（机械制造及其自动化专业论文）高速切削立铣刀的安全性研究.pdf

摘要 本课题运用有限元方法分 i 了高速切削j n 一条件对立铣，j 应力场的影响，并结合 立铣刀模态分析及切削力测试，较为系统、全旺口地研究了高速切削立铣刀的安全性， 为高速切削立铣刀的结构设计及切削条件的合胖选择提供了有益的参考。 分析不同刀具材料的立铣j 在帽l 司切削条件h 的腹力场，结果是刀具应力值不 同。由此得出结论：对r 不唰的工件材料，必须选择性能与之匹配的刀具材料。对 ， - l ：l i j 直径和4 ；同齿数的立铣j 4 ：榭川的切削条什r 做仃限几应2 j 分析，) 鼬沱如r ： v i 直径越小、齿数越多的立铣，j ，j 应ji l 越人。刈4 i 川火持k 度的、z 铣v j 做应力场 的分析计算，卅为实际力工i 一刀具装火挝供参乞。绌果表明：刀具央持托良对月 具变形影响较大，埘刀具应力影响很小。 分析了进给量、背吃月量对j 具应力和刀烈变形的影响为合理确定切削用量提 供依据。仅从刀具虑力考虑，进给量和背吃， 馈应尽最取小值：同时分析了主轴转 速的增加对立铣，j 应力场的影响，可为合理确定量轴转速提供依据，并得出结论： 主轴转速的增加将导致立铣刀应力和变形量随之增大，而且变化幅度较大。实际加 工时，应该根据不同的工件材料、不同的刀具材料、不同的加工工艺合理选择主轴 转速。对不同偏心量的立铣刀做有限元应力分析；而当主轴转速达到一定的数量级， 立铣刀的偏一b t 平衡量又较大时，离心力就可以足够大，甚至可以改变刀具应力场 的分布状态。同时，还对刀具偏心位置的不刑做了有限元的应力分析得出绮论： 、 t j 具的偏心位胃不同刁i 仅影响刀具的应力大小，甚至会影响应力场的分布。， 对立铣丁j 做有眼元模态分析，确定了列；的硎有振动频率。模念分析不仅提供了 一种计算固有频率的方法，也可为研究高速加：r ：系统的振动提供参考。 采用压电式测力仪，测量了立铣刀在主轴转速不断增加、进给量不断增大的情况 下所受的切削分力得出了切削力的变化觇律，片进行了立铣刀的有限元分析。 。关键讯高速缈主警速静粤，应移 、 一 a b s t r a c t t h es a f e t yo fa ne n dr a i lji f lh s ci si n v e s t i g a t e ds y s t e m a t i c a l l ya n dc o m p r e h e n s i v e l y b ym e a n so ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s e so ft h ee f f e c t so fc u t t i n gc o n d i t i o n si nh s c o nt h e s t r e s sd i s t r i b u t i o no fa ne n dm i l l m o d a la n a l y s i so ft h ee n dm i l la sw e l la st h ec u t t i n g f o r c e se x p e r i m e n t s w h i c hm a yp r o v i d es o m eu s e f u lr e f e r e n c ef o rt h es t r u c t u r a ld e s i g no f t h ee n dm i l la n dt h er e a s o n a b l ec h o i c eo ft h ec u t t i n gc o n d i t i o n s t h es t r e s sf i e l d so fe n dm i l l so fd i f f e r e n t1 0 0 im a t e r i a l su n d e rt h es a m ec u t t i n g c o n d i t i o n sa r e a n a l y z e d i t s r e s u l t s i n d i c a t i n g t h a tt h es t r e s si sd i f f e r e n t a n o t h e r c o n c l u s i o nc a na l s ob ed r a w nt h a tc u t t e r so fd i f f e r e n tt o o lm a t e r i a l sm u s tb es e l e c t e dt o m a t c ht h ep r o p e r t i e so f w o r k p i e c e s t r e s sf i e l d so f e n dm i l l sw i t hd i f f e r e n td i a m e t e r sa n d f l u t en u m b e r sa r ea l s oc a l c u l a t e d t h i sc a nb eu s e da sab a s i sf o rt h es e l e c t i o no fe n dm i l l s ， f e t h eb i g g e rt h ed i a m e t e ra n dt h em o r et h ef l u t e t h eg r e a t e rt h ev a l u eo ft h es t r e s s t h e s t r e s sf i e l d so fe n dm i l l sw i t hd i f f e r e n t c l a m p i n gl e n g t h s a r ea n a l y z e da n dt h u ss o m e r e f e r e n c e sc a l lb e p r o v i d e df o rt h ea c t u a lc l a m p i n go f t o o l s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h et o o l d i s t o r t i o ni sm o r ea f f e c t e db yt h ec l a m p i n g1 e n g t ht h a nt h et o o ls 汀e s s t h ee f f e c t so f d e p t ho fc u ta n df e e dr a t eo nt h et o o l d i s t o r t i o na n dt o o ls t r e s sf i e l d h a v eb e e na n a l y z e d ，w h i c hc a l lb eu s e da sar e f e r e n c ef o rt h ed e t e r m i n a t i o no fc u t t i n g p a r a m e t e r s i nv i e wo f t 0 0 1s t r e s s d e l ：l t ho fc u ta n df e e dr a t es h o u l db es i n a i lv a l u e s t h e c h a n g eo ft h e t 0 0 1s t r e s sf i e l dw i t ht h ei n c r e a s e dc u t t i n g s p e e dh a s b e e na n a l y z e d ， r e v e a l i n gt h a tt h ei n c r e a s eo f t h es p i n d l es p e e dw i l lr e s u l ti nt h ei n c r e a s ei nt h et o o ls t r e s s a n dd i s t o r t i o nr e m a r k a b l y i na c t u a l m a c h i n i n g ，t h es p i n d l es p e e d s h o u l db ec h o s e n m a s o n a b l ya c c o r d i n gt ot o o lm a t e r i a l s ，w o r k p i e c em a t e r i a l sa n dt h em a c h i n i n gp r o c e s s t h es t r e s so fe n dm i l l sw i t hd i f f e r e n te c c e n t r i c i t i e sh a sb e e na n a l y z e da n dt h er e s u l t i n d i c a t e dt h a ta st h e s p i n d l es p e e d a n dt h e e c c e n t r i c i t y a r eb o t hh i g hc n o u g h ，t h e c e n t r i f u g a lf o r c ei ss ob i gt h a ti tc a nc h a n g e t h ed i s t r i b u t t o no ft h et 0 0 1s t t e s s a tt h es a m e t i m e t h et o o ls t r e s sf i e l do fe n dm i l l sw i t ht h ee c c e n t r i c i t yj nd i f f e r e n ts i t e sh a sb e e n a n a l y z e da n dt h ec o n c l u s i o ni st h a tt h ed i f f e r e n c eo f t h ee c c e n t r i c i t yi nt h ee n dm i l lw i l l a f f e c tt h es t r e s sf i e l d t h em o d a la n a l y s i so ft h et o o lc a ns h o wu sw i t hi t sn a t u r a lf r e q u e n c i e s t h i sk i n do f a n a l y s i sc a nn o to n l yp r o v i d eu sw i t ha m e t h o df o rc a l c u l a t i n gt h en a t u r a lf r e q u e n c i e s ，b u t a l s op r o v i d es o m er e f e r e n c e sf o rs t u d y i n gt h ev i b r a t i o no ft h eh s c s y s t e m u s i n gt h ep i e z o e l e c t r i c i t ya p p a r a t u s ，w ec a nm e a s u r e t h et h r e ec u t t i n gf o r c e sw i t ht h e s p i n d l es p e e da n dt h ef e e dr a t ei n c r e a s i n gs t e a d i l y , a n dw ec a ng e tt h ed i s c i p l i n e ，a n dt h e s t r e s sf i e l do ft h ee n dm i l li sa n a l y z e dw i t hf e ma l s o k e y w o r d s ：h i g hs p e e dc u t t i n gs p i n d l es p e e d c e n t r i f u g a l f o r c e s t r e s sf i e l d - 1 绪论 c 山东大学硕士学位论文 1 1 高速切削技术概述 机械加工发展的总趋势是高效率、高精度、l 岛柔性和强化环境意识【“引。在机械 加工领域，切削加】：是应用最广泛的加_ l 方法。高速或超高速切削加工是切削加工 的发展方向，已成为切削加j 二的主流。它是先进制造技术的一项关键技术。目莳 高速切削加工技术已广泛应用于航空航天工业、汽车工业、模具工业等多种工业中 的钢、铸铁、铝合仓等材料的d n i i l2 i 。 高速切削技术有广阔的应用前景。它町以大幅度提高机械d t j _ e 效率，单位时问内 材料切除率提高3 - 5 倍或更高( 生产中也可以用背吃刀量a 。、进给量r ，和切削速度v 的乘积最大来撕定切削加工效率，而小单纯追求高切削速度) 【2 】，同时可以明显提高 加工质量，降低成本，而且可以带动一系列高新技术产业的发展。然而，高速切削 加工技术还处在丌发阶段，尚有许多问题需要深入研究，尤其高速切削刀具直接决 定高速切削的效益、质量和安全，是推广和实施高速切削技术的基础。 1 1 1 高速切削的定义及国内外发展现状 高速切削是一个相对概念，由于刀具材料、工件材料和加工工艺的多样性不 可能用一个确切的指标来定义，并得到广泛的认同口1 。从切削技术角度来看，以高的 切削速度、高的进给速度和高的加工精度为特征的加工技术都可以称做高速切削， 一般认为切削速度超过普通切削的5 1 0 倍，在1 0 0 0 0 2 0 0 0 0 m m i n 之白j 的切削称做 高速切削；而从切削机理柬看，高速切i j 是指温度不再显著地随切削速度增大而升 高的切削【4 1 。 国外对高速切削的研究要比国内早。从1 9 3 1 年德国切削物理学家萨洛蒙从铝铜 切削实验及其物理引申提出高速切自0 这一概念，高速切h 0 大致经历了以下四个阶段 ：5 1 。 1 ) 设想和理论探索阶段( 1 9 3 1 1 9 7 1 ) ：1 9 3 1 年德国c a r l j s a l o m o n 博士首次 提出了高速切自0 对切削温度的影响的改想，提出高速切削这概念。1 9 5 8 1 9 6 0 年美国空军制订第个高速刨a 4 技术研究计划。而后美国洛克西德飞机 公司也对此进行了研究。1 9 6 4 年，法幽机床研究中心、法国机械研究中心和 c 山东大学硕士学位论文 f o r e s t l i n e 公司合作进行了研究，澳大利亚、英国和同本也相继进行了研究。 2 ) 应用探索阶段( 1 9 7 21 9 7 8 ) ：在这段时期，美国洛克西德导弹与空间公司， 德国d a r m s t a d t 工业大学，法国f o r e s t l i n e 公司和d a s s a u l t 公司又做了进一 步的探索试制了高速加工实验用的机床与加工中心，主轴系统参数达到 6 0 0 0 1 8 0 0 0 r p m 。 3 ) 应用阶段( 1 9 7 9 1 9 8 4 ) ：l 印出剀i i j i j ，i ：旧外j l i 始进入应用阶段1 9 7 9 年美国 国防高级研究工程局丌始了为期4 年的现代加工技术研究计划，先后研究了 包括钢、铸铁、铅、黄铜、铝合命、铁合金等在内的高速切削的加工机理； 进行了用于弹导实验的速度高达7 6 0 0 m r a i n 和7 3 0 0 0 m m i n 的高速切削试验。 1 9 8 1 1 9 8 4 年德国d a r m s t a d t 弘世大学和l8 家企业联合丌发研究了高速主 轴系统以及包括铝合金、镁、钢、铸铁等金属和石墨等非金属材料在内的切 削加工机理和工艺。 4 ) 成熟阶段( 1 9 9 0 年至今) ：高速切削技术逐渐进入比较成熟阶段，各工业发 达国家陆续投入大量人力，财力于高速切削技术的研究与丌发，相关技术迅 速发展。首先是高速机床发展迅速，主轴1 0 0 0 0 2 0 0 0 0 r p m 的加工中心相当 普遍，目前1 0 0 ，0 0 0 r p m 及更高的加 _ 中心也已出现；其次包括刀具材料、 刀具结构、刀具装央系统在内的高速剀削刀具也有了很大的发展。 国内对高速切削的研究起步较晚，9 0 年代以柬j 普遍引起关注。尽管起步较晚， 经过努力，我国在高速切削技术上也取得了。些进展，特别是适合予高速切削的刀 具材料的丌发和实际应用已初具规模。们足，段闭高速切削的发展仍然存在很多问 题，比如：高速切削刀具尚未形成系列化、标准化：实际的切削加工中缺乏完备的 高速切削数据库；机床操作人员对高速切削技术要求认识不足；高速切削刀具主要 依赖进口：我国自行丌发研制的高速切削机床还很少等。总之，高速切削所固有的 高效高精度的优势还没有在我国制造业中体现出柬。 1 1 2 高速切削存在的问题及其展望 尽管经过了接近7 0 年的发展，国内外对高速切削在理论研究和实际应用方面取得 了突破性的进展， 旦是高速切削加工技术还处在丌发阶段，尚有以下问题需要深入研 究： 1 高速切削基础理论方面存在的问题陋l ： 1 ) 不同工件材料与刀具材料匹配时的切削温度和切削力变化的临界条件。不同刀具 高速切削时的刀具寿命模型，为建立数据库制定合理高速切削工艺，为开发高速 切削刀具材料提供基础。 山东大学硕士学位论文 2 ) 高速切削系统的可靠性还需进一步研究。 2 高速切削数据库的建立。至今国际上也没有可共高速切削使用的数据库。 3 高速切削刀具系统( 包括结构、动平衡和安全可靠性) 有待与进一步丌发。 4 ，高速切削刀具材料 1 ) 刀具材料和涂层技术比较落后。还没有粉未冶会高速钢产品，含钴高速钢品质较 差。原有高速钢产品质量下降。t i c n 涂层没有商业产品，t i a l n ，m o s 2 和纳米 涂层有待丌发。 2 ) 高速切削的高抗热震性刀具材料有待于进步丌发。 5 高速切削加工机床差距大，系列基甜；技术还有待f 提高和丌发。 6 大多数现有c a m 软件没有考虑高速切削问题。 尽管高速切削的实际应用和进一步的推广还需要解决一系列的问题，但是作为一 项高效、高质量的制造技术，它必将代替传统的加工技术而成为加工技术的目标和 主流。我国对高速切削的展望有以下几点p 】： 1 发展先进制造技术，改造传统制造业，加强和提高我国制造业的能力是建立强 大工业国家的根本。 2 高速切削技术是先进制造技术的重要组成部分，有广阔的应用前景。推广应 用高速切削技术不但可以大幅度提高机械加工的效率、质量，降低成本而 且可以带动一系列高新产业的发展。 3 加速研究、丌发和推广应用高速切削技术是丌发新产品，提高产品竞争力最 有敏的措施之一。 4 我国现有的机床和刀具资源己有一定的基础，结合实际，推广应用高速切削 技术，把我固的切削加工效率和质量提高到一个新水平是可行的，也是很 有效的。 1 2 高速切削刀具技术及安全技术 在由机床、刀具和工件组成的切削加工工艺系统中，刀具是最活跃的因素，刀具 切削性能的好坏、切削加工生产率、刀具酬用度、加工成本、加工精度、加工表面 质量的优劣等在很大程度上取决于刀具材料、刀具几何参数和刀具结构【们。 山东大学硕士学位论文 1 2 1 高速切削刀具材料及其选择 由于刀具切削时要承受高压、高温、摩擦、冲击和振动等作用，所以刀具材料应 具备高的硬度和耐磨性、高的强度和韧性、而j 热性、工艺性能和经济性1 6 i 。 高速或超高速切削除了要求刀具材料具备普通，j 具材料的一些基本性能之外，还 突出要求刀具材料具备高的耐热性、抗热冲击性、良好的高温力学性能及高的可靠 性。为了适应超高速切削加工技术的需要，保证优质、高效、低耗地完成超高速切 削加工任务，对超高速切削刀具材料提出了如下更高的要求： 1 高的可靠性：超高速切削要求刀具必须| 分可靠。超高速切削一般要求在数 控机床或加工中心上进行，刀具应具有很高的可靠性，要求刀具的寿命高， 质量一致性好，切削刃的重复精度高。 2 ，高的耐热性和抗热冲击性能：超高速切削所采用的切削速度比常规切削的高 几倍甚至几十倍，切削温度很高，因此，要求刀具材料的熔点高、氧化温 度高、耐热性好、抗热冲击性能强。 3 良好的高温力学性能：要求刀具材料具有很高的高温力学性能，如：高温强 度、高温硬度、高温韧性等。 4 刀具材料能适应难加工材料和新型材料加工的需要：随着技术的发展对工 程材料提出了更高的要求各种高强度、高硬度、耐腐蚀和耐高温的工程 材料愈来愈多的被采用。他们中多数属于难加工材料，目前难加工材料已 占工件的4 0 以上。因此超高速切削刀具应能适应难加工材料和新型材 料加工的需要。同时，出于可持续发展的要求，还要求切削时不污染环境， 切屑处理效果好。 经过近3 0 年的门：发，目前应用于高速切削的刀具材料主要有：硬质合金涂层刀 具、金属陶瓷、陶瓷刀具、立方氮化硼( c b n ) 、聚晶余刚石( p c d ) 等。他们各有 优点，适应不同的工件材料和不同的切削速度范围【7 “j 。 一t i c 基及t i ( c ，n ) 基硬质台会j t i c 基硬质合会是以t i c 为主要成分( 6 0 以上) ，n i m o 作结合剂的硬质合会。这 类合会少含或不含w c 与w c 基硬质合金相比它的密度小，硬度较高，对钢的 摩擦系数较小切削时抗粘结磨损与抗扩散磨损的能力较强，具有更好的耐磨性， 但韧性和抗塑性变形的能力稍弱一些。其典型牌号是y n 0 5 ( 株洲硬质合金厂产品) ， 用以切削正火和调质状态下的钢材，其切削性能优于w c 基合金y t 3 0 。 近几年来丌发的t i ( c ，n ) 硬质合会，它具有与t i c 基合会相同的特性与优点但 其韧性和抗塑性变形能力则高于t i c 基合会，如株洲硬质合余厂推出的t n l 0 、t n 2 0 等牌号性能都很好，其应用范围较宽，有着良好的发展前景。据国外切削专家预测， 山东大学硕士学位论文 今后在刚的车削方面t i c 基和t i ( c ，n ) 基合会所占比重将达到可转位刀片总需求量的 5 0 ，并将成为铣削钢材的最佳刀具材料。 二涂层硬质合金 涂层硬质合会刀具是在强度和韧性较好的硬质合令基体上，利用化学气象沉积 ( c v d ) 工艺涂覆一薄层俐磨性高的耐熔余属或非金属化台物( 如t i c 、t i n 、t i c n 、 t i a l n 、c r c 、c r n 、a 1 2 0 3 等) 而成。涂层作为一个化学屏障和热屏障并具有很高 的硬度和耐热性，因此可适应高速切削的要求，并能提高刀具的寿命，通常涂层刀 具的寿命可比未涂层刀具高2 5 倍。 涂层除可采用单涂层外，也可采用双涂层利多涂层，如t i c a 1 2 0 3 、t i c t i c n t i n 、 t i c t i c n a 1 2 0 3t i c a 1 2 0 3 t i n 以及由多层的a 1 2 0 3 t i n 组成的涂层等。采用多涂层 的目的是综合利用各种涂层成分的优点，使其获得更为优良的综合性能。 目前我国已有双涂层利三涂层刀片的产品，如抹洲硬质合金厂生产的y b 、c n 和c a 系列的涂层刀片。y b 系列是引进瑞典s a n d v i k 公司技术生产的三涂层刀片， 其涂层材料为t i c + a 1 2 0 3 + t i n ，y b 4 3 5 ( 相当于g c 4 3 5 ) 适于钢和铸铁等材料的粗加工 和半精加工。 三陶瓷刀具材料h 8 i 陶瓷材料具有很高的硬度、耐磨性能及良好的高温力学性能，与余属的亲和力小， 不宜与金属产生粘结，并且化学稳定性好，所以被广泛应用于高速切削加工中。常 。用的有a 1 2 0 3 基陶瓷和s i 3 n 4 基陶瓷两大类。 a 1 2 0 3 基主要用于切削淬硬钢和各种耐磨铸铁。我国生产的m 1 6 、a g 2 、s g 3 、 s g 4 牌号均属这种陶瓷。近年来，还在a 1 2 0 3 中添加2 0 - 3 0 s i c 晶须，形成了“晶 须增韧陶瓷”这种陶瓷材料适于加工镍基台余、高硬度铸铁和淬硬钢等材料。我国 生产牌号有j x 系列和a w 9 等。 s i 3 n 4 基陶瓷的特点是其强度和韧性、高温硬度、热导率等都明显高于a 1 2 0 3 基 陶瓷，因此具有良好的抗热振性和抗冲击性能，适于加工铸铁、高温合金和镍基合 会等材料。我国生产牌号有f d 0 1 、f d 0 2 、f d 0 3 、s m 、s w 2 1 、t p 4 、s c 3 等。 四聚晶会刚石刀具( p c d ) i 7 圳 p c d 刀具具有极高的硬度和俐磨性、各向异性、很低的摩擦系数、锋利的刀刃、 很高的导热性能、较低的热膨胀系数，特别适合于加二难加工材料和粘结性强的有 色会属如铜合会，对非会属材料和复合材料p c d 刀具均有优良的切削性能。汽车 和飞机工业是p c d 刀具高速切削的重要领域，如大众汽车公司采用p c d 刀具加工 r 铝合余缸盖的切削速度达2 9 0 0 m m i n 。 ( 5 ) 立方氮化硼( c b n ) 刀具】 立方氮化硼具有很高的硬度和耐磨性，c b n 微粉未的显微硬度为h v 8 0 0 0 - - 山东大学硕士学位论文 9 0 0 0 ：同时它还具有很高的热稳定性c b n 的俐热性可达到1 4 0 0 一1 5 0 0 。c ：c b n 还具有优良的化学稳定性。c b n 以其高硬度、向寸磨性及良好的高温化学稳定性能 够高速切削淬火钢、冷硬铸铁、镍基合会、钛合会及各种热喷涂材料。 世界上没有力能的刀具材料。高速切削时埘4 ：同的工件材料要选用与其合理匹配 的刀具材料和适应的加工方式，j 能获得最佳的训削效果【”。各种高速切削刀具材料 的选用如表1 1 所示。 从表l - l 中可以看出，不同的工件材料，与之匹配的高速切削刀具材料也不同， 它们的主要选择如下： 1 加工铝合金：p c d 为主。 2 加工皤铁：陶瓷刀具为主。涂层7 j 县，金属陶瓷，c b n 也可但c b n 不能加工铁素体为主的铸铁。 3 加工钢及其合金：陶瓷刀具和p c b n 刀具加工高硬钢：陶瓷刀具、余属 陶瓷刀具加工普通钢。但主要以陶瓷刀具为主。 4 加工高温镍基合会：晶须增韧陶瓷刀具、s i a l o n 陶瓷刀具和c b n 刀具。 5 加工钛合会：硬质合会k 1 0 。 表i i 各种刀具所适合加 的工件材料【2 操攮局佩 刀具r 亩硬钢铁合会铸铁纯钢高硅铝合令 合会 涂层硬质 a a 良优i f i 【| 1优优尚可 t i c ( n ) 基 硬质合会 尚可不合适不合适优尚可不合适 陶瓷刀具优不合适优优尚可不合适 p c b n优 良优良尚可尚可 p c d 不合适优不合适不台适不合适优 - 1 2 2 高速切削刀具的几何结构设计 迄今还没有高速切削刀具几何结构设计的普遍原则和通用标准。随着高速切削在 山东大学硕士学位论文 钛合会、镍基合余及高强高硬合会材料加工中的广泛应用，和对刀具切削性能及设 计规范要求的提高，刀具的几何结构，尤其州区的几何葭计就尤为重要1 1 2 】。事实上 世界各主要公司的产品都有些主要用于高速切削的规格，如山特维克的 s p u n 2 5 0 6 2 0 t s 口高速铣刀片，住友的s n g n l 2 0 4 1 2 ( n b 9 0 s ) 刀片。根据高速切削的 特点和研究实践，刀具的几何结构设计主要有如下内容。 1 刀具的主要切削角度 高速切削在前刀面紧靠切削刃处形成月牙沣磨损，这使切削刃的强度和散热能力 减弱易产生各种刃口损伤。显然若刃口处于前刀面的最低位置或使刀面外凸， 就能有效减少月牙沣对刃口造成的不利影响。因此高速切削尤其断续切削强度硬度 较高的材料时，切削刃的法向前角尽量取小或取负值，法向后角可相应增大一些。 但若前角很小或取负值，切削力将会上升，因此存在一个合理前角。后角也同理。 表1 2 所示为高速切削与普通切削刀具前、后角的对比i | 2 i 。 表l 一2高速切削与普通切削刀具角度的对比 高速切削普通切削 切削材料 前角后角前角后角 铝合会1 2o 1 5 o 1 3 o 2 0 。3 0 o 8o 1 2 0 普通钢 0 o 1 6 o 1 0 。2 0 o 5 。8 o 难切钢 0 o 2 0 o 5o 1 0 o 6o 8 o 铸铁 0 o 1 2 o 5o 1 5 o 4 。6 o 韧铜合会 8 o 1 6 o 15o 2 5 o 8 。1 2 。 表1 2 所示为几种用于高速切削的刀具产品的角度，车刀片前角的取值范围较 大立铣刀因具有螺旋刃，刀齿逐渐切入，冲击小，耿较大的前角，但高速切削立 铣刀的螺旋角较小，前角取值也不应太大。 2 刃形结构 切削刃边界的缺口破损和刀尖处的热磨损是高速切削刀具的另一特征。因此，设 计应使主、副刀刃在刀尖处逐渐过渡增大刀尖角，加大刀尖区切削刃的长度和刀 尖材料的体积。而在刃形设计时应使边界处的切削厚度逐渐减薄，以减缓边界处的 应力梯度和温度梯度。 高速切削刀具的切削部分应短一些，以提高刀具的刚性和减小刀刃破损的概率。 如陶瓷铣刀的切削部分就较短，钻头副刃的倒锥就比较大。 山东大学硕士学位论文 3 无排屑干涉自由切削刀具的研制 很显然采用零或负胁角，刀尖用圆弧或多个直线刃过渡虽然对高速切削的月 牙沣磨损、刀尖热磨损和边界缺口损伤都产生了明显的抑制作用，但同时也使排屑 干涉加剧，切削变形增大，切削力、温度也相应增加。因此，负前角值不能过于增 加刀尖圆弧半径不能太大，主偏角不能太小( 易引起振动) ，也即前述方法对刀尖性 能的改善是有局限的。 近年来对非自出切削及其排屑干涉进行的大量的研究结果显示，排屑干涉的影响 可使切削力上升5 0 。高速切削的排屑干涉问题将会更为突出，为此研制出一种新 型结构的刀具，它能够在几乎任何加工条件下疏导协调各段刀刃的排屑方向消除 干涉，实现切削力最小的自出切削。它的结构特点是曲面前刀面和空间曲线刃，切 削刃上的法向前角可调整为零或负值，而工作前角为合适的证值。因而这种刀具的 切削力小，刃口强度高抗高速切削的磨损破损能力大大增强。 1 2 3 高速切削刀具的刀柄系统 高速切削条件下工具与机床的连接必须可靠，工具系统应有足够的整体刚性，刀 具与主轴的联结问题会严重影响高速切削的可靠性及机床主轴的动平衡，成为限制 高速切削的薄弱环节之一旧| 3 “4 “”。 国标g b l 0 9 4 4 8 9 中规定的工具与机床联结方法采用7 ：2 4 椎柄。这种方法由于 只是靠大锥度结合，工具与主轴的联结刚性较低，当主轴转速超过1 0 0 0 0 r p m 时，由 于离心力的作用，主轴7 ：2 4 的大端会产生扩张，使工具定位精度和联结刚性下降， 振动加剧，甚至发生刀柄与主轴咬合的现象。 为解决上述问题，近几年束国际工具市场上推出了两种1 ：1 0 短锥空心刀柄，它 们都采用锥部与主轴端面同时接触的双定位方式。h s k 是德国亚琛工业大学开发的 工具系统它通过斜楔机构推丌丌口套筒，使空心柄部产生弹性变形来实现径向定 位，再用高精度凸缘端面来保证轴向定位和刚性，该刀柄的增力效果显著，可达牵 引力的3 倍。k m 是美国肯纳公司丌发的工具系统，它与h s k 的主要区别是央紧机 构不同，它由锁闭杆、滚动轮和钢球组成j 1 3j o 加紧时使用锁闭杆牵引，靠器械绵延 半径向外推钢球，使之于刀柄的倾斜孔相接触，能用较小的牵引力获得较大的央紧 力。h s k 和k _ m 工具系统有接触刚性好、央紧可靠、传递转矩大、重复定位精度高 ( 可达0 0 0 1 m m 0 0 0 2 5 m m ) ，可适应高速和换刀时划短以及固定与旋转刀具通用等 优点，为刀具提高切削效率和加工质量、减少磨损及破损创造了条件i i 。 61 2 4 刀具的动平衡技术 高速切削时刀具在高速旋转由于本身所具有的偏心量要承受很大的离心力，其作 山东大学硕士学位论文 用远远超过切削力成为刀具的主要载荷，离心力过大足以导致刀体破碎。因此， 研究高速铣刀的安全性技术尤其是刀具的动平衡技术，防止这种由离心力引起的工 具损坏，是进步发展和应用高速切削的必要前提，具有重要的现实意义【| 。 对高速铣刀安全性技术的研究，德国在九十年代初就丌始了，经过近十年的工作， 取得了一系列阶段性成果。推动了世界范围内高速切削技术的发展。 离心力的产生正是由于刀具本身存在4 i f 衔赝晕，当j 具高速或超高速旋转时， 刀具就会因为本身所具有的这个，f i 平衡质量m 产生惯性离一力，而且如果刀具的不 平衡量越大主轴转速越高，离心力就会越火。离心力如果足够大，它甚至可以使 刀具爆碎。离心力不但对刀具危害很大，而且剥整个加工系统产生的副作用也是很 大的，它使刀具寿命减少；影响主轴与刀柄连接状态，使联结刚度下降；同时还会 引起刀具及加紧机构质心的偏离，从而影响主轴的动平衡；使主轴轴承不仅受到方 向不断变化的径向力的作用而加速磨损；还会引起机床振动，降低加工精度甚至可 能造成事故1 i b j 。 回转系统( 包括主轴及刀具系统) 产生的不平衡1 是由多种原因引起的 1 刀具不平衡：( i ) 在刀具的冶炼结晶、热加工或冷加工过程中，出现金相 缺陷( 兴砂、裂纹、气孔等) ，从而使刀具质量减小引起不平衡，并降 低结构蝈度；( j j ) 刀具制造时j t 寸精度超差如刀柄嘲度、j _ j 心度的超差 是产生不平衡的主要原因；( i i i ) 4 e 对称刀具设计如不等深键槽、螺纹等也 是不平衡的潜在根源；( i v ) 使刀具产生偏移的非对称零件也会引起不平 衡，如刀具以非垂直角度切入工件时，产生不均匀刀具磨损、主轴偏斜： ( v ) 使用非对称刀具、刀杆或联结件部将产生不平衡：( v i ) 刀具系统装配时 多个零件组合的累积误差产生的径向偏移和不平衡。 2 主轴不平衡：( i ) 制造过程中产生的不平衡；( i i ) 回转精度差产生的不平衡 ( i i i ) 不均匀磨损引起的不平衡。 3 主轴一刀具界面上径向的装央误差引起的不平衡。 4 拉杆一盘形弹簧组件偏移引起的不平衡。 5 主轴一刀具连结面上杂物颗粒的污染以及冷却润滑液影响引起的不平 衡。 6 刀具在主轴上的重复安装精度也会影响刀具的旋转不平衡效果。 现代高速切削机床所用的主轴都已由制造厂家经过严格的动平衡测试，所以其回 转系统的不平衡主要是由于刀具不平衡引起的【“i 。要生产出平衡的刀具，在设计阶 山东大学硕士学位论文 段时就要对刀具的每个结构进行全面分析设计出十分可靠的刀具结构。 用于高速切削的回转刀具还必须在刀具动平衡机上经过动平衡测试。i s o l 9 4 0 1 规定了回转体动平衡后达到的平衡质量等级要求，对于高速铣刀，经动平衡后应能 达到i s 0 1 9 4 0 1 规定的g 4 0 平衡质量等级，实际上，目前某些精加工高速刀具不平 衡质量已达到了g 2 5 g i 0 ，甚至达到了g o 4 级c “i 。 1 2 5 高速切削机床 1 高速切削机床 要实现高速或超高速加工，机床或加工中心必须具备一些必要的特征”“6 “7 1 8 1 ) 稳定性好； 2 ) 高速调频的电主轴部件，主轴、电机一体化，实现无中问环结的直接驱动； 3 ) 快速的加减速功能： 4 ) 采用快速数控进给系统和丌放式的c p u ；控制装置要有预测能力。 2 高速切削机床的防护 从机床的防护结构方面考虑，机床必须设有安全防护墙( 或防护罩) 和门窗，机 床启动应与安全装置互锁。为防止刀具，央具在甩飞或爆碲时对操作者的伤害及周 围环境的破坏，配件厂应对机床防护罩的材料和结构进行研究。国外已丌发了安全 玻璃和聚合物玻璃两种材料，以及多层复合的结构，实验显示8 m m 厚聚合物玻璃的 强度相当于3 m m 厚的钢板，并且比安全玻璃能吸收更多的撞击能量，制造商正在对 其透明度和耐磨性进行改进【1 7 1 。 1 2 6 刀具的破损研究 不管是任何切削加工方式，刀具损坏的晟主要的两种形式就是磨损和破损；尤其 破损问题特别重要。当用脆性较大的月其村料断续j h 工高硬度材料，比如，用硬质 合会刀具铣削淬硬钢时，刀具的脆性破损就更加严重【“i 。据统计，硬质合余刀具约 有5 0 - 6 0 的损坏是脆性破损，陶瓷刀具的破损比例更高，新刀具材料应该试验其抗 破损的切削性能。 研究表明1 20 1 ，高速切削时，造成刀具损坏的最主要的原因是切削力和切削温度作 用下的机械磨损、粘结、化学磨损以及塑性变形等。高速切削时，刀具损坏形态主 要表现为后刀面磨损、崩刃、碎断、剥落等。其中，后刀面磨损、崩刃是高速切削 1 0 山东大学硕士学位论文 时最容易发生的刀具损坏形式。 切削时，出于高温和高压的作用有时在前、后刀面和切屑( 工件) 的接触层上 刀具表面发生塑性流动而世失切削能力。这是刀具的塑性破损i 。4 l 。根据刀具材料性 质不同，刀具塑性破损的切削条件各不相同。例如，碳素工具钢加工普通钢( 切削 厚度为o 3 - - , 0 4 r a m ) 时，其破损条件为v = 1 0 1 5 m r a i n ，此时切削温度达3 0 0 c ；硬 质合金刀具为v = 3 5 0 - - - 5 0 0 r r d m i n 达1 1 0 0 1 2 0 0 c 或更高。刀具塑性破损直接与刀具 材料和工件材料的硬度比有关。硬度比愈商，越不容易发生塑性破损。硬质合金刀 具的高温硬度大，一般不容易发生这种破损，而高速钢刀具因其耐热性较低，就常 出现这种现象。 提到切削温度，还必须了解温度对刀具材料强度性能的影响。切削温度对刀具材 料性能有重要影响，从大量的试验研究可以得出，随温度升高，刀具的各项强度如， 抗拉强度6b ，抗压强度6 - b ，抗弯强度6u ，疲劳强度6 1 ，冲击韧性ok ，硬度h v 以及抗热裂性等几乎都下降【”i 。这里所谓的切削温度是指刀具一切屑一工件接触面 的平均温度，是用自然热电偶法测出的。切削温度主要受切削用量、工件材料、刀 具角度的影响。 高速铣削时，切削温度的周期变化范围很大，必然导致刀楔内产生高的周期性拉 伸应力。这样，在机械载荷和热应力的综合作用下，高速铣削刀具往往会发生形式 为崩刃、碎断、剥落等的脆性破损。 c 1 3 课题主要进行的工作 该课题的主要工作是： 1 根据立铣刀的几何结构和实际工作条件，建立立铣刀的实体几何模型和正确的受 力模型，作为以后有限元分析计算的基础。 2 用有限元软件分析高速旋转铣刀在受工件材料、刀具材料、刀具直径、刀具悬臂 长度、切削用量、偏心不平衡量等的影响下，刀具内部的应力场分布及其变化。 3 用有限元软件着重分析高速旋转状态下离心力对立铣刀刀具应力状态的影响，确 定刀具在承受很大的离心力作用下的应力场分布。 4 用有限元模念分析方法计算刀具的固有振动频率，并分析当刀具的央持长度不同 时其固有频率的变化。 5 在试验中，用压电式测力仪测出一把直径已定的硬质合会立铣刀铣削灰铸铁时在 不同的切削用量下的切削力，并对实验结果进行处理，得出切削分力随切削用量 变化时的规律。 山东大学硕士学位论文 1 4 本章小结 随着制造技术的全面进步，切削加工诈在进入高速或超高速切削发展阶段，与普 通切削不同的是高速或超高速切削时的刀具除了承受切削力以外，还要承受很大 的离心力而且离心力的作用要远远大于切削力的作用，成为刀具的主要载荷。如 果离心力过大，往往会导致机央式刀只的火紧火效，进而导致刀体爆碎；或者将导 致整体式刀具的过度弯曲而断裂，因此，研究高速铣刀的安全性技术，防止这种由 离心力引起的工具损坏，是进一步发展和应用高速切削的必要前提，具有重要的现 实意义。 本课题重点分析高速铣刀的内部应力状念受各种加工条件变化而变化的规律重 点讨论主轴转速和离心力对刀具应力场的影响，得出相关结论。本课题可为有限元 方法研究高速铣削刀具的应力场提供参考，也可作为其它高速切削刀具应力分析的 基础。 1 2 山东大学硕士学位论文 2 基于有限元方法的高速铣刀力学模型的建立 2 1 高速旋转立铣刀所受负载的确定 铣削是目前高速切削应用的主要工艺，铣刀是主要的高速切削刀具，包括面铣刀、 立铣刀和模具铣刀。普通铣削刀具在工作时主要承受切削力的作用；而高速铣刀与 普通铣刀不同，除了承受切削力以外。这类刀具在高速或超高速旋转时各部分都要 承受很大的离心力而且其作用远远超过切削力的作用，成为刀具的主要载荷，甚 至会导致刀具的破损。 2 1 1 立铣刀所受切削力的计算 高速铣削与普通铣削的不同之处在于高速切削的切削速度一般为普通切削的 5 - 1 0 倍，所以在计算高速铣削刀具所受切削力的时候采用普通铣削中采用的切削力 的经验计算公式。 。高速铣刀在工作时所受切削力也是一个空间力2 “。它有三部分组成：切向铣削分 力f z ，径向铣削分力f ，轴向铣削分力f 。在考虑高速铣刀所受的切削力时，主要 、考虑切向铣削分力也就是主铣削力f z ，因为它在铣削合力中占了最大分量。大大超 过了其它两个分力川。 铣削力的计算是十分重要的但由于铣削过程的特点，对铣削力作纯理论推导是 很困难的，目前是借助车削过程中切削力的经验计算公式来推导铣削力，圆周力的 计算公式为川： f ：竺垡型：堕：刍)( 2 1 ) d 。”月” 4 式中：f 为主切削力，单位：n 口。为背吃刀量，单位：r a m ； 奄 正为每齿进给量，单位：m m z 口，为侧吃刀量，单位：m m ； 山东大学硕士学位论文 z 为铣刀齿数，d 。是刀具的最大外径，单位：m m 月是主轴转速，单位：r m i n 。 需要注意的是，铣刀加工的工件材料的强度和硬度改变时，铣刀的磨损量不同时， 所得铣削力的计算公式虽然