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銑刀片的應(yīng)力場分析

2008年03月22日 10:09點擊：2798來源：>>進(jìn)入該公司展臺

1．引言

銑削屬斷續(xù)切削，切削過程中刀片受力非常復(fù)雜，力的大小和方向隨時變化，刀片的失效形式主要為沖擊破損。因此，采用有限元法對銑刀片應(yīng)力場進(jìn)行分析，以尋求減少刀片破損的刀具*幾何角度，對于銑刀片槽型的開發(fā)具有指導(dǎo)意義。

2．面銑切削加工坐標(biāo)系統(tǒng)的建立

圖1　面銑切削加工坐標(biāo)系統(tǒng)

面銑切削加工坐標(biāo)系統(tǒng)由刀體坐標(biāo)系和刀片坐標(biāo)系組成，如圖1所示。

在刀體坐標(biāo)系中，Y軸為銑刀軸線，X軸在基面內(nèi)過刀尖與Y軸相交。在刀片坐標(biāo)系中，y₁軸通過主切削刃，x₁軸通過副切削刃，刀片前刀面在x₁o₁y₁平面內(nèi)。銑刀半徑為R=OO₁，銑刀前角為g₀，刃傾角為l_s，主偏角為K，法向前角為g_n。

面銑刀無論具有何種幾何角度，都可看作是由刀體坐標(biāo)系經(jīng)過一次平移和三次旋轉(zhuǎn)而成，可用矩陣表示為其中　A₁₁=cosg_nsinh_r+sing_nsinl_scosh_r

A₁₂=cosg_ncosh_r-sing_nsinl_ssinh_r

A₁₃=sing_ncosl_s

A₂₁=-cosl_scosh_r

A₂₂=cosl_ssinh_r

A₂₃=sinl_s

A₃₁=-sing_nsinh_r+cosg_nsinl_scosh_r

A₃₂=-sing_ncosh_r-cosg_nsinl_ssinh_r

A₃₃=cosg_ncosl_s

tgg_n=tgg₀cosl_s

圖2 切入沖擊力的方向

3．切入沖擊力方向的確定

銑削與車削的不同之處在于銑削為斷續(xù)切削，存在著切入、切出過程，銑刀的破損主要是由機械沖擊力引起的。因此，首先要確定銑刀切入瞬間沖擊力的作用方向。銑削時，銑刀高速旋轉(zhuǎn)，工件緩慢進(jìn)給，若忽略進(jìn)給運動（因進(jìn)給運動速度僅為銑刀運動速度的約1/4），銑刀切入沖擊力的方向應(yīng)該在刀具相對工件運動的切線方向上。如圖2所示。

由圖1可知，切入沖擊力方向為Z軸方向，力F分解到刀片坐標(biāo)系中為

（2）

式中A₁₃、A₂₃、A₃₃取值見式（1），代入具體參數(shù)得

（3）

上式中，如果各分力值為正，則表示作用力沿坐標(biāo)軸正方向；如果各分力值為負(fù)，則表示作用力沿坐標(biāo)軸負(fù)方向。將面銑刀幾何角度代入上式，即可確定銑刀切入沖擊力的方向。

圖3 面銑刀受力模型

4．切入瞬間應(yīng)力場有限元分析

面銑刀前刀面外力分布模型如圖3a所示。在面銑刀運動過程中，刀刃O的位移比刀面上的點A、B的位移大（因為刀刃O的半徑及回轉(zhuǎn)速度zui大），因此在銑削過程中，刀刃受力zui大，刀面受力呈逐漸減小分布。面銑刀切入過程中，前刀面只受瞬間的集中力作用，因此可用分布力模型表示切入過程前刀面的受力狀況，與穩(wěn)定切削狀態(tài)相比，只是接觸長度比穩(wěn)定切削狀態(tài)短。刀具受力模型如圖3b所示，q₁=kq₂（k為系數(shù)），y為作用力方向角，L為分布力作用長度。其中作用角y值由刀具幾何角度確定，因此，刀片的幾何角度不同，會引起作用力方向的改變。

**刀片幾何參數(shù)表**
	前角	后角	刃傾角
帶槽型刀片	18°	7°	5°
平前刀面刀片	0°	7°	0°

下面對平前刀面刀片和帶槽型刀片進(jìn)行有限元分析，研究刀片槽型對銑削性能的影響。刀片幾何參數(shù)見右表。

由式（3）可知，即使在相同的外力作用下，帶槽型刀片的主切削力F_z1也小于平前刀面刀片的主切削力，實際測量結(jié)果也證實了這一點。

有限元分析模型的建立

邊界條件的確定

模型解算


圖4 面銑刀受力模型

有限元分析采用美國SDRC公司的大型工程軟件I-DEAS　Master series4，利用實體造型模塊建立平前刀面及帶槽型銑刀片的實體模型（見圖4），將實體模型輸入有限元分析模塊，并對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對參加切削部分受力區(qū)域進(jìn)行手工細(xì)分網(wǎng)格。

為分析兩種刀片切削時的應(yīng)力、應(yīng)變和位移情況，需在網(wǎng)格模型上加邊界條件（切削力載荷），為測得實際切削時的銑削力，進(jìn)行了銑削力試驗。試驗在X5030A銑床上進(jìn)行，工件材料為奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9Ti，刀片材料為YG546，切削用量v=100m/min，f=0．24mm/z，a_p=4mm，其它切削條件均相同。用CLY銑削測力儀測得的主切削力如下：有槽型刀片：F_z=280kg；平前刀面刀片：F_z=350kg。按面銑刀受力模型在刃前區(qū)相應(yīng)的位置加分布載荷，并將刀片材料的機械性能輸入材料特性表，載荷作用角由刀具角度決定，按刀片所受約束情況建立位移和運動約束，將邊界條件和約束并入一個組中，進(jìn)行解算。

模型解算的過程就是求解應(yīng)力、應(yīng)變和位移的過程。經(jīng)計算機輔助解算及后處理得到的兩種刀片切削時的應(yīng)力、應(yīng)變和位移結(jié)果如圖5所示。

（a）應(yīng)力分布

（b）應(yīng)變

（c）位移

圖5 有限元分析結(jié)果

從圖5可明顯看出，平前刀面刀片切削時的應(yīng)力、應(yīng)變和位移均比有槽型刀片大。因此，在銑刀片上開出正確的槽型，可在很大程度上改善其銑削性能。

5．結(jié)語

由于銑削過程的復(fù)雜性，使刀片的破損比車削嚴(yán)重得多，其中切入破損占有較大比重。本文通過銑削過程分析、有限元分析和實驗驗證，證明在銑刀片上開出槽型，使刀具具有合理的幾何角度，可改變切入沖擊力的方向，減小刀片內(nèi)部應(yīng)力，改善銑削狀態(tài)。因此，銑刀片槽型的開發(fā)研究是銑削研究的一個發(fā)展方向，已受到各國金屬切削行業(yè)的重視。

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