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HEATS 发表于 2010-9-12 10:57:36

铣刀片的应力场分析

<H1><FONT size=2>1．引言</FONT></H1>
<DD>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。
<H1><FONT size=2>2．面铣切削加工坐标系统的建立</FONT></H1>
<TABLE align=right>
<TBODY>
<TR>
<TD align=middle><FONT size=2><IMG src="http://www.chmcw.com/upload/news/RCL/13220_1kncxd200832116331.gif"><BR><B>图1　面铣切削加工坐标系统</B></FONT></TD></TR></TBODY></TABLE>
<DD>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。
<DD>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，y<SUB>1</SUB>轴通过主切削刃，x<SUB>1</SUB>轴通过副切削刃，刀片前刀面在x<SUB>1</SUB>o<SUB>1</SUB>y<SUB>1</SUB>平面内。铣刀半径为R=OO<SUB>1</SUB>，铣刀前角为<FONT face=symbol>g</FONT><SUB>0</SUB>，刃倾角为<FONT face=symbol>l</FONT><SUB>s</SUB>，主偏角为K，法向前角为<FONT face=symbol>g</FONT><SUB>n</SUB>。
<DD>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
<CENTER><IMG src="http://www.chmcw.com/upload/news/RCL/13220_w1g7rm200832116338.gif"></CENTER>其中　<EM>A</EM><SUB>11</SUB>=cos<EM><FONT face=symbol>g</FONT></EM><SUB>n</SUB>sin<EM><FONT face=symbol>h</FONT></EM><SUB>r</SUB>+sin<EM><FONT face=symbol>g</FONT></EM><SUB>n</SUB>sin<EM><FONT face=symbol>l</FONT></EM><SUB>s</SUB>cos<EM><FONT face=symbol>h</FONT></EM><SUB>r</SUB>
<DD><EM>A</EM><SUB>12</SUB>=cos<EM><FONT face=symbol>g</FONT></EM><SUB>n</SUB>cos<EM><FONT face=symbol>h</FONT></EM><SUB>r</SUB>-sin<EM><FONT face=symbol>g</FONT></EM><SUB>n</SUB>sin<EM><FONT face=symbol>l</FONT></EM><SUB>s</SUB>sin<EM><FONT face=symbol>h</FONT></EM><SUB>r</SUB>
<DD><EM>A</EM><SUB>13</SUB>=sin<EM><FONT face=symbol>g</FONT></EM><SUB>n</SUB>cos<EM><FONT face=symbol>l</FONT></EM><SUB>s</SUB>
<DD><EM>A</EM><SUB>21</SUB>=-cos<EM><FONT face=symbol>l</FONT></EM><SUB>s</SUB>cos<EM><FONT face=symbol>h</FONT></EM><SUB>r</SUB>
<DD><EM>A</EM><SUB>22</SUB>=cos<EM><FONT face=symbol>l</FONT></EM><SUB>s</SUB>sin<EM><FONT face=symbol>h</FONT></EM><SUB>r</SUB>
<DD><EM>A</EM><SUB>23</SUB>=sin<EM><FONT face=symbol>l</FONT></EM><SUB>s</SUB>
<DD><EM>A</EM><SUB>31</SUB>=-sin<EM><FONT face=symbol>g</FONT></EM><SUB>n</SUB>sin<EM><FONT face=symbol>h</FONT></EM><SUB>r</SUB>+cos<EM><FONT face=symbol>g</FONT></EM><SUB>n</SUB>sin<EM><FONT face=symbol>l</FONT></EM><SUB>s</SUB>cos<EM><FONT face=symbol>h</FONT></EM><SUB>r</SUB>
<DD><EM>A</EM><SUB>32</SUB>=-sin<EM><FONT face=symbol>g</FONT></EM><SUB>n</SUB>cos<EM><FONT face=symbol>h</FONT></EM><SUB>r</SUB>-cos<EM><FONT face=symbol>g</FONT></EM><SUB>n</SUB>sin<EM><FONT face=symbol>l</FONT></EM><SUB>s</SUB>sin<EM><FONT face=symbol>h</FONT></EM><SUB>r</SUB>
<DD><EM>A</EM><SUB>33</SUB>=cos<EM><FONT face=symbol>g</FONT></EM><SUB>n</SUB>cos<EM><FONT face=symbol>l</FONT></EM><SUB>s</SUB>
<DD>tg<EM><FONT face=symbol>g</FONT></EM><SUB>n</SUB>=tg<EM><FONT face=symbol>g</FONT></EM><SUB>0</SUB>cos<EM><FONT face=symbol>l</FONT></EM><SUB>s</SUB><BR>
<TABLE align=right>
<TBODY>
<TR>
<TD align=middle><FONT size=2><IMG src="http://www.chmcw.com/upload/news/RCL/13220_bu094v200832116358.gif"><BR><B>图2 切入冲击力的方向</B></FONT></TD></TR></TBODY></TABLE>
<H1><FONT size=2>3．切入冲击力方向的确定</FONT></H1>
<DD>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。
<DD>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
<TABLE width="90%">
<TBODY>
<TR>
<TD align=middle><FONT size=2><IMG src="http://www.chmcw.com/upload/news/RCL/13220_dfrzg820083211648.gif"></FONT>&nbsp;
<TD width=10><FONT size=2>(2)</FONT></TD></TR></TBODY></TABLE>式中A<SUB>13</SUB>、A<SUB>23</SUB>、A<SUB>33</SUB>取值见式(1)，代入具体参数得
<TABLE width="90%">
<TBODY>
<TR>
<TD align=middle><FONT size=2><IMG src="http://www.chmcw.com/upload/news/RCL/13220_wxh20z200832116417.gif"></FONT>&nbsp;
<TD width=10><FONT size=2>(3)</FONT></TD></TR></TBODY></TABLE>
<DD>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。<BR>
<TABLE align=right>
<TBODY>
<TR>
<TD align=middle><FONT size=2><IMG src="http://www.chmcw.com/upload/news/RCL/13220_k79kqa200832116635.gif"><BR><B>图3 面铣刀受力模型</B></FONT></TD></TR></TBODY></TABLE>
<H1><FONT size=2>4．切入瞬间应力场有限元分析</FONT></H1>
<DD>面铣刀前刀面外力分布模型如图3a所示。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，q<SUB>1</SUB>=kq<SUB>2</SUB>(k为系数)，<FONT face=symbol>y</FONT>为作用力方向角，L为分布力作用长度。其中作用角<FONT face=symbol>y</FONT>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。<BR>
<TABLE cellSpacing=0 borderColorDark=#ffffff cellPadding=0 align=right bgColor=#e5ebba borderColorLight=#006600 border=1>
<CAPTION><FONT size=2><STRONG>刀片几何参数表</STRONG></FONT></CAPTION>
<TBODY>
<TR align=middle bgColor=#c5cb9a>
<TD><FONT size=2>&nbsp;</FONT>
<TD><FONT size=2>前角</FONT>
<TD><FONT size=2>后角</FONT>
<TD><FONT size=2>刃倾角 </FONT>
<TR align=middle>
<TD><FONT size=2>带槽型刀片</FONT>
<TD><FONT size=2>18°</FONT>
<TD><FONT size=2>7°</FONT>
<TD><FONT size=2>5° </FONT>
<TR align=middle>
<TD><FONT size=2>平前刀面刀片</FONT>
<TD><FONT size=2>0°</FONT>
<TD><FONT size=2>7°</FONT>
<TD><FONT size=2>0° </FONT></TD></TR></TBODY></TABLE>
<DD>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。刀片几何参数见右表。
<DD>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F<SUB>z1</SUB>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。
<OL><B>
<LI>有限元分析模型的建立</B><BR>
<TABLE align=right>
<TBODY>
<TR align=middle>
<TD><FONT size=2><IMG src="http://www.chmcw.com/upload/news/RCL/13220_xxlfme200832116652.gif"></FONT>&nbsp;
<TD><FONT size=2><IMG src="http://www.chmcw.com/upload/news/RCL/13220_dswnk520083211671.gif"></FONT>&nbsp;
<TR align=middle>
<TD colSpan=2><B><FONT size=2>图4 面铣刀受力模型</FONT></B></TD></TR></TBODY></TABLE>
<DD>有限元分析采用美国SDRC公司的大型工程软件I-DEAS　Master 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。<B></DD>
<LI>边界条件的确定</B>
<DD>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，a<SUB>p</SUB>=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：F<SUB>z</SUB>=280kg；平前刀面刀片：F<SUB>z</SUB>=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。<B></DD>
<LI>模型解算</B>
<DD>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。<BR>
<TABLE align=center>
<TBODY>
<TR align=middle>
<TD><FONT size=2><IMG height=123 src="http://www.chmcw.com/upload/news/RCL/13220_iutkxj200832116752.gif" width=191><BR><IMG height=124 src="http://www.chmcw.com/upload/news/RCL/13220_cepkdl200832116825.gif" width=187><BR>(a)应力分布</FONT>
<TD><FONT size=2><IMG height=123 src="http://www.chmcw.com/upload/news/RCL/13220_cpcbyi200832116759.gif" width=187><BR><IMG style="WIDTH: 186px; HEIGHT: 125px" height=125 src="http://www.chmcw.com/upload/news/RCL/13220_nz5mme200832116833.gif" width=186><BR>(b)应变</FONT>
<TD><FONT size=2><IMG style="WIDTH: 183px; HEIGHT: 123px" height=123 src="http://www.chmcw.com/upload/news/RCL/13220_z4hv9f20083211686.gif" width=187><BR><IMG style="WIDTH: 185px; HEIGHT: 124px" height=124 src="http://www.chmcw.com/upload/news/RCL/13220_ri84gs200832116841.gif" width=187><BR>(c)位移</FONT>
<TR align=middle>
<TD colSpan=3><B><FONT size=2>图5 有限元分析结果</FONT></B></TD></TR></TBODY></TABLE>
<DD>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。</DD></LI></OL>
<H1><FONT size=2>5．结语</FONT></H1>
<DD>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。 </DD>
               

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