铣刀片的应力场分析

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1．引言

$ y" U( b5 f/ u5 Y: t8 g% s

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。 : K, @% h* x6 `+ e& e5 ?# `

2．面铣切削加工坐标系统的建立

图1　面铣切削加工坐标系统

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。

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l_s，主偏角为K，法向前角为g_n。 ) M+ R0 A7 B% }( c1 v# ], a

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 : F# Y; S* g& l5 ?: C) U3 x( _5 {其中　A₁₁=cosg_nsinh_r+sing_nsinl_scosh_r 5 V% {" w7 Q* l- I5 U

A₁₂=cosg_ncosh_r-sing_nsinl_ssinh_r 9 Y0 ?( A+ B. D! l7 b; h

A₁₃=sing_ncosl_s

A₂₁=-cosl_scosh_r 8 l# U) v; \$ _; K9 c

A₂₂=cosl_ssinh_r

A₂₃=sinl_s

A₃₁=-sing_nsinh_r+cosg_nsinl_scosh_r , i! `# Q. r/ B* B

A₃₂=-sing_ncosh_r-cosg_nsinl_ssinh_r

A₃₃=cosg_ncosl_s ; {4 u s- _0 G, C5 W; C

tgg_n=tgg₀cosl_s
5 b7 ^& b) P: K3 ?; _

图2 切入冲击力的方向

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。

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 9 b6 p$ L0 X: q1 ]# H6 {8 i9 T, T; v& e+ f. a7 x& C- i- R/ _4 o' b) I2 O& L2 [' `

(2)

式中A₁₃、A₂₃、A₃₃取值见式(1)，代入具体参数得 & |9 J, R' l. T$ C6 }9 A

2 w$ G$ w2 s' L1 Y1 }8 V

(3)

" p8 O/ w2 n1 G5 p: ~

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。
: i7 e( F$ v7 L* Y. B! r. |. b: f( i5 v, @

图3 面铣刀受力模型

8 _( E# h2 c1 B# e2 I

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。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。
! F4 Z$ Y0 {$ Q4 G4 k/ K1 W m( m8 l* k$ I* r, G- ?8 [' M0 j. D' h; X8 X# d$ }" ~6 a1 f B, z) t9 t5 S

刀片几何参数表

9 S: }6 o/ \# }5 E3 W8 A0 c	前角 * I3 { R5 T' {$ W4 [ e	后角	刃倾角 . z- N3 X& I$ l
带槽型刀片	18° 1 D0 U2 d- C/ U8 {! C	7° & ` w& `- }/ k9 ^7 ^	5° + \, X# Z$ X/ U3 H/ k* \/ r# I
平前刀面刀片 5 I3 i* r. p5 k2 W3 b4 G	0° 2 L: M) i; [! _5 V. X	7° 1 y# d. {* R/ D; ], N' }4 a. s7 }	0°

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。 - O r0 G* q6 t; H) |

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_z1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。

# L# J+ p- _4 n
1. 有限元分析模型的建立
   6 U3 }$ I% `& U/ g4 r# V/ j9 j& H1 |! D% E* K/ l

   & P: c1 [* s$ C5 j, K. J! t	" h% A9 L6 m) P2 y) z7 g% `$ [) E* m
   图4 面铣刀受力模型

   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。
   3 x! ^, D Y3 l9 }
2. 边界条件的确定 , l+ z, J M+ d$ J1 U( m- @
   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_p=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_z=280kg；平前刀面刀片：F_z=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。
   ! ?' S8 L' C1 C" I1 H
3. 模型解算 2 X7 j' { t* y: @
   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。
   ! o+ v) J9 t. Y6 u5 D! g( {* o8 }- _3 I: K2 [# O" e& c& ~

   (a)应力分布	(b)应变	(c)位移 : h F7 o( j0 {- s1 I0 m6 u( A* [. l
   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。

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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。

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