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可转位铣刀片温度场、应力场分析及槽型重构研究 摘要 论文主要针对可转位铣刀片的温度场和应力场进行了理论分析和实验研 究。在对可转位铣刀片温度场和应力场试验研究的基础上，进行有限元分析 及耦合场分析，并针对铣刀片温度场和应力场的非稳态特性，开发了波形刃 铣刀片模糊综合评判系统，基于温度场分析和温度场的评价准则进行槽型重 构。 本课题来源于国家自然科学基金项目“三维复杂槽型车铣刀片自组织优 化设计的研究 。在综述了刀具技术的发展现状和国内外铣刀片的发展概况基 础上，对有关铣刀片的铣削机理、刀具开发设计技术和槽型c a d c a m 技术 的文献进行了系统全面的综述。 论文首先对可转位铣刀片温度场、应力场进行了试验研究。利用动态数 据采集系统对平前刀面铣刀片和波形刃铣刀片的铣削温度和铣削力同时进行 了测量，得到了铣刀片各个测温点的温度以及前刀面刀屑接触区的平均温度 与时间之间的试验方程式，利用m a t l a b 软件，对采集到的力进行数据拟 合，得到了波形刃铣刀片和平前刀面铣刀片x 、y 、z 三向铣削力与时间之间 的试验方程式。从试验角度比较出了两种槽型铣刀铣削温度和铣削力的大小。 所得到的温度与力对时间的方程式，为铣刀片受热密度函数、受力密度函数 的建立，为温度场和应力场有限元分析打下了基础。 其次对可转位铣刀片温度场、应力场有限元分析及耦合进行了研究。基 于传热学理论，利用热源法建立了铣刀片受热密度函数，可以得到任意槽型 参数已知的铣刀片受热密度函数的模型和表面受热密度函数。对铣刀片的实 体模型进行有限元网格划分，确定温度场分析的边界条件，对温度场进行了 有限元分析。对五种不同槽型的铣刀片进行了不同切削参数的试验，建立了 平前刀面铣刀片和波形刃铣刀片的表面受力密度函数。给出了波形刃铣刀片 波形参数设计思想和受力密度函数的曲线及曲面模拟。选取切削过程中的任 意时刻进行了应力场有限元分析，得到了波形刃铣刀片和平前刀面铣刀片的 应力分布规律和受力变形情况，利用有限元分析软件a n s y s 的多场耦合的 分析功能，把温度场的分析结果作为体载荷，分别对波形刃铣刀片和平前刀 哈尔滨丁程大学博十学位论文 面铣刀片进行了热应力分析，得出了两种铣刀片热应力和位移的分布规律。 在热应力计算结果基础上，进一步对热应力与机械应力进行了耦合分析，得 出了温度场与应力场耦合后的综合结果。通过对平前刀面铣刀片和波形刃铣 刀片热力耦合物理场有限元计算结果与试验结果的对比，从耦合场层面上说 明了带有槽型刀具切削性能的优越性。 再次对可转位铣刀片温度场、应力场预测及模糊评判进行了研究。针对 铣刀片温度场和应力场的非稳态特性，基于人工神经网络理论，采用b p 神 经网络l e v e n b e r g m a r q u a r d t 算法建立了三维复杂槽型铣刀片温度场和应力场 预测模型，运用模糊数学理论，根据加工要求和专家分析，在v c + + 环境下， 实现了对波形刃铣刀片模糊综合评判系统的开发。通过该系统可对多因素作 用下的铣刀片温度场、应力场和耦合场的优劣进行评判，为铣刀片槽型参数 的优化提供了评判依据。 最后完成了可转位铣刀片的槽型重构设计。主要是基于温度场分析和温 度场的评价准则进行槽型重构。建立槽型参数多目标优化数学模型，利用遗 传算法求解了固定切削参数和给定约束下的优化槽型参数，槽型优化后的铣 刀片耦合场明显优于其它槽型参数下的铣刀片耦合场。在p r o e 环境下，创 建了波形刃铣刀片模型，利用p r o t o o l k i t 二次开发工具，采用异步模式完 成了槽型参数化重构系统的开发，实现了利用友好的图形用户界面输入槽型 设计参数来控制铣刀片复杂槽型生成的关键技术。 关键词：可转位；铣刀片；温度场；应力场：槽型重构 可转位铣刀片温度场、应力场分析及槽型重构研究 a b s t r a c t t h e o r ya n a l y s i sa n de x p e r i m e n ts t u d yo ft e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s sf i e l do f t u r n a b l em i l l i n gi n s e r ta r em a i n l yc o m p l e t e di nt h ep a p e r o nt h eb a s i so f e x p e r i m e n ts t u d yo ft e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s sf i e l do ft u m a b l em i l l i n gi n s e r t , f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n dc o u p l i n gf i e l da n a l y s i sa r ei m p l e m e n t e d i nt e r m so f u n s t a b l ec h a r a c t e r i s t i c so ft e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s sf i e l do ft u m a b l em i l l i n g i n s e r taf u z z ys y n t h e s i sj u d g es y s t e mo fw a v ee d g em i l l i n gi n s e r ti sd e v e l o p e d g r o o v er e c o n s t r u c t i o ni sc a r r i e do u tb a s e do nt e m p e r a t u r ef i e l da n a l y s i sa n d t e m p e r a t u r ef i e l de v a l u a t i o ng u i d e l i n e s 1 1 1 er e s e a r c hw o r kc o m e sf r o map r o j e c tf u n d e db yn s f c ( n a t i o n a ln a t u r a l s c i e n c ef o u n d a t i o no fc r a m ) ，w h i c hi s “1 1 1 cr e s e a r c ho ns e l fo r g a n i z a t i o n o p t i m i z ed e s i g no fm i l l i n gi n s e r tw i t h3 d mc o m p l e xg r o o v e ”a f t e rd e v e l o p m e n t s t a t u so ft o o lt e c h n o l o g ya n de v o l u t i o ns u r v e yo fm i l l i n gi n s e r to v e rt h ew o r l d , a n ds t i l lo v e r v i e wm i l l i n gm e c h a n i s mo fm i l l i n gi n s e r t ，t o o ld e v e l o p m e n ta n d d e s i g nt e c h n o l o g ya n dg r o o v ec a d c a mt e c h n o l o g y f i r s t l yt h ee x p e r i m e n ts t u d yo ft e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s sf i e l do ft u m a b l e m i l l i n gi n s e r ti si m p l e m e n t e d m i l l i n gt e m p e r a t u r ea n dm i l l i n gf o r c eo fs m o o t h f r o ma n dw a v ee d g em i l l i n gi n s e r ti ss y n c h r o n o u s l ym e a s u r e db ya p p l y i n g d y n a m i cd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m 1 1 1 et e m p e r a t u r ev a l u e so fe v e r ym e a s u r e dp o 缸 o nm i l l i n gi n s e r ta r ea c q u i r e da n ds t i l le x p e r i m e n te q u a t i o nb e t w e e na v e r a g e t e m p e r a t u r eo fe d g e c h i pc o n t a c ta r e ai nf r o n tt o o ls u r f a c ea n dt i m e t h ev a l u e c o l l e c t e dc a r r yt h r o u g hd a t af i t t i n gb ym a t l a bs o f t w a r ea n dt h ee x p e r i m e n t e q u a t i o n so fx y zt h r e ed i r e c t i o n sm i l l i n gf o r c e sa n dt i m ef o rw a v ee d g ea n d s m o o t he d g em i l l i n gi n s e r ta r eo b t a i n e d f r o mt h ee x p e r i m e n tw ec o m p a r em i l l i n g t e m p e r a t u r ea n dm i l l i n gf o r c eo ft w ok i n d so fg r o o v e sm i l l i n g t h ee q u a t i o n s g a i n e db e t w e e nt e m p e r a t u r ea n df o r c ea n dt i m ea r ef o u n d a t i o n f o rd e r i v i n gh e a t e d d e n s i t yf u n c t i o n ，f o r c ed e n s i t y f u n c t i o na n dt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s e so f t e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s sf i e l d s e c o n d l yt h ef i n i t ee l e m e ma n a l y s i sa n dc o u p l i n gf i e l do ft e m p e r a t u r ef i e l d a n ds t r e s sf i e l do ft u r n a b l em i l l i n gi n s e r ti ss t u d i e d b a s e do nh e a tt r a n s f e rt h e o r y 哈尔滨工程大学博士学位论文 i h e a t e dd e n s i t yf u n c t i o no f m i l l i n gi n s e r ti sb u i l tu pb yu s i n gh e a ts o t l r c em e t h o d s oh e a t e dd e n s i t yf u n c t i o nm o d e la n ds u r f a c eh e a t e dd e n s i t yf u n c t i o na r eg a i n e d w h e na n yg r o o v ep a r a m e t e r sk n o w no f m i l l i n gi n s e r t 1 1 1 es o l i dm o d e lo fm i l l i n g i n s e r ti sm e s h e df i n i t ee l e m e n ta n dt h eb o u n d a r yc o n d i t i o no f t e m p e r a t u r ef i e l di s d e t e r m i n e d t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft e m p e r a t u r ef i e l di sc a r r i e do u t t h e e x p e r i m e n t so fm i l l i n gi n s e r tw i 也f i v es o r t sg r o o v ei sc o m p l e t e dw h e nc u t t i n g p a r a m e t e r sa r ed i f f e r e n t t h es u r f a c ef o r c ed e n s i t yf u n c t i o n sa r es e tu pf o rs m o o t h f r o n te d g ea n dw a v ee d g em i l l i n gi n s e r t n ew a v ep a r a m e t e r sd e s i g nc o n c e p to f w a v ee d g em i l l i n gi n s e r ta n dc u r v ea n dc u r v e ds u r f a c ef i t t i n go ff o r c ed e n s i t y f u n c t i o na r eg i v e n t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fs t r e s sf i e l di na n yt h et i m e d u r i n gc u t t i n gp r o c e s si si m p l e m e n t e d 1 1 1 es t r e s sd i s t r i b u t i o nr u l ea n dd i s t o r t i o n o fw a v ee d g e a n ds m o o t hf r o n te d g em i l l i n ga r eg o t b ym u l t i - c o u p l i n gf i e l d a n a l y s i sf u n c t i o no ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y sh e a ts t r e s sa n a l y s i s o fw a v ee d g ea n ds m o o t hf r o n te d g em i l l i n ga r eg i v e nf o rt h ea n a l y s i sr e s u l t so f t e m p e r a t u r ef i e l d a sb o d yl o a d t h ed i s t r i b u t i o nr u l eo fh e a ts t r e s sa n d d i s p l a c e m e n ta r eo b t a i n e d o nt h eb a s i so fh e a ts t r e s sc a l c u l a t i o nt h ec o u p l i n g b e t w e e nh e a ts t r e s sa n dm e c h a n i c a ls t r e s si sa n a l y z e d w eg a i ns y n t h e s i sr e s u l to f t e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s sf i e l dc o u p l i n ge a c ho t h e r b yc o m p a r i n gt h ef i n i t e e l e m e n tc a l c u l a t i o nr e s u l t st o e x p e r i m e n tr e s u l t so fh e a ta n df o r c ec o u p l i n g p h y s i c sf i e l do fs m o o t hf i o n te d g ea n dw a v ee d g em i l l i n g ，c u r i n gc a p a b i l i t y s u o e r i o r i t yo fm i l l i n g 、) l ，i t l lg r o o v ei se x p l a i n e df r o mc o u p l i n gf i e l d t h i r d l yt h ef o r e c a s ta n df u z z yj u d g e m e n to ft e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s sf i e l d o ft u m a b l em i l l i n gi s s t u d i e d a c c o r d i n g t on o n s t a b l ep e r f o r m a n c e so f t e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s sf i e l do fm i l l i n g ，b a s e do nm a nn e w en e t w o r kt h o e r y t h ef o r e c a s tm o d e lo fe m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s sf i e l dm i l l i n gw i 廿l3 d m c o m p l e x g r o o v ei se s t a b l i s h e db yu s i n gl e v e n b e r g m a r q u a r d ta l g o r i t h mo fb pn e r v e n e t w o r k b ye m p l o y i n gf u z z ym a t h e m a t i c st h e o d r , i nt e r m s o fm a c h i n i n g r e q u i r e m e n t sa n ds p e c i a l i s ta n a l y s i sf u z z ys y n t h e s i sj u d g e m e n ts y s t e mf o rw a v e e d g em i l l i n gi sd e v e l o p e di nv c + + e n v i r o n m e n t b yu s i n gt h es y s t e mq u a l i t i e so f t e m p e r a t u r ef i e l d , s t r e s sf i e l da n dc o u p l i n gf i e l di nm u l t i p l ef a c t o r sa c t i o nj u d g e d i tp r o v i d e se v a l u a t i o nb a s i sf o ro p t i m i z a t i o no f m i l l i n gg r o o v ep a r a m e t e r s l a s t l yg r o o v er e c o n s t r u c t i o nd e s i g no ft u m a b l em i l l i n gi n s e r ti sc a r r i e do u t 日始g r o o v er e c o n s t r u c t i o ni sm a i n l yb a s e do nt e m p e r a t u r ef i e l da n a l y s i sa n d 可转位铣刀片温度场、应力场分析及槽型重构研究 t e m p e r i t u r ef i e l dj u d g e m e n tg u i d e l i n e m u l t i p l eo b j e c to p t i m i z a t i o nm a t h e m a t i c a l m o d e lo fg r o o v ep a r a m e t e r si ss e tu p a p p l y i n gg e n e t i c sa l g o r i t h ms o l v e s o p t i m i z i n gg r o o v ep a r a m e t e r s o fc h a n g e l e s s c u t t i n gp a r a m e t e r s a n d g i v e n c o n s t r a i n t t h em i l l i n gc o u p l i n gf i e l d a f t e rg r o o v eo p t i m i z i n gh a sm a r k e d l y s u p e r i o r i t yo v e ro t h e r s i np r o ee n v i r o n m e n tt h e s o l i dm o d e lo fw a v ee d g e m i l l i n gi n s e r ti sf o u n d b yl l s 吨p r o ，1 o o l ts e c o n d a r ye x p l o i t a t i o nt o o l ， g r o o v ep a r a m e t e r s r e c o n s t r u c t i o n s y s t e m i s d e v e l o p e db ye m p l o y i n g a s y n c h r o n i s mm o d e t h ek e yt e c h n o l o g yi s f l l l n l lb yu s i n gf r i e n d l yg r a p hu s e r i n t e f f a c ei n p u t sg r o o v ed e s i g np a r a m e t e r st oc o n t r o lc o m p l e xg r o o v eg e n e r a t i o n o fm i l l i n gi n s e r t k e y w o r d s ：t u r n a b l e ；m i l l i n gi n s e r t ；t e m p e r a t u r ef i e l d ；s t r e s sf i e l d ；g r o o v e r e c o n s t r u c t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性2 声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。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 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：黝咎跏 日删年弓月4e t 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 论文的选题目的和意义 现代制造业已经走向了“高效率、高精度、高可靠性，专业化 即所谓 的“三高一专 的发展道路【l 】。各个企业已纷纷向数控机床，柔性制造系统、 以及c i m s 方向上发展，以提高生产效率，缩短生产周期，提高质量、降低成 本1 2 】。机械加工的质量与效率如何，加工的复杂性、精密度程度如何，刀具 质量是一个及其重要的因素，刀具的设计水平直接反映出机械加工的水平p j 。 作为切削刀具之一的铣刀在切削加工中应用极为广泛，合理地选择和设 计铣刀的几何参数及结构是提高铣削性能的主要因素之一。几十年来一贯应 用的平前刀面铣刀片已经不能满足生产需要。近年来国外一些名牌刀具生产 厂家己生产出一些三维复杂槽型的铣刀片，在生产中表现了良好的切削性能， 但多数是以经验加试验的方法确定槽型，缺乏理论依据。我国目前还没有生 产厂家对铣刀片的三维槽型进行自主研究和生产，每年需进口大量带有槽型 的铣刀片以满足生产的需要。为了改变这种状况，哈尔滨理工大学的现代制 造技术与刀具开发研究所结合铣削特点，借鉴前人的研究成果，开发出两种 新的三维槽型铣刀片，大前角铣刀片和波形刃铣刀片，二者都可使切削刃逐 渐切入，切出工件，切削过程平稳，振动小，并改善切屑流向，同时使金属 切削变形减小，降低了铣削力和铣削热，在生产中取得了良好效果。 铣削刀具是机械制造行业应用很广的一种刀具，在金属切削加工设备中， 铣床约占1 8 以上，没有一种刀具具有铣刀那么多的类型、形状和功用。铣 刀所能完成的工作比任何一种刀具都要多得多。而且在机械加工切削过程中， 刀具起着决定性的作用。随着生产的发展，无论在加工的复杂性、精密度方 面，还是在生产率和工件质量方面，人们对刀具也提出了越来越高的要求。 目前国外一些名牌刀具生产厂家己生产出一些三维复杂槽型的铣刀片，但多 数是以经验加实验的方法确定槽型，缺乏理论研究基础。我国目前还没有生 产厂家对铣刀片的三维槽型进行自主研究和生产。每年需进口大量带有槽型 哈尔滨工程大学博士学位论文 的铣刀片以满足生产的需要。由于一个刀片槽型的实现，经过研究_ 式验 初定型做模具压制刀片试验生产考验终定型。需 要半年以上的时间( 还不包括反复修改的时间) ，所以我们试图通过大型有限 元分析软件、对槽型铣刀片进行三维非稳态温度场分析，在此基础上优化刀 具的几何参数，并提出槽型重构的方法，缩短刀片的槽型开发、生产周期。 本课题将在三维复杂槽型铣刀片的铣削机理研究上迈出新的一步，即将 借助于计算机技术和先进的算法对三维复杂槽型铣刀片铣削过程中的温度场 和应力场进行耦合分析与评判，寻找耦合情况下的等效应力的分布规律和受 力变形情况，为建立综合的物理场量化的数学模型，为槽型优化c a d 系统的 建立奠定理论基础。 1 2 刀具技术的发展现状 目前，我国已成为世界的第三大刀具市场【4 】。但由于技术和装备落后等 原因，致使我国刀具在品种、质量和材料等各方面与国外相比均存在较大的 差距。日本、德国、美国等先进国家的刀具制造商正在大举抢占中国市场， 使国内的刀具企业面临新的挑战1 5 j 。 2 0 世纪8 0 年代，我国刀具生产增长很快，迅速实现了刀具国产化，首 先在国内市场上把日本量、刃具顶了出去，继而大量出口，出口量达到总产 量的3 0 。9 0 年代开始，由于产品结构和产业结构调整缓慢、品种单调、质 量平平的低档产品年复一年地大批量生产，虽然也引进了一些当代刀具先进 制造设备，但绝大多数设备被用来生产千篇一律的标准刀具，、用好设备制造 低档产品，这种局面使我国工具企业陷进了困境【6 j 。1 9 9 6 年对数控刀具在品 种、规格、数量上的满足度只有2 0 ，工具行业在中高档产品上难以满足需 求，供给能力不足【7 1 。2 l 世纪，中国将成为世界制造业的中心，经济的全球 化，带给中国机械行业将是更多的机遇和更大的挑战。先进制造技术的发展、 机械工业结构的调整、高效率数控机床的使用，都要求现代刀具具有高效率、 高精度、高可靠性和专用化所谓“三高一化 的特点发展，但国内刀具企业 目前的现状与这一要求还存在一定差距。改革开放后，国外刀具企业大量进 入国内市场，这给国内刀具企业带来竞争的同时，也带来了全新的技术和理 念，促进了先进刀具的发展【l t 引。 2 第1 章绪论 2 0 世纪8 0 年代后，发达国家进入了所谓知识经济年代。传统的制造业， 也由于数控技术的普及推广而跃上一个新的发展台阶。在这种生产力发展的 浪潮中，刀具产品和技术作为制造过程的一个重要环节，也面临着巨大的挑 战：传统的千篇一律的标准化刀具，已无法满足现代制造业对提高效率和降 低成本的强烈追求。这种市场需求变化迫使工具行业放弃传统的生产模式， 转向迎合现代制造业要求的“高精度、高效率、高可靠性和专用化”的发展 道路。 1 3 国内外铣刀片的发展概况 1 3 1 铣刀片的发展现状 铣刀切削性能的好坏，很大程度上取决于刀片的材质与槽型，目前应用 在数控设备和生产线等设备上的铣刀多数使用进口的具有槽型的铣刀片，以 保证生产效率、刀具寿命，而国产铣刀绝大多数配备自行磨制的平前刀面铣 刀片，其几何参数不尽合理，刀具寿命短，直接影响了生产效率。 目前，可转位铣刀片与工业发达国家相比仍存在较大的差距【9 。1 1 1 ，主要 表现在应用比例低，约占刀具总量的1 0 左右。国产刀片品种少，缺少 指导性选用原则。制造质量差，使用寿命为同类国外刀片的4 0 6 0 。自 开发能力差，国内尚无一套完整的设计系统。这样就使得刀片及槽型的开发 周期长，且经济性差。在刀片的研制与设计方面，刀片槽型一部分是自己开 发设计新槽型，另一部分是消化、仿制、引进刀片新槽型，使之国产化。 1 3 1 1 铣刀片轴向前角有增大的趋势 近几年来，在很多应用场合，正前角硬质合金刀具取代了负前角刀具， 这种发展趋势今后会进一步扩大【1 2 - 1 4 1 。在1 0 年以前，用顶刃前角为2 0 。或甚 至更大的刀具简直是不可想象的，而如今已在铣削中普遍应用。如日本d l j e t 公司开发的通用型面铣刀d s g 4 5 ，主偏角k r = 4 5 。，轴向前角为3 0 。径向前 角为一2 。，这种铣刀既适用于铣削普通结构钢及铸铁，又可用于铣削不锈钢 及铝合金；瑞典s e c o 公司开发的通用型面铣刀，其轴向前角为2 0 。，径向 前角为- 4 。i s c a r 公司推广应用正前角铣刀已有一段时间，最近两年又开 发了很多新的正前角刀具，其中包括用于铣削铝合金的具有特大前角的a p c r 3 哈尔滨_ l 程人学博士学博论文 型螺旋形铣刀片( 见图1 ) 和另一种火前角刀片s e k t 方形铣削刀片，它具自_ 凹 陷形的前刀面和大的前角，所需的铣削功率小( 见图2 ) 。 131 2 曲线刃和带三维复杂槽型铣刀片的应用 目前，全面考虑刀片的几何参数，切削刃的完整性，刀片牌号及涂层等 距k t 图13s e k r 7 6 = ! i = ! 铣刀图 f i gi3s e k r 一7 6i n s e r td e v e l o p e db y c a r b o l o yc o m p a n y 图14 h e l i s t a r a d m t 型刀片图 f i gi 4r t wi n s e r tw i t hp o s i t i v er a k e 因素是十分重要的。而且硬质合金生产工艺的进步改善了硬质合金组织的整 体质量和切削刃的韧性，硬质合金制粉和压型技术的进步可在刀片上形成精 密细微的几何形状，这就使得开发新的铣刀片刃形和三维复杂槽型成为可能。 如c a r b o i o y 公司开发的s e k r 一7 6 型铣刀片形状很特别，其顶刃前角为3 4 。， 有筋条形的断屑槽( 见图3 ) ，它已问世6 年，这种刀片用于制造k r = 4 5 。和 9 0 。的面铣刀，机床功率消耗可减少2 0 ，工作温度降低2 0 4 。 i s c a r 公司的i e l is t a fa d m t 锯齿形刃刀片( 见图4 ) 用于铣削高温合金， 奥氏体不锈钢和其他合金钢，它的前角大，切削时无振动。但由于齿尖处切 削刃强度弱，容易磨损、破损。而齿底两面相交处有尖角，不圆滑，容易产生 应力集中，出现裂纹| l “。 第l 苹绪论 1 3 2 最新的铣刀片简介 上世纪9 0 年代末推出的最引人注目的大前角铣刀，是c a r b o l o y 公司生 产的带+ 3 4 。前角的7 6 号刀片。大前角刀片与传统铣刀片相比，可降低2 0 的切削力。这种铣刀对于不锈钢和硬度达h b3 0 0 的材料，以及普通铸铁和 钛加工都是非常有效的。7 6 号刀片适用于4 5 。和方形肩刀具。 c a r b o l o y 公司的第二系列带正前角的新铣刀是用于键槽粗铣和仿形铣的 螺旋刃铣刀。这些铣刀补充了现有的直径为2 0 m m 至5 0 r a m 的铣刀。新铣刀 刀片有约为+ 1 5 。的前角，刀具上的有效前角约为+ 1 1 。这与相当长的时间 内成功地用于该公司的2 2 0 1 3 端铣刀系列的快速切削方法相同。这种刀具有 整体式和两件式。两件式铣刀有可换刀头。 s a n d v i k ，i s c a r 和i n g e r s o l l 公司分别推出了新的铣刀片和新铣刀，采用 大前角、螺旋刃或曲面刃是三种刀具的共同特点。 s a n d v i k 公司在8 0 年代末推出了用于钢和铸铁铣削加工的波形刃铣刀。 这种曲面刃铣刀可降低切削力，提高切削速度；同时，可减少传统刀片产生 的崩刃现象。两种刀片尺寸用于整个u m a x 铣刀系列。s a n d v i k 公司报告了 槽铣刀和小型铣刀的比较，u m a x 立铣刀的进给量是普通刀片立铣刀的1 6 2 倍；而刀具寿命是普通铣刀的2 倍。 i s c a r 公司的b r a d l e yt e e t s 说，“一个多世纪以来，螺旋切削刃一直是 高速钢铣刀的理想的切削刃”。而现在，由于采用了先进的c a d 和c a m 技 术，这种理想的形状可以用硬质合金制造。由于采用c a d 优化设计，用适 应控制、刀片自动检验和定期自动压制清洗使数控硬质合金公司把螺旋刃硬 质合金铣刀推向市场。 i s c a r 公司的直径从9 5 m m 3 8 m m 的h e l i r r 6 1 1 微型立铣刀是基于螺旋切 削刃，a p m m 刀片制成的。使用螺旋刃刀片可使切削噪声小，动力小。a d k t 曲刃宽刀片适用于两种端铣刀和一种立铣刀。i s c a r 公司推荐，在9 0 0 轴向 角和很大的使用范围内，这种铣刀可实现正前角切削。 i s c a r 公司的方形s e k r 刀片，是h e l i r n i l l 系列的一部分，把螺旋切削 刃分成三个扇形面，每个面有不同的倾斜角。切屑有三部分成形形状。扇形 或锯齿形切削刃s e k r 刀片，最适合加工高温合金，镍铬合金和不锈钢，甚 5 哈尔滨丁程大学博士学何论文 至可以采用很大的进给量。这种刀片可以用于软金属的加工非常类似于带挡 板的车刀刀片，可防止大量热切屑接触刀片表面。这种设计还可降低震动， 提高稳定性。 i n g e r s o l l 公司的大前角铣刀系列，包括端铣刀和立铣刀，具有双重大前 角，是根据新设计的螺旋刃a p l h 和a p e b 刀片制成的。直径小至1 6 r a m 的 大前角立铣刀在市场上可以买到。整个系列主要是从根据使用硬质合金抗压 强度最大的理论设计的i n g e r s o l l 公司的o n e d g e 刀具设计原理改变而来的。 k y o c e m 工程陶瓷公司推出了一系列组合端铣刀。使用的刀片大部分是平面 的变形，刀体和刀夹包括大前角和通用的轴向正前角型，用于j 口- r 钢、铝和 其它有色金属。 d a p r a 公司推出了新铣刀和刀片系列，完全不同于我们讨论的刀具。带 一个盘形刀片的球端铣刀、一个夹紧螺钉和刀体构成了基本设计。这种刀具 有各种尺寸规格。与众不同的刀片是平面盘形，一端有一个支承平面，另一 端有一个精磨过的间隙。用于这些刀体的刀片有涂层、非涂层硬质合金和陶 瓷型。前角可根据材料确定。这些特殊刀具适用于高效模具加工。 综上所述，由于三维槽型铣刀片一波形刃铣刀片在生产中表现了良好的 切削性能，自主研制和开发具有复杂槽型的可转位铣刀片具有广阔的应用前 景。目前温度场和应力场的研究都是对于单一的温度场或应力场进行研究， 对于温度场和应力场的耦合分析研究尚未见报道。为此，我们将利用传热学 原理，基于金属切削试验，建立了瞬态温度场的数学模型，并利用有限元法 做了波形刃铣刀片的温度场有限元分析，得到了温度分布规律和铣刀片热破 损的原因；同时，结合金属切屑理论和铣削力试验，建立了铣刀片的受力密 度函数并以此为边界条件进行了应力场的有限元分析，得到了铣削力的分布 规律和受力变形情况，并分析了冲击破损的根本原因。本课题将就铣削过程 中的温度场和应力场形成的耦合场做一下研究，寻找耦合场的等效应力分布 规律。对两种槽型刀具的温度场和应力场进行深入地研究，尝试建立三维槽 型铣刀片的温度场数学模型和表面受热密度函数，进行温度场有限元分析， 得到铣刀片前刀面的温度分布规律，同时，也将建立应力场的数学模型和表 面受力密度函数，进行应力场的有限元分析，得到瞬态铣削力的分布规律， 并将温度场与应力场进行耦合分析和研究，在此基础上，构建具有三维复杂 6 一 第1 章绪论 槽型的可转位铣刀片。 1 4 铣刀片温度场、应力场及铣削机理的研究现状 由于面铣刀应用广泛以及切削过程的复杂性，国内外学者在研究面铣刀 结构的同时，对铣削过程的机理研究也给予了足够的重视，他们从整个铣削 加工系统出发，对铣削过程机理和现象进行了研究，主要集中在以下几个方 面：铣刀破损的研究、铣削温度的研究、铣削力的研究、最佳面铣刀的研究 和面铣刀减振的研究。 针对铣削过程中刀片的破损，早在四十年代中期，德国学者 m k r o n e n b e r g 首先针对面铣加工研究了切入类型与刀具破损之间的关系【1 6 1 。 他详细分析了面铣的切入过程，指出铣刀和工件的位置和偏移量对刀具寿命 将产生极大的影响。在这之后，西德阿亨工业大学德h o p t i z 、日本的星铁 太郎等从实验到理论、从宏观到微观对铣刀切入破损进行了分析，指出切入 过程中的冲击、疲劳和热裂纹是引起铣刀切入破损的主要原因【1 7 一引。自 k r o n e n b e r g 提出了切入类型对刀具的破损影响之后，许多学者对此进行了大 量的实验，不同程度地证明了m k r o n e n b e r g 的结论。 进入八十年代，随着硬脆刀具材料的广泛应用，铣削过程中硬脆材料的 严重破损，铣削热引起的刀片破损引起了人们的关注。c h a k r v e r t i 、星铁太郎 等从由切削热产生的熟应力及热疲劳的角度，对断续切削刀具破损的机理进 行了研究，他们发现在断续切削过程中刀具前刀面上出现了龟裂纹，裂纹分 别垂直于主刃和平行于主切削刃【l 吼2 0 1 。针对难加工材料，南京航空学院的王 珉、张幼桢等人对铣削加工中的刀具温度场进行了计算和实验【2 h2 2 1 。他们应 用高速钢组织结构法，对铣削加工时高速钢铣削刀具温度场的分布进行了实 验研究，并使用了有限差分的方法对铣削加工区的三维非稳态温度场进行了 计算，在计算中对其边值条件的确定、差分格式的选用以及解的稳定性等问 题进行了讨论。在选用适当的边界条件后，实验结果与计算结果能够较好的 吻合。东北大学的张东教授等人在铣削温度方面也有重要的研究【2 习，他在铣 削温度场有限元数学模型的数学公式推导方面做了大量的工作，推导出了运 用在有限元方面的微分方程和控制方程，并且把通过编程得到的结果和实验 结果进行比较，达到了预想的效果，但是，这些工作同样是在平前刀面刀片 7 哈尔滨t 程大学博士学位论文 上进行的，在切削机理方面也少有进展。 对于铣削力，很多学者自2 0 世纪4 0 年代中期开始就进行了研究，取得 了很多重要成果。进入9 0 年代，h s k i m 和j h e i k k a l a 等人对铣削力进行了 进一步且较为实用的研究。h s k i m 对面铣过程的静态和动态铣削力进行了 模拟。j h e i k k a l a 从考虑机床结构和夹具设计出发，在切削条件已知的情况下， 建立了面铣刀切削的三向分力数学模型，并对不同铣刀和工件材料进行了切 削实验，取得了一致结果。以上的分析和实验均是对平前刀面直刃铣刀片进 行的。在学术上，以色列的r w e r t h e i m ，a s a t r a n 和a b e r 等人研究了螺旋 刃和锯齿形刃铣刀片在铣削加工中的性能，认为曲线刃刀片能够提高加工的 稳定性，降低铣削力并改进切屑的流出方向。美国的b g h a h r a m a n i ，z y w a n g 等人对铣削过程中的刀具切入方式进行了分析，结果表明：铣削力方向 和前刀面的初始接触位置决定刀具的破损。新加坡的h q z h e n g 等人提出了 一个面铣刀铣削力模型，在该模型中考虑了断续切削时切削温度变化的影响。 随着铣刀的发展，带有三维复杂槽型的铣刀片的广泛应用，