（机械制造及其自动化专业论文）螺旋齿拉刀的cad设计及有限元分析.pdf

目录 摘要 在加工多种内外几何特征表面时，拉削是常用的加工方法。拉削可获得高的 生产率和表面质量。拉削的主要缺陷是在加工过程中，除切削速度外其它参数都 不能改变，这是因为除了切削速度，所有切削参数在拉刀制造完成后都已确定好， 因此刀具设计对拉削加工中是最重要的。 采用普通圆孔拉刀拉削时切削力周期性变化，易引起强烈振动，拉削细长孔 时还存在强度不足的缺点，冷却润滑效果也差，限制了圆孔拉刀的刀具寿命和工 件加工质量的提高。利用螺旋齿圆孔拉刀，可使工件一次拉削成形，拉削过程平 稳、顺利，加工后孔径尺寸稳定，表面粗糙度值低，加工效率是铰孔的4 - - 5 倍。 针对齿轮零件内孔的加工要求，设计出螺旋齿圆孔拉刀，进行刀具参数的分 析，并用u g 4 o n x 对此拉刀进行三维c a d 造型，为拉刀参数化设计打下基础。 目前，主要依据强度作为拉刀设计准则之一，但强度设计准则只能保证拉刀 刀杆截面平均应力不超过许用应力，然而拉削力集中作用在刀齿刃部，刀齿在拉 削过程中会发生局部变形，若局部变形量过大，工件加工精度就无法得到保证， 甚至发生刀齿局部断裂，也就是说，拉刀刚度或刀齿的刚度也要满足设计和制造 要求，这是拉刀设计中的关键问题。 随着计算机技术的迅速发展，有限元法已成为研究和仿真切削过程的重要手 段和工具。因此，本课题在研究金属切削理论和弹性有限元理论的基础上，采用 有限元方法从刚度、强度和应力观点对刀具进行分析计算，可以为改进拉刀受力 情况、合理设计拉刀结构以及对拉刀进行失效分析提供理论依据和分析手段。 本课题得到国家科技支撑计划重点项目一高速高效刀具切削性能评价与设计 技术( 2 0 0 8 b a f 3 2 8 0 1 ) 的资助。 关键词：螺旋齿圆孔拉刀；斜角切削；三维c a d 造型；有限元分析 a b s t r a c t a b s t 队c t b r o a c h i n gi saw i d e l yu s e dm a c h i n i n go p e r a t i o ni nm a n u f a c t u r i n go f v a r i e t yo fi n t e r n a la n de x t e r n a ls u r f a c ew i t hg e o m e t r i c a lf e a t u r e s h i g h q u a li t ys u r f a c e sc a nb eg e n e r a t e dw i t hh i g hp r o d u c t i v i t y h o w e v e r ，t h em a i n d i s a d v a n t a g eo fb r o a c h i n gi st h a ti ti sn o tp o s s i b l et oc h a n g ea n yo ft h e c u t t i n gp a r a m e t e r sb u tt h ec u t t i n gs p e e dd u r i n gp r o d u c t i o n t h a ti sb e c a u s e a l lm a c h i n i n gp a r a m e t e r s ，e x c e p tc u t t i n gs p e e d ，a r ef i x e di nt h e m a n u f a c t u r i n go fb r o a c h i n gt o o l s ， w h i c hm a k e st o o ld e s i g nt h em o s t i m p o r t a n ta s p e c to fb r o a c h i n g p r o b l e m sm a ye x i s ti no r d i n a r yb r o a c h i n g ，s u c ha sv i b r a t i o nd u et o c h a n g e so fc u t t i n gf o r c e ，i n s u f f i c i e n tt o o ls t r e n g t hf o rs li m h o l e b r o a c h i n g ，p o o rc o o li n ga n dl u b r i c a t i o n ，e t c ，w h i c hh a v ea d v e r s ei n f l u e n c e s o nt h em a c h i n i n gq u a l i t ya n dt o o l1 i f e t oe l i m i n a t et h e s ep r o b l e m sh e l i c a l b r o a c h i n gm e t h o di sd e v e l o p e dw i t ha d v a n t a g e so fp r o c e s ss t a b i l i t y ，s i z e i d e n t i t y ，s u r f a c er o u g h n e s sr e d u c t i o n ，a n ds oo n t h em a c h i n i n gp r o c e s s c a nb ea c c o m p l i s h e di nas i n g l es t r o k e ，r e s u l ti nt h ep r o d u c t i v i t yi m p r o v e d b y4 5t i m e s i nt h i s t h e s i sah e l i c a lb r o a c h i n gt o o li sd e s i g n e dt of u l f i l lt h e p r o c e s s i n gr e q u e s t so fg e a rm a n u f a c t u r i n g p a r a m e t r i ca n a l y s e so fc u t ti n g t o o la r ec a r r i e do u ta n dat h r e e d i m e n s i o n a lc a dm o d e lo fb r o a c h i n gt o o l i sc o n s t r u c t e di nu gn x 4 i tl a y st h ef o u n d a t i o nf o rp a r a m e t r i cd e s i g n a tp r e s e n t ，t h es t r e n g t hc r i t e r i o ni sm a i n l yu s e di nb r o a c h i n gt o o l d e s i g n h o w e v e r ，t h i sc r i t e r i o nc a no n l yg u a r a n t e et h a tt h es e c t i o n a l a v e r a g es t r e s so fb r o a c ht o o la r b o rd o e sn o te x c e e dt h ea ll o w a b l es t r e s s i nf a c t ，t h ec u t t i n gf o r c ec o n c e n t r a t e da tt o o t he d g ew i l ll e a dt ol o c a l d i s t o r t i o nd u r i n gt h eb r o a c h i n gp r o c e s s ，c a u s i n gt h eu n c e r t a i n t yo fw o r k p i e c ep r e c i s i o n ，o re v e nt h et o o lb r e a k a g e s ot h a tt h er i g i d i t yo fb r o a c h o rt h et o o lt e e t hm u s ts a t i s f yt h ed e s i g na n dt h em a n u f a c t u r er e q u e s t ，w h i c h i sak e yq u e s t i o no fb r o a c h i n gt o o ld e s i g n 山东大学硕士学位论文 w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，t h ef e am e t h o dh a s b e c o m ea ni m p o r t a n ti n s t r u m e n tt or e s e a r c ha n ds i m u l a t ec u t t i n gp r o c e s s e s a c c o r d i n g l y ，o i lt h eb a s i so fm e t a lc u t t i n ga n de l a s t i cf i n i t ee l e m e n t t h e o r y ，t h ep r e s e n tr e s e a r c ha n a l y z e dt h eb r o a c h i n gt o o lb yf e am e t h o df r o m t h ev i e w p o i n to fs t i f f n e s s ，s t r e n g t ha n ds t r e s sc a l c u l a t i o n t h er e s u l t s c a np r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i st oi m p r o v et h el o a dc o n d i t i o n ，o p t i m i z e t o o ls t r u c t u r ea n dp e r f o r mf a il u r ea n a l y s iso fb r o a c h i n gt 0 0 1 k e yw o r d s ：h e l i c a lb r o a c h i n g ；o b l i q u ec u t t i n g ；3 dc a d m o d e l i n g ；f e m v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：二陋 日期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：覃鱼鱼互蝻师签名：蹲日期：2 趔 第一章绪论 第一章绪论 拉削可用于加工机械零件上各种形状的通孔和外表面，是利用带有许多刀齿 的拉刀作等速直线运动，通过固定的工件，逐齿依次切下薄薄的金属层，一次行 程完成粗、精加工，从而使工件表面达到较高精度和较小粗糙度的高效加工方法。 加工表面经刀齿的切削、修光、校准作用，加工质量好，生产效率高。拉削加工 与其他切削方法相比，具有以下一些特点： ( 1 ) 拉削过程只有主运动( 拉刀直线运动) ，没有进给运动( 由拉刀本身的 齿升量完成) ，因此机床( 运动) 结构简单。 ( 2 ) 拉刀是多刃刀具，一次行程即可同时完成粗、精加工，因此生产率很高。 拉刀虽然价格高、但寿命很长，一把拉刀加工的工件数量很多( 修磨一次可拉削数 百到数万件) ，在大量或成批生产时，拉削的成本较低，特别是加工大批特殊形状 的孔或外表面时，效率更显著。 ( 3 ) 由于拉削速度低，拉削过程平稳，切削层厚度很薄，因此加工精度可达 h 7 级，粗糙度可达r a o 8 微米以内。若拉刀的尾部装有浮动挤压环时，则还可以减 小粗糙度，可达r a o 2 微米左右。 ( 4 ) 对操作人员的技术水平和熟练程度要求较低。 1 1 拉刀的现状与发展趋势 拉刀是一种高生产率的刀具，可用于加工机械零件上各种形状的通孔和外表 面。它具有耐用度高、加工出的工件表面粗糙度低与精度高、生产率高、应用范 围广等特点。目前拉刀及拉削的发展趋势主要是为了提高拉刀的加工效率、加工 精度、刀具的稳定性和耐用度，其中主要表现为： ( 1 ) 改进拉刀的结构 改进拉刀的结构可提高生产率，延长拉刀的寿命并提高加工质量，如美国k h o f f m a n n 公司发展了一种装有横进给构件的变齿升量拉刀，这种拉刀是由带弓形 刀齿的镶块、凸轮轴和刀座组成，回程时弓形刀齿通过凸轮回转9 0 。即可调整齿 升量，直至四次拉肖4 后又可恢复至原来位置，准备加工下一个零件，因此辅助时 间减小，生产率提高。拉刀不再局限于简单内孔、内花键及平面加工，各种专用 山东大学硕士学位论文 外轮廓精密成型拉削刀具( 如不等分精密外花键筒式拉削成型刀具及精密螺旋槽 渐开线拉刀) 也应运而生。比如配以专用数控机床的复杂型面组合拉刀及车拉组 合成型拉削刀具，能使某些汽车零部件的生产效率实现几十倍乃至上百倍的提高。 ( 2 ) 采用新的拉刀材料和表面处理工艺 目前，在拉削高温合金等难加工材料中，通用的高速钢材料，拉削性能差刀 具耐用度低，因此探索适用于制造拉刀的新刀具材料是非常重要的瞳1 。目前榫槽 拉刀已广泛采用了超硬高速钢m 4 2 来制造，新的拉刀材料为硬质合金、粉末高速 钢和涂层硬质合金、涂层技术和其它表面处理技术也在日益应用于拉刀上：1 ) 采 用粉末冶金高速钢制成的拉刀如用粉末高速钢a s p 3 制成的拉刀拉削汽车转向轮 的球形毂孔，其寿命比m 4 2 高速钢拉刀提高3 5 倍，还有采用f t l 5 粉末冶金高速 钢制造的拉刀也广泛用于涡轮盘的榫槽拉削，拉削盘数是含钴3 熔炼高速钢的 3 5 倍；2 ) 用氮化钛涂层的高速钢拉刀其寿命比未涂层高速钢拉刀提高3 倍； 3 ) 采用氮化处理的拉刀能提高表面硬度提高耐磨性能和耐粘屑性能，提高寿命 1 - 3 倍；4 ) 采用硬质合金拉刀拉削一些难加工材料，可采用较高的拉削速度加 工榫槽，使拉削效率和拉刀寿命大大提高。 ( 3 ) 研究难加工材料的拉削 随着航空工业的不断发展，高温合金、钛合金等难加工材料日益广泛应用于 航空发动机涡轮盘及压气机盘的制造中，而榫槽的加工一般采用拉削加工。但在 生产中常遇到不少问题，主要有：拉刀耐用度低、易磨损和崩刃、工件表面质量 差，出现鳞刺或尺寸精度达不到要求等。由于难加工材料的高温强度和硬度高、 导热性差，使得刀具容易磨损以及加工硬化趋势强等，针对以上特点在拉刀几何 参数的选择，新刀具材料的采用等方面，都需要进行探索和研究。 ( 4 ) 推广采用新型拉削工艺 1 ) 高速拉削在相同条件下，高速拉削的拉削力比低速时小，表面粗糙度亦 比低速时小。高速拉削应根据工件材料的性质不同，选用最佳的拉削速度，以提 高零件的表面质量和延长拉刀寿命：2 ) 振动拉削普通拉削的拉刀齿升量一般都 较小。因此拉刀的总长很长，要分成多根作为一组使用，采用振动拉削，其平均 拉削力为普通拉削的1 5 1 1 0 ，因此振动拉削的齿升量可以增大到3 倍左右，则 其切削部分的长度可以减短至t j l 3 左右，而且可以精密加工出表面质量好，形状与 拉刀切削齿相一致的零件形状；3 ) 超声波拉削国外研究采用了带有超声振荡系 2 第章绪论 统的卧式拉床，振荡发生系统内包括超声波发生器，磁滞伸缩变换器、超声波导管、 发声触点等，进行的实验结果表明：采用超声波拉削时大大提高了加工表面的质 量，当拉削韧性特别大的热强钢盘上的榫槽时，加工表面粗糙度r a 值，在拉削方 向为0 2 5 0 3 n m ( 极限粗糙度) 横向粗糙度r a 为0 5 - 0 8 n m ，大大优于无超声 波拉削时得到的值，采用向切削区输入超声波的拉削过程可以显著提高加工表面 的质量和拉削生产率。 2 螺旋齿圆孔拉刀的特点 螺旋齿圆孔拉刀与普通圆孔拉刀的主要区别是其刀齿、容屑槽呈连续的螺旋 形结构见图1 - 1 a 图，其优点b 1 如下： _ ) 詈通圆孔拉刀 图1 - 1 螺旋齿拉刀与普通拉刀 ( 1 ) 螺旋齿圆孔拉刀拉削内孔属“半封闭切削 状态 普通拉刀拉削内孔属“封闭切削”，切屑被迫蜷曲在封闭的容屑槽中，切削 区与外部隔绝，冷却润滑液不能充分浇注到切削表面，刀齿工作条件很不利。螺 旋齿拉刀因具有连续的螺旋形容屑槽，切削区与外部相通，冷却润滑液可以直接 进入切削区，冷却、润滑和冲刷刀齿及工件，这对于改善刀齿工作条件，降低切 削力，提高刀具寿命和工件表面质量都有重要影响。 ( 2 ) 螺旋齿拉刀工作平稳性好 螺旋齿拉刀切削工件属于斜角切削，普通拉刀主刀刃垂直于轴线，属于直角 切削，整个切削刃同时切入、切出，使刀刃上的冲击负荷很大，并随着同时工作 齿数周期性变动，易引起强烈振动，限制了切削速度的提高，采用不等齿距设计 方法也不能消除拉力的变动。而螺旋齿拉刀因刀刃连续、逐渐切入及切出工件， 因而拉力是平稳地逐渐增大或减少的，并能减少单位长度切削刃上切削力，可减 3 山东大学硕士学位论文 少切削振动。 ( 3 ) 工件加工质量好 斜角切削时，随着刃倾角a 。( 见图卜2 ) 的增加，使工作前角增大，而且刀 具刃口圆弧半径值也相应的减少，有利于刃口的切入，减少了切削变形，随着刃 倾角的增加，使前刀面倾斜程度增加，有利于抑制积屑瘤的产生和生长，有效地 消除了切削振动，并可抑制钢件拉削中产生鳞刺，提高拉削质量。另外切削锥角 很小，切屑很薄，不开分屑槽也能断屑，呈“细软羊毛状的切屑向前排出顺利， 不会擦伤已加工表面h 1 。普通圆孔拉刀的一般拉孔精度只能达到i t 7 级，粗糙度 r a 为5 0 - - 0 6 3l im ，而螺旋齿圆孔拉刀拉孔精度可达到i t 6 级，粗糙度r a 为 图卜2 螺旋齿拉刀刃倾角 0 6 3 - - 0 1 6um ，并不会产生环状切屑，一般在普通拉刀的精切齿、修光齿上常常 不开分屑槽，以防止破坏工件表面粗糙度，但这样在未开分屑槽的刀齿上常形成 环状切屑，这种切屑蜷曲在容屑槽内，不易清除，有时被迫使用硬物去撬，既费 时又常碰伤刀齿。螺旋齿拉刀产生的螺旋状的切屑有点类似钻屑，很易清除。 ( 4 ) 螺旋齿拉刀强度、刚性好 普通拉刀的横截面呈圆形，强度取决于齿槽底面的截面积，拉削细长孔时， 么纫， 钞 4 ) 普通拉刀6 ) 双头螺旋拉刀c ) 三头螺旋拉刀 图1 - 3 拉刀横截面面积比较 存在强度不足的缺点。而螺旋齿拉刀横截面积要多出一部分，多出部分的形式与 螺旋的头数有关( 见图卜3 ) 。 4 第一章绪论 ( 5 ) 适用范围较广 由于螺旋齿拉刀的齿距和被加工孔的长度无关，既有利于浅孔的加工，又利 于深孔的加工，而它切削稳定性好的特点又使它比普通拉刀更适宜于浅孔和带环 形槽孔的拉削。且能选择适当的能保证足够重磨次数的齿距，以增长拉刀的使用 寿命。 1 3 有限元方法在金属切削模拟研究中的应用 由于切削加工在国民经济以及社会发展中所起的重要作用，各国都投入了大 量的人力物力对其进行研究。金属切削过程的研究方法有理论研究和实验研究两 个方面。对于理论分析采用的方法弹塑性力学、断裂力学、有滑移线场分析法等； 常用的切削实验方法有：侧面方格变形观测法、高速摄影法、快速落刀法、扫描电 镜显微观察法、光弹性( 光塑性) 法以及用x 射线法等。 金属切削过程是一个复杂的工艺过程，不仅涉及到弹性力学、塑性力学、断 裂力学、还有热力学、摩擦学等，加工质量受到刀具形状、切屑流动、温度分布 和刀具磨损等影响，因此难以利用传统的解析方法对切削机理进行定量分析和研 究，严重影响了切削技术的发展，通过切削实验对金属切削加工过程进行研究费 时费力，而且成本较高，所以不断地有人尝试采用更有效的研究方法来完善传统 的方法嘲。 近年来计算机技术的不断发展，利用计算机模拟技术研究切削过程成为人们 日益感兴趣的课题。计算机模拟的数据( 从后处理中得到) 可以用来比较、验证 各种近似理论：。同时，计算机模拟方法也可以用来对实验和模型进行比较，从而 提供了评估一个模型正确与否的手段。计算机数值模拟方法还有一个优点就是可 以沟通理论和实验，可以将某些在实验中难以测得的参数在计算机中计算出来。 应用有限元法求解刀具切削部分强度等问题的数值解法早在上世纪六七十年 代就被国外一些学者所采用了。如日本学者臼井英治和白槛高洋应用有限元方法 对正交切削过程的稳定状态切削模型进行了分析：1 9 8 0 年美国的n o r t hc a r o l i n a 州立大学的m r 1 a j c z o k 在其博士学位论文中提出正交切削模型，将实验数据作 为模拟输入数据，由此推算出主切削力和径向切削力，初步分析了切削工艺。1 9 8 4 年，1 w a t a 等将工件材料假定为刚塑性材料，利用刚塑性有限元方法分析了低切 削速度、低应变速率的稳态正交切削过程。但是，他们都没有考虑工件材料弹性 5 山东大学硕士学位论文 变形，所以没有计算出残余应力。上世纪末和本世纪初，金属切削的研究也在原 来有限元法的基础之上，模拟金属切削的动态过程，研究这一过程中应力场、应 变场、温度场等方面的变化，而且还可以用它来研究刀具破损、磨损、预测刀具 寿命等随机问题。美国o h i o 州立大学制造工程研究中心t a l t a n 教授与意大利 b r e s c i a 大学机械工程系的e c e r e t t i 合作，对切削过程进行了大量的有限元模 拟方面的研究删。澳大利亚悉尼大学的l i a n gc h iz h a n gn 伽和美国a u b u r n 大学 的j m h u a n g ，j t b l a c k 1 对有限元分析正交切削过程中的切屑分离准则进行 了深入的研究，对不同的分离准则都做了研究分析。台湾科技大学的z o n e c h i n g l i n 等人对n i p 合金正交切削中切削厚度和切削速度对残余应力的影响进行了研 究n 羽，模拟前对单向拉伸实验数据进行回归分析，得出了材料的流动应力公式， 并考虑切削加工中的热力耦合效应，建立了热弹塑性有限元模型。就刀具种类来 说，车刀、铣刀的有限元分析研究较多，而有关拉刀的有限元分析相对较小，美 国o h i o 大学的y e a n - j e a qh u a n g 利用有限元方法从齿距、齿背宽、容屑槽的深 度及刀齿的宽度等方面，分析了拉刀几何形状对刀具未破坏和未影响工件加工精 度之前，所能承受的最大切削力，从而建立了一个实现多目标计算机模拟程序对 拉刀几何参数进行优化n 舢。该大学的s h a mk u m a rr a j a m 采用有限元方法对圆孔拉 刀、平面拉刀及八边形孔拉刀，施加三种不同的载荷及改变齿背宽度的情况下进 行了应力和应变分析，能够在拉刀使用各个阶段进行分析并改进拉刀的力学性能 1 4 3 。s a b a n c i 大学的o z k a no x t u r k 采用二维正交切削有限元方法从拉刀的切削速 度，前角、刀尖圆弧半径及齿升量等方面，对拉刀的切削力进行了预测，然后根 据加工零件的几何形状，建立了三维有限元拉刀单齿模型( 包括加工枞树复杂形 状的零件) ，对刀齿的应力和应变进行了分析，并将有限元模型应用到刀具切削 过程模拟程序和拉刀几何参数优化程序里n 5 1 。北京航空航天大学的姜佳忠通过有 限元软件a n s y s 对渐开线花键拉刀的理想受力、受弯矩作用及拉刀轴线和工件预 制孔轴线不重合各种工作状态进行了分析，找到危险断面防止拉刀非正常断裂n 1 。 西南交通大学胡照海利用a n s y s 软件对矩形花键拉刀单齿进行有限元分析，获取 拉刀刀齿工作中受力后位移和应力分布情况乜1 。华中科技大学的陈华用a n s y s 软 件对三种转子异形槽用拉刀进行了有限元结构分析，并根据所绘制的应力云图， 选择了一种强度最好的拉刀方案n 刚。重庆工商大学的朱朝宽利用s o li dw o r k s 的 c o s m o sp r e s s 模块分析了拉刀刀齿和齿槽部分的应力分布，找到了危险截面的危 第一章绪论 险区域：根据影响拉削力变化的因素，结合应力分布特点，分析了影响拉刀断裂的 各种原因n 7 3 。 与本领域国外的研究状况相比，目前，国内相关的研究大多是通过实验和解 析的手段n 羽，金属切削过程的数值仿真的研究还是初步的，与直接应用于生产实 际的目标尚有一段距离，若干理论和技术问题需要解决。 1 4 课题来源及研究的意义 数十年来，用铰刀加工小孔径零件一直存在着表面粗糙度差，有喇叭孔，孔 径尺寸大等技术难题，而采用普通圆孔拉刀存在切削力周期性变化，易引起强烈 振动，并拉削细长孔存在强度不足的缺点，冷却润滑效果差，限制了拉刀寿命和 工件加工质量的提高。可采用直线运动切削的小孔径螺旋齿圆孔拉刀，所谓螺旋 齿拉刀是将拉刀圆周上的螺旋线作为刀刃，并具有一定齿形的拉刀，此拉刀采用 整体高速钢制成，热处理硬度h r c 6 3 - - 6 6 ，并可利用使用普通拉刀的设备，加工出 高质量的工件。 目前，拉刀的设计主要依据拉刀强度作为设计准则之一，即计算出最大拉削 力k 、最小截面面积彳疵，由强度校核计算公式( d r = 彳血b 】校验拉刀设 计是否合乎要求。而强度设计准则只能保证拉刀刀杆截面平均应力不超过许用应 力，然而拉削力集中作用在刀齿刃部，刀齿会发生一定量的局部变形，若变形量 过大，工件精度就无法得到保证，甚至发生刀齿局部断裂，也就是说拉刀刚度或 刀齿的刚度也要满足设计和制造要求，这是拉刀设计的关键问题。 由于螺旋刃刀具结构复杂，传统的设计方法无法对刀具进行精确的强度、刚 度及应力分析。本文采用有限元方法从刚度、强度和应力观点对刀具进行分析计 算，可为改进拉刀受力情况、合理设计拉刀结构以及对拉刀进行失效分析提供理 论依据。运用有限元方法对切削过程分析，不需要反复的切削实验或制造实物就 可以在计算机上优化刀具设计，快捷地设计出结构合理的刀具几何参数。从而缩 短刀具的研制周期。 1 5 本文主要研究内容 首先在二维直角切削分析的基础上，对拉刀斜角切削的切削过程进行理论分 山东大学硕士学位论文 析，进而建立刀具斜角切削的有限元数学模型，最后通过有限元数值模拟技术将 其模拟出来，在此过程中主要进行如下工作： ( 1 ) 分析金属直角自由切削( 二维) 过程中剪切区的形成过程，分析切削变形 的基本理论。在此基础上，分析斜角切削( 三维) 的切削过程，并对斜角切削进行 二维简化，得出斜角切削的剪切角和切削力公式。 ( 2 ) 针对大批量高精度小孔零件的加工要求，设计出螺旋齿圆孔拉刀，进行 刀具参数的分析，用u g 4 o n x 对此拉刀进行三维c a d 设计，可快速、精确地绘制螺 旋齿拉刀零件图。 ( 3 ) 基于材料弹性变形建立拉刀切削的有限元模型，为模拟仿真提供理论基 础。 ( 4 ) 利用有限单元法对螺旋齿拉刀刀齿的结构强度进行分析，为拉刀几何参 数的优化提供理论依据，并在相同工况下建立普通环形齿拉刀刀齿有限元模型， 进行螺旋齿拉刀与普通环形齿拉刀工作时的应力对比。 8 第二章金属切削力学理论分析 第二章金属切削力学理论分析 螺旋齿拉刀切削工件属于斜角切削，本章从直角切削理论出发开始研究，分 析斜角切削机理，并进行斜角切削的切削力分析及简化，计算螺旋齿拉刀切削时 的切削力，为螺旋齿拉刀有限元分析打下基础。 2 1 直角切削机理 拉削加工可看作是按高低顺序排列的多把刨刀进行的刨削，因此，可把普通 圆孔拉刀和螺旋齿圆孔拉刀的拉削加工简化成如图2 - i 所示的直角、斜角刨削加 i )” 图2 - i 直角、斜角刨削加工 工。迄今，对于直角切削状态的研究已经卓有成效。但实际的切削加工中几乎都 是三维切削，纯粹的二维切削几乎不存在，但是很多问题经过简化后都可以作为 直角切削来处理。正交切削定性分析的结果，对生产也具有实际指导意义。因此， 本论文首先以直角切削为切入点，寻找斜角切削过程变化的基本规律。 所谓直角切削指切削进行方向，亦即刀具与工件间之相对运动方向，与刀具 之刀刃方向垂直，如图2 - 2 所示。此种切削刀刃只受到切削方向之水平分力和垂 直分力的作用，故又称为二次元切削。这种切削模式满足在分析时尽可能减少独 立变量的要求，常应用于切削理论的研究中。 在金属切削过程中，切削层金属在刀具的作用下产生变形，当变形积累到一 定程度后这部分金属与工件分离而转变为切屑，整个变化过程都是切削力作用的 结果。因此切削力的研究与切削层的变形息息相关，需要研究切削区金属的变形 机理，切屑的受力分析，剪切角以及前刀面与切屑之间的摩擦等问题。 9 山东大学硕士学位论文 切 图2 - 2 直角切削图 2 1 1 第一变形区金属滑移机理 金属切削的研究和实践表明：切削过程中的各种物理现象，几乎都与剪切滑移 变形有关，被切削的金属层通过剪切滑移后变成切屑。第一变形区是被切削层与 切屑的分界区域，被切削层金属正是经过了该区域的变形才转变为切屑而沿前刀 图2 - 3 第一变形区金属滑移 面流出。材料经过该区域时受到强烈剪切作用而发生剪切滑移变形。实际的剪切 滑移过程如图2 - 3 所示。当被切削层中金属中某点p 向切削刃逼近时，它所受到的 剪切应力越来越大，当到达点1 的位置时剪切应力达到材料的屈服强度f 。，点1 在向 前移动的同时也沿o a 线滑移，其合成运动使点1 流动到点2 ，滑移量为2 一2 。随着 滑移的产生，p 点向2 、3 各点流动，同时剪切应力逐渐增加，直到点4 位置。此 时流动方向与前刀面平行，不再沿o m 线滑移。所以o a 称为始滑移线，0 m 称为终滑 移线，o a 与0 m 之间构成整个的第一变形区，其变形的主要特征就是沿滑移线的剪 切变形，以及随之产生的加工硬化。 1 0 图2 4 表示由剪切面切削模型而建立的二维切削变形机理示意图。图中剪切面 第二章金属切削力学理论分析 是速度不连续面。忽略第二变形区的影响，图中平行四边形a b c d 经过变形成为a b c 7 d7 。剪切面与速度方向的夹角成为剪切角。 图2 - 4 由剪切面切肖u 模型而建立的二维切削变形机理 2 1 2 切屑受力分析 切削过程中，剪切面上发生变形所需的力是由刀具前刀面通过切屑传递到剪 切面上的。该力由两部分构成，如图2 - 5 所示：一是剪切面上的正应力r ，和剪切 力只，其合力为f ；二是切削层材料经过剪切面时发生滑移，造成动量改变所需 图2 5 切削区和前刀面受力简图 要的作用力即切屑的惯性力兄，也称达朗伯惯性力。 根据切屑变形稳定性假设，作用在切屑上的各力应该构成平衡力系。一般情 况下，切削速度低于1 5 0 0 m m i n 时与只相比，l 很小n 引，瓦的影响可以忽略不计。 此时，作用在前刀面上的法向力c 和摩擦力乃，( 其合力为c ，c 2 f ，在主应力 方向) 与剪切面上的r ，只相平衡。其中，剪切力( 在最大剪应力方向) 为： 山东大学硕士学位论文 c = 器 ( 2 - 1 ) 式( 2 1 ) 中，a 。和a w 分别表示切削层的厚度和宽度；f ，为材料的剪切屈服应 力，其值随材料变形量的增大而增大，取决于切屑变形程度。为了分析和求解各 力，将它们都平移至刀尖处，见图2 - 6 ，其中合力e ( 称切屑形成力) 为： p - 。7 彳烈 ( 图2 - 6 直角切削受力分析 f ： 墨 ： ：墨鱼 ( 2 2 ) 。7 c o s ( + 卢一y 。) s i n o c o s ( f l + 一r o ) e 又可以分解为沿切削速度方向的分力f z ，和垂直于切削速度方向的分力f y ， 其中：f ：f 咄f 8 、：竺鱼!竺翌二型(2-3)-7 乞2 c 。s ( p 0 ) = s i n 业c o l s ( f l 型+ - t o ) 式中，p 为切屑与前刀面间的摩擦角，y 。为刀具前角，为剪切角。 2 1 3 剪切角的定义及其基本理论 剪切角的大小对切削中金属的变形有直接影响，剪切角大，切削变形小，并 且对于切削力、剪切应变、应变率的确定起着重要作用。 关于剪切角，国内外学者已经做了大量的研究。有代表性的包括啪1 ：麦钱特 ( m e r c h a n t ) 基于最小能量理论得出乜： ：三+ 一y o 一旦 ( 2 4 ) 4 2 2 以及麦钱特第二方程式： 1 2 第二章金属切削力学理论分析 2 = c + 九一卢 ( 2 5 ) 其中c 为决定于工件材料的系数池1 。 1 9 5 1 年，李和谢弗( l e ea n ds h a f f e r ) 汹1 应用滑移线场理论得出 = 鲁+ 儿一卢 ( 2 6 ) r 麦钱特及李和谢弗的公式都是建立在切削层通过单一剪切面转化为切屑的假 设之上，与实验结果的吻合不太理想，但他们提供了剪切角、刀具前角和工件与 刀具材料摩擦系数之间的重要关系，其中剪切角和刀具前角的关系是刀具设计最 基本的理论。随着剪切角的增加，切削力和消耗的切削功率减小。此外，还表明 可通过采用润滑手段或采用摩擦因数小的材料减小刀具和切屑之间的摩擦因数， 并在刀具切削刃能够经受切屑施加的压力和摩擦载荷的情况下尽可能的增加刀具 前角堋。 2 1 4 刀屑接触面的摩擦 切削过程中存在着两对摩擦副，一是刀具前刀面与切屑底层的摩擦，一是后 刀面与已加工表面之间的摩擦，但前刀面与切屑间的摩擦( 即刀屑接触区摩擦) 对 切削过程的影响是主要的。大量研究表明，在金属切削过程中刀具前刀面上的摩 擦有两种类型，如图2 7 所示。在距离刀尖较近处的粘结区，由于高温高压切屑 图2 7 刀具前刀面应力分布 底部与前刀面发生粘结形成内摩擦，这实际上是金属内部的滑移剪切。粘结区的 材料处于屈服状态，剪应力基本保持为一个常值，等于材料的剪切屈服强度f ，。 在距刀尖较远处的滑动区，正应力仃和剪应力f 具有相同的变化趋势，且仃r 约为 常数，库仑定律基本适用，即认为切屑与前刀面之间的摩擦为一般的滑动摩擦。 山东大学硕士学位论文 因此，在分析摩擦系数时，粘结区域使用常摩擦应力，在滑动区域使用常系 数( 即库仑摩擦定律) ，这也是许多有限元切削模拟过程中广泛应用的模型。可用 公式表示啪瑚3 为： f f ，= f ，当d 。f ，时( 粘结区) i f ，= 仃。当盯 f 肘( 滑动区) l f ，2j l l 仃 当p 盯。 f j h 习l 渭砌匹j 式中，f ，为摩擦应力，盯。为正应力，p 为摩擦系数。 由以上分析可见，确定切削过程中的剪切角和摩擦系数是求解切削力的关键。 通常情况下，剪切角可以从快速落刀法得到的切屑根部金相标本中测量得出，而 动态摩擦系数的确定比较困难，长期以来一直没有得到很好解决，目前只能采用 静态试验结果，然后进行修正。 2 2 斜角切削机理 螺旋齿圆孔拉刀的切削运动是拉刀的直线运动，进给运动是靠沿锥体表面逐 点增加的刀刃来实现的，刀刃呈连续螺旋状，属于斜角切削。所谓斜角切削，就 是刀具切削刃与切削速度不垂直情形下的加工，如图2 - 8 所示。斜角切削的变形 图2 8 斜角切削图 是三维的，剪切和滑移方向不同于直角切削，切屑沿前刀面流出时与切削刃法向 偏移一个流屑角( c h i p f l o wa n g l e ) ，使得实际切削角度发生变化，切削过程呈现 出与直角切削时显著不同的特点。此模式之刀刃受三个互相垂直分力的作用，故 又称为三次元切削。斜角切削广泛应用于生产实践，实践表明合理地采用斜角切 削可以主动控制切屑流动方向，提高切削刃的锋利程度，改善刀尖的工作条件， 增加切削的平稳性。 1 4 第二章金属切削力学理论分析 2 2 1 斜角切削过程简化分析 斜角切削中，切削区金属的变形是三维塑性变形，剪切和滑移方向不同于直 角切削，切屑流动方向随刃倾角允。而变，进行严密的分析比较困难。可是如能进 行适当的简化，转化为二维切削阱1 ，有关影响的因素也可以按二维切削的情况加 以分析。下面以直齿斜角切削为例，说明将它转化为二维切削的方法。 从图2 - 9 可见，在斜角切削过程中，因切向力f 的存在，使切屑的流出方向 并不处于与切削刃垂直的截面上，而是与这个截面构成一个流屑角l f ，。切屑向切 削宽度这个侧向上的流动，说明切削层中的塑性流动已经不再限于平行切削速度 图2 啕斜角切削的简化分析 方向的截面内，即已经不属于平面应变，而是三维塑性变形，也就是立体滑移问 题。在本质上它和平面滑移是不同的，但在切削加工范畴中，用二维切削理论作 为向三维切削过渡的桥梁是最自然的。 图2 - 9 是麦钱特的斜角切削速度模型汹3 。在这个模型中，存在着由切削速度 y ，剪切面上的剪切速度v 。和切屑流速v 。所构成的速度三角形确定的平面。v 、， 及v 。必然构成一个闭合的速度三角形，而切削层材料的塑性剪切和切屑的流出方 向必然只落在这个速度三角形所确定的平面上，在垂直于这个平面的方向上，无 论切削层材料的塑性剪切以及切屑流动都不会再有其他塑性流动的速度分量了。 换句话说，这个速度三角形所确定的平面上来考察切削的变形过程，是可以满足 平面应变条件的。因此，可以把这个速度三角形所确定的平面作为等效于二维切 山东大学硕十学位论文 削时的端截面( 图2 - 4 ) ，并称之为等效截面( 流屑平面) 。这样，就可以在等效 截面上把三维切削问题简化为二维问题。然后，沿切削刃方向把所有的等效截面 上的分析结果迭加起来，构成整个斜角切削过程的结果。 2 2 2 斜角切削对刀具工作角度的影响 斜角切削中，刃倾角九。不仅会影响排屑方向、刀刃的锋利程度、刀尖强度、 刀尖导热和容热条件、切出切入的平稳性以及实际切削刃的长度，也会对刀具的 工作角度产生影响从而改变切削加工的切削状况。为了用二维的分析方法来分析 斜角切削过程，必须采用等效截面。把等效截面上的前角、后角、剪切角和摩擦 角分别记述为y 钟、a 。、。和卢。，并称之为等效前角、等效后角、等效剪切角 和等效摩擦角；而与刀刃垂直的法向截面上的相应角度，则称之为法向前角、法 向后角、法向剪切角和法向摩擦角，分别记述为y 。、a 。、。和卢。；在刀具的前 刀面内，将切屑流出的方向和切削刃法向的夹角称之为流屑角l f ，；相对应地在剪 切面内，把垂直于切削刃的方向与v 。方向所成的角度记为中y ，。下面将就其中重 要的部分角度进行一些分析。 ( 1 ) 实际切削前角y 。的变化 在切削过程中，等效前角) ，卯是起实际作用的前角，对切削力大小有直接的影 响嘲。y 。增大，减少切削变形，对于切削层下方材料的塑性变形影响小，并使前 刀面倾斜程度增加，使切削刃变得锋锐从而减少切屑变形。这对实现微量精切 削是极为有利的，并不利于积屑瘤的产生、生长和存在。由图2 - 1 2 可知其几何关 系如下： s i ny 。= s i n v 工s i n ；t , + c o s v ，ac o s 九s i ny 一( 2 - 7 ) 实验证实啪3 当九 4 5 。，a 。 o 3 m m 时，可近似地认为y 五九，则上式可 简化为： s i n y 。= s i n 2 疋+ c o s 2x ss i n y 。 ( 2 8 ) 由式2 8 可知，若刀具的法前角已定，当刃倾角绝对值加大( 不论正或 负) ，则刀具的流屑方向等效前角y 。增大。 1 6 第二章金属切削力学理论分析 由图2 1 0 可以看出，当i 九i 3 0 。时，刀具的等效前角t 钾的增速缓 o o ) 岣 卜 o 倒( o 峨 藿导 权 嘤n 蜡鬲 。 y = 1 5 、 = 1 0 。 ，场汐 y = 弋 ，挖、l ， 一珍秒 弋 卅 l 01 53 04 56 07 5 9 0 刃倾角角度1 名i 。 图2 - 1 0 刃倾角对等效前角的影响 慢，这时法前角y 。的改变对y 卯的影响较显著。当i 九i = 3 0 。6 0 。时， t 。的增速较快，y 。的改变对y 卯的影响就不太显著。 ( 2 ) 实际切削后角a 。的变化 同样，刃倾角的变化，引起实际切削后角a 。的变化，公式如下： c o s a 棚= s i n 2 丸- i - c o s 2 l s c o s a 。 ( 2 9 ) 式中：a 。一刀具法向后角 由式( 2 9 ) 可知：刃倾角的绝对值增大，刀具的实际切削后角a 。减小。实 际切削后角a 。减小，参见表2 1 。刀具对已加工表面的摩擦力和压力有所增加， 已加工表面硬化程度相应增加。实际切削后角适当地减小，有利的方面：一是有 消振作用；二是有压光作用，但过小会适得其反，会产生振动和表面质量下降的 现象。 表2 1 刃倾角对实际切削后角的影响( 口。= 3 。) 九 0 。5 。1 0 。1 5 。2 0 。3 0 。4 5 。6 07 a w 3 。2 9 7 。2 9 4 0 2 ：8 8 。 2 8 0 。 2 5 8 。 2 1 l 。1 4 9 。 ( 3 ) 实际楔角卢钾和实际切削刃口圆弧半径 山东大学硕十学位论文 刃倾角的变化，引起与卢。的变化，实际楔角j 6 i 卯也发生变化，随着刃倾角九 r 乏。 ， 图2 - 1 1 刃倾角对刀具刃口圆弧半径的影响 的增