小直徑銑刀高速銑削的有限元軟件ANSYS仿真分析
摘要：應(yīng)用有限元方法．仿真分析在不同高速加工條件下．小直徑立銑刀（ø2mm）加工淬硬鋼時(shí)刀具的內(nèi)部應(yīng)力、變形隨加工參數(shù)變化而變化的規(guī)律，為減少刀具的非正常破損現(xiàn)象和采用適應(yīng)高速加工的編程策略等提供良好的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)和分析方法，為優(yōu)選加工工藝參數(shù)提供參考。
在模具制造業(yè)中，廣泛使用各種立銑刀高速加工型腔等復(fù)雜曲面。但是在采用小直徑銑刀高速銑削具有深槽或窄縫的模具時(shí)，刀具的非正常破損問題尤為嚴(yán)重，因此消除刀具的非正常破損現(xiàn)象、降低刀具成本是生產(chǎn)中函待解決的問題。
由于很難測(cè)量刀具真實(shí)的受力和變形，因此有限元方法被應(yīng)用于加工過程的分析。有限元方法已廣泛地應(yīng)用于車削加工的分析研究，但是，由于銑削加工的復(fù)雜性，人們?cè)O(shè)法應(yīng)用有限元方法研究不同銑削條件下刀具的受力和變形。一些文獻(xiàn)提出了一個(gè)應(yīng)用有限元仿真的高速切削過程預(yù)報(bào)模型，并應(yīng)用于考慮刀尖半徑的車削及平面立銑加工；對(duì)車削及平面立銑中的切削合力、刀具應(yīng)力和切削溫度進(jìn)行了預(yù)報(bào)。另有文獻(xiàn)預(yù)言有限元不久將成為用于優(yōu)化切削條件及預(yù)報(bào)3d過程仿真切削參數(shù)的強(qiáng)有力的工具。但目前尚缺乏有關(guān)基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上對(duì)刀具變形進(jìn)行仿真分析研究的報(bào)導(dǎo)。
本文的主要工作是在前述研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)用有限元軟件ansys仿真分析在不同高速加工條件下，小直徑立銑刀（ø2mm）加工淬硬鋼時(shí)刀具的內(nèi)部應(yīng)力、變形隨加工參數(shù)（軸向切削深度ad、每齒進(jìn)給量fz、切削速度vc）變化而變化的規(guī)律。以刀具的受力、變形作為分析的優(yōu)化目標(biāo)，得出ad、fz的較佳取值范圍。通過分析和預(yù)測(cè)，為優(yōu)選加工工藝參數(shù)，減少刀具磨損、改善工件表面粗糙度、采用適應(yīng)高速加工的編程策略等提供參考。
1仿真條件
應(yīng)用有限元ansys軟件仿真分析的條件是：先根據(jù)立銑刀的幾何參數(shù)和材料性能指標(biāo)建立立銑刀的實(shí)體幾何模型、有限元模型，再建立立銑刀的受力模型。
1.1立銑刀的實(shí)體模型
本文根據(jù)立銑刀幾何參數(shù)（表1），通過pro/e軟件，建立了ø2mm立銑刀的實(shí)體模型。
1.2立銑刀的有限元模型
將立銑刀的實(shí)體模型通過數(shù)據(jù)接口讀入分析軟件中，經(jīng)過修正、單元類型確定、材料屬性確定（表2）后劃分立銑刀的有限元網(wǎng)格。本文中ø2mm硬質(zhì)合金立銑刀的有限元模型的網(wǎng)格劃分精度為3級(jí)，網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)數(shù)為55,300。在立銑刀的網(wǎng)格圖上確定位移邊界條件就可以得到立銑刀的有限元模型。
1.3立銑刀的受力模型
立銑刀由于螺旋銑刀切削刃形狀復(fù)雜，影響切削力的因素更為復(fù)雜，不僅僅與進(jìn)給速度、切削深度有關(guān)，還與刀具的螺旋角、懸伸量等等有關(guān)，切削力的計(jì)算很復(fù)雜。本文采用某文獻(xiàn)提出的經(jīng)典銑削力學(xué)模型。
本文采用課題組對(duì)ø2mmaltin硬質(zhì)合金立銑刀在刀懸伸量l=16.5mm情況下，銑槽正交實(shí)驗(yàn)研究所建立的切削力的經(jīng)驗(yàn)公式作為銑削力計(jì)算公式。銑削力受力方向，其中，f為切削合力；fx為切向銑削力；fy為徑向銑削力；fz為軸向力。
f=e8.46vc0.0395fz0.598ad0.573（n） （1）
fx=e11.3vc-0.521fz0.660ad0.807（n） （2）
fy=e5.89vc0.226fz0.2981ad0.613（n） （3）
fz=e-2.11vc1.79fz0.5433ad-0.20（n） （4）
式中：vc——切削速度，m/min fz——每齒進(jìn)給量，mm/齒 ad——軸向切削深度，mm e——自然對(duì)數(shù)
2結(jié)果及分析
以均布載荷的形式將fx、fy、fz施加在ø2mm立銑刀的有限元模型上，進(jìn)行有限元求解。在其他切削條件不變的情況下，分別分析當(dāng)軸向切削深度ad改變、每齒進(jìn)給量fz改變、切削速度vc改變時(shí)對(duì)ø2mm立銑刀應(yīng)力場(chǎng)的影響。
是ø2mm立銑刀有限元求解得出等效應(yīng)力分布的其中一個(gè)。ø2mm立銑刀等效應(yīng)力分布表明：隨著ad、fz、vc的增大，刀具應(yīng)力場(chǎng)的分布狀態(tài)基本不變，較大應(yīng)力位于銑刀懸臂處及刀刃處。
2.1軸向切削深度ad對(duì)刀具應(yīng)力場(chǎng)的影響
用有限元求解得出的ø2mm立銑刀等效應(yīng)力smx：和zui大變形量dmx：隨ad改變而變化的規(guī)律。它表明：隨著ad的增大，ø2mm立銑刀刀具的smx和dmx也增大，均呈直線上升趨勢(shì)。當(dāng)ad從0.05～1.5mm時(shí)，ad每增加0.1mm,smx增加971.6pa;dmx增加0.188µm。當(dāng)ad從1.5～3mm時(shí)，ad每增加0.1mm,smx的增量是前者的1.573倍；dmx的增量是前者的1.49倍?？梢娫谶x擇小直徑銑刀高速加工淬硬鋼的切削用量時(shí)，軸向切削深度ad應(yīng)該盡量取小值，且不能大于1.5mm。
當(dāng)ad為0.1～0.3mm時(shí)，dmx為0.399～0.89µm,而ø2mm立銑刀刀具本身在公差等級(jí)為1～4級(jí)時(shí)的圓柱度公差為0.2～0.8µm。由于刀具的變形包括裝刀初始跳動(dòng)、刀具本身的變形以及加工過程中受力后的變形，因此，刀具本身的變形量加上刀具加工過程中受力后的變形量已不可忽視。同時(shí)刀具在加工過程中的變形和破損還與加工的方式方法等其他因素有關(guān)，故以刀具的受力、變形作為分析的優(yōu)化目標(biāo)。ad為0.1～0.3mm左右是較佳取值范圍，這與課題組實(shí)驗(yàn)的結(jié)論是一致的。
2.2每齒進(jìn)給量fz對(duì)刀具應(yīng)力場(chǎng)的影響
給出了ø2mm立銑刀zui大等效應(yīng)力smx：和zui大變形量dmx隨每齒進(jìn)給量關(guān)改變而變化的規(guī)律?？芍篺z每增加0.01mm，刀具的smx增加553.8pa;dmx增加0.114µm。顯然fz的增加對(duì)小直徑立銑刀smx的增量和dmx增量的影響很大。所以在選擇小直徑立銑刀高速加工淬硬鋼的切削用量時(shí)，每齒進(jìn)給量fz宜盡量選擇小值。
當(dāng)fz為0.01～0.03mm/齒時(shí)，立銑刀的dmx為0.469～0.811µm，與ad對(duì)ø2mm立銑刀的應(yīng)力和變形的影響相似。同樣要考慮立銑刀的裝刀初始跳動(dòng)、加工過程中受力后的變形、制造公差等因素，因此fz為0.01～0.03mm/齒左右是較佳取值范圍，這與課題組實(shí)驗(yàn)的結(jié)論一致。這一結(jié)果也正符合了高速加工大進(jìn)給、小切深的特點(diǎn)。由于fz越小，表面殘留面積高度越低，表面粗糙度值就小。因此，在高速切削時(shí)，利用減小進(jìn)給量來提高加工表面的質(zhì)量也是一個(gè)較為有效的措施。
2.3切削速度vc對(duì)立銑刀刀具應(yīng)力場(chǎng)的影響
用有限元求解得出的ø2mm立銑刀smx和dmx隨切削速度vc改變而變化的規(guī)律。可知：當(dāng)從在60～160m/min之間變化時(shí)，隨著vc的增加，立銑刀刀具的smx呈下降趨勢(shì)，smx相對(duì)減少了32.4%;dmx基本上呈下降趨勢(shì)，dmx相對(duì)減少了28.62%。
顯然，有限元分析的結(jié)果與課題組高速銑削淬硬鋼材料實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是相吻合的。這在實(shí)際生產(chǎn)中，可以通過提高切削速度來提高進(jìn)給速度，從而提高加工效率，降低成本。
3結(jié)論
隨著軸向切削深度ad和每齒進(jìn)給量fz的增大，ø2mm立銑刀刀具的zui大等效應(yīng)力smx和zui大變形量dmx也增大，均呈直線上升趨勢(shì)。因此，在小直徑銑刀高速加工淬硬鋼時(shí)，ad和fz應(yīng)該盡量取小值。以刀具的受力、變形作為分析的優(yōu)化目標(biāo)，得出ad較佳取值范圍為0.1～0.3mm，fz較佳取值范圍為0.01～0.03mm/z。
在一定的切削速度范圍內(nèi)（vc=60～160m/min），隨著切削速度從的增加，立銑刀刀具的zui大等效應(yīng)力smx、zui大變形量dmx均呈下降趨勢(shì)。這在實(shí)際生產(chǎn)中具有非常重要的意義，可以通過提高切削速度來提高進(jìn)給速度，從而提高加工效率，降低成本。
上述結(jié)論均得到實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果的支持，表明本文建立的立銑刀模型是可行的，本文提出的分析方法可以作為高速加工過程的分析和加工參數(shù)優(yōu)化的一種新的工具。
（來源：《制造技術(shù)與機(jī)床》）
DAPS-0480-090-RS3-F14EMMS
有機(jī)肥養(yǎng)分含量檢測(cè)儀怎么選擇？
橡塑板廠家（規(guī)格表）
賽多利斯電子天平操作特性及主要技術(shù)參數(shù)
金鋒鋸業(yè)M42帶鋸條，鋸切應(yīng)用廣泛
小直徑銑刀高速銑削的有限元軟件ANSYS仿真分析
中間繼電器的工作原理
集尿袋泄漏測(cè)試儀對(duì)產(chǎn)品性能的重要性
EMMI微光顯微鏡能夠長時(shí)間連續(xù)工作
具有JAS標(biāo)準(zhǔn)的水產(chǎn)品質(zhì)構(gòu)儀SD-700
酒店賓館建筑如何根據(jù)負(fù)荷量進(jìn)行無功補(bǔ)償力調(diào)電費(fèi)？
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愛林?jǐn)?shù)顯混勻器WZR-H6000s型數(shù)顯梅毒旋轉(zhuǎn)儀搖床技術(shù)參數(shù)
BUCHI凱氏定氮儀工作流程如下
MOOG穆格伺服比例閥功能特點(diǎn)
太原停車場(chǎng)收費(fèi)亭廠家
澳大利亞PHILMAC塑料管件特點(diǎn)
磁力泵工作原理結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)
紙張耐折強(qiáng)度的檢測(cè)設(shè)備介紹
在模具制造業(yè)中，廣泛使用各種立銑刀高速加工型腔等復(fù)雜曲面。但是在采用小直徑銑刀高速銑削具有深槽或窄縫的模具時(shí)，刀具的非正常破損問題尤為嚴(yán)重，因此消除刀具的非正常破損現(xiàn)象、降低刀具成本是生產(chǎn)中函待解決的問題。
由于很難測(cè)量刀具真實(shí)的受力和變形，因此有限元方法被應(yīng)用于加工過程的分析。有限元方法已廣泛地應(yīng)用于車削加工的分析研究，但是，由于銑削加工的復(fù)雜性，人們?cè)O(shè)法應(yīng)用有限元方法研究不同銑削條件下刀具的受力和變形。一些文獻(xiàn)提出了一個(gè)應(yīng)用有限元仿真的高速切削過程預(yù)報(bào)模型，并應(yīng)用于考慮刀尖半徑的車削及平面立銑加工；對(duì)車削及平面立銑中的切削合力、刀具應(yīng)力和切削溫度進(jìn)行了預(yù)報(bào)。另有文獻(xiàn)預(yù)言有限元不久將成為用于優(yōu)化切削條件及預(yù)報(bào)3d過程仿真切削參數(shù)的強(qiáng)有力的工具。但目前尚缺乏有關(guān)基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上對(duì)刀具變形進(jìn)行仿真分析研究的報(bào)導(dǎo)。
本文的主要工作是在前述研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)用有限元軟件ansys仿真分析在不同高速加工條件下，小直徑立銑刀（ø2mm）加工淬硬鋼時(shí)刀具的內(nèi)部應(yīng)力、變形隨加工參數(shù)（軸向切削深度ad、每齒進(jìn)給量fz、切削速度vc）變化而變化的規(guī)律。以刀具的受力、變形作為分析的優(yōu)化目標(biāo)，得出ad、fz的較佳取值范圍。通過分析和預(yù)測(cè)，為優(yōu)選加工工藝參數(shù)，減少刀具磨損、改善工件表面粗糙度、采用適應(yīng)高速加工的編程策略等提供參考。
1仿真條件
應(yīng)用有限元ansys軟件仿真分析的條件是：先根據(jù)立銑刀的幾何參數(shù)和材料性能指標(biāo)建立立銑刀的實(shí)體幾何模型、有限元模型，再建立立銑刀的受力模型。
1.1立銑刀的實(shí)體模型
本文根據(jù)立銑刀幾何參數(shù)（表1），通過pro/e軟件，建立了ø2mm立銑刀的實(shí)體模型。
1.2立銑刀的有限元模型
將立銑刀的實(shí)體模型通過數(shù)據(jù)接口讀入分析軟件中，經(jīng)過修正、單元類型確定、材料屬性確定（表2）后劃分立銑刀的有限元網(wǎng)格。本文中ø2mm硬質(zhì)合金立銑刀的有限元模型的網(wǎng)格劃分精度為3級(jí)，網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)數(shù)為55,300。在立銑刀的網(wǎng)格圖上確定位移邊界條件就可以得到立銑刀的有限元模型。
1.3立銑刀的受力模型
立銑刀由于螺旋銑刀切削刃形狀復(fù)雜，影響切削力的因素更為復(fù)雜，不僅僅與進(jìn)給速度、切削深度有關(guān)，還與刀具的螺旋角、懸伸量等等有關(guān)，切削力的計(jì)算很復(fù)雜。本文采用某文獻(xiàn)提出的經(jīng)典銑削力學(xué)模型。
本文采用課題組對(duì)ø2mmaltin硬質(zhì)合金立銑刀在刀懸伸量l=16.5mm情況下，銑槽正交實(shí)驗(yàn)研究所建立的切削力的經(jīng)驗(yàn)公式作為銑削力計(jì)算公式。銑削力受力方向，其中，f為切削合力；fx為切向銑削力；fy為徑向銑削力；fz為軸向力。
f=e8.46vc0.0395fz0.598ad0.573（n） （1）
fx=e11.3vc-0.521fz0.660ad0.807（n） （2）
fy=e5.89vc0.226fz0.2981ad0.613（n） （3）
fz=e-2.11vc1.79fz0.5433ad-0.20（n） （4）
式中：vc——切削速度，m/min fz——每齒進(jìn)給量，mm/齒 ad——軸向切削深度，mm e——自然對(duì)數(shù)
2結(jié)果及分析
以均布載荷的形式將fx、fy、fz施加在ø2mm立銑刀的有限元模型上，進(jìn)行有限元求解。在其他切削條件不變的情況下，分別分析當(dāng)軸向切削深度ad改變、每齒進(jìn)給量fz改變、切削速度vc改變時(shí)對(duì)ø2mm立銑刀應(yīng)力場(chǎng)的影響。
是ø2mm立銑刀有限元求解得出等效應(yīng)力分布的其中一個(gè)。ø2mm立銑刀等效應(yīng)力分布表明：隨著ad、fz、vc的增大，刀具應(yīng)力場(chǎng)的分布狀態(tài)基本不變，較大應(yīng)力位于銑刀懸臂處及刀刃處。
2.1軸向切削深度ad對(duì)刀具應(yīng)力場(chǎng)的影響
用有限元求解得出的ø2mm立銑刀等效應(yīng)力smx：和zui大變形量dmx：隨ad改變而變化的規(guī)律。它表明：隨著ad的增大，ø2mm立銑刀刀具的smx和dmx也增大，均呈直線上升趨勢(shì)。當(dāng)ad從0.05～1.5mm時(shí)，ad每增加0.1mm,smx增加971.6pa;dmx增加0.188µm。當(dāng)ad從1.5～3mm時(shí)，ad每增加0.1mm,smx的增量是前者的1.573倍；dmx的增量是前者的1.49倍?？梢娫谶x擇小直徑銑刀高速加工淬硬鋼的切削用量時(shí)，軸向切削深度ad應(yīng)該盡量取小值，且不能大于1.5mm。
當(dāng)ad為0.1～0.3mm時(shí)，dmx為0.399～0.89µm,而ø2mm立銑刀刀具本身在公差等級(jí)為1～4級(jí)時(shí)的圓柱度公差為0.2～0.8µm。由于刀具的變形包括裝刀初始跳動(dòng)、刀具本身的變形以及加工過程中受力后的變形，因此，刀具本身的變形量加上刀具加工過程中受力后的變形量已不可忽視。同時(shí)刀具在加工過程中的變形和破損還與加工的方式方法等其他因素有關(guān)，故以刀具的受力、變形作為分析的優(yōu)化目標(biāo)。ad為0.1～0.3mm左右是較佳取值范圍，這與課題組實(shí)驗(yàn)的結(jié)論是一致的。
2.2每齒進(jìn)給量fz對(duì)刀具應(yīng)力場(chǎng)的影響
給出了ø2mm立銑刀zui大等效應(yīng)力smx：和zui大變形量dmx隨每齒進(jìn)給量關(guān)改變而變化的規(guī)律?？芍篺z每增加0.01mm，刀具的smx增加553.8pa;dmx增加0.114µm。顯然fz的增加對(duì)小直徑立銑刀smx的增量和dmx增量的影響很大。所以在選擇小直徑立銑刀高速加工淬硬鋼的切削用量時(shí)，每齒進(jìn)給量fz宜盡量選擇小值。
當(dāng)fz為0.01～0.03mm/齒時(shí)，立銑刀的dmx為0.469～0.811µm，與ad對(duì)ø2mm立銑刀的應(yīng)力和變形的影響相似。同樣要考慮立銑刀的裝刀初始跳動(dòng)、加工過程中受力后的變形、制造公差等因素，因此fz為0.01～0.03mm/齒左右是較佳取值范圍，這與課題組實(shí)驗(yàn)的結(jié)論一致。這一結(jié)果也正符合了高速加工大進(jìn)給、小切深的特點(diǎn)。由于fz越小，表面殘留面積高度越低，表面粗糙度值就小。因此，在高速切削時(shí)，利用減小進(jìn)給量來提高加工表面的質(zhì)量也是一個(gè)較為有效的措施。
2.3切削速度vc對(duì)立銑刀刀具應(yīng)力場(chǎng)的影響
用有限元求解得出的ø2mm立銑刀smx和dmx隨切削速度vc改變而變化的規(guī)律。可知：當(dāng)從在60～160m/min之間變化時(shí)，隨著vc的增加，立銑刀刀具的smx呈下降趨勢(shì)，smx相對(duì)減少了32.4%;dmx基本上呈下降趨勢(shì)，dmx相對(duì)減少了28.62%。
顯然，有限元分析的結(jié)果與課題組高速銑削淬硬鋼材料實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是相吻合的。這在實(shí)際生產(chǎn)中，可以通過提高切削速度來提高進(jìn)給速度，從而提高加工效率，降低成本。
3結(jié)論
隨著軸向切削深度ad和每齒進(jìn)給量fz的增大，ø2mm立銑刀刀具的zui大等效應(yīng)力smx和zui大變形量dmx也增大，均呈直線上升趨勢(shì)。因此，在小直徑銑刀高速加工淬硬鋼時(shí)，ad和fz應(yīng)該盡量取小值。以刀具的受力、變形作為分析的優(yōu)化目標(biāo)，得出ad較佳取值范圍為0.1～0.3mm，fz較佳取值范圍為0.01～0.03mm/z。
在一定的切削速度范圍內(nèi)（vc=60～160m/min），隨著切削速度從的增加，立銑刀刀具的zui大等效應(yīng)力smx、zui大變形量dmx均呈下降趨勢(shì)。這在實(shí)際生產(chǎn)中具有非常重要的意義，可以通過提高切削速度來提高進(jìn)給速度，從而提高加工效率，降低成本。
上述結(jié)論均得到實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果的支持，表明本文建立的立銑刀模型是可行的，本文提出的分析方法可以作為高速加工過程的分析和加工參數(shù)優(yōu)化的一種新的工具。
（來源：《制造技術(shù)與機(jī)床》）
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