视。
本文作者：哈尔滨工业大学 董丽华袁哲俊
哈尔滨理工大学 李振加严复钢(end)
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(10/14/2005) |
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