（机械制造及其自动化专业论文）hsm铣刀优化分析及系统研究.pdf

摘要 本论文运用高速切削理论及弹塑性力学 对高速铣削过程中铣刀所受的铣削 力和离心力进行分析 从切削原理出发 建立铣刀几何实体模型和受力模型 应 用有限元方法对高速铣削过程刀具的应力场进行模拟和分析 比较系统的考查了 刀具几何参数 铣削用量等 为高速铣刀的结构设计及高速加工切削用量的合理 选择提供了一定的基础 通过对高速铣削时刀具承受载荷的具体分析 利用有限元软件a n s y s 中的 a p d l 参数化设计语言 和u i d l 用户界面语言 对铣刀所受的铣削力载荷和 离心力载荷进行动态参数化建模 确定高速铣刀的应力应变状态 对于高速铣刀 的几何参数的有限元分析 主要是从铣刀的前角 螺旋角 刀齿数 径长比和切 入角等因素着手进行分析 在高速铣刀的铣削用量的选用方面 详细研究了主轴 转速 每齿进给量 背吃刀量 侧吃刀量的改变对铣刀的应力分布状态的影响 另外对于不同于传统铣刀的高速铣刀不平衡离心力的研究中 主要分析了影响刀 具不平衡量的刀具系统质量和平衡等级g 参数 关键词 高速铣刀铣削力离心力应力场有限元 h i g hs p e e dm i l l i n gc u t t e ro p t i m i z a t i o na n a l y s i s a n ds y s t e mr e s e a r c h a b s t r a c t i nt h i sp a p e r t h ec u t t e r sm i l l i n gf o r c ea n dt h ec e n t r i f u g a lf o r c ea r em o d e l e d b a s e do nt h eh i 吵s p e e dc u t t i n g h s c t h e o r ya n dt h e e l a s t i c 时a n dp l a s t i c i t y m e c h a n i c s t h em i l l i n gc u r e r ss t r e s sf i e l di sa n a l y z e db yt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s s o f t w a r e a n s y s i te x a m i n e st h ec u r e r s g e o m e t r y s t r u c t u r ea n dm i l l i n g p a r a m e t e r 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 m c t u r a ld e s i g no ft h e m i l l i n gc u t t e ra n dt h er e a s o n a b l ec h o i c eo f t h ec u r i n gc o n d i t i o n t h r o u g hi n v e s t i g a t i n gt h es t r e s sd i s t r i b u t i o no f t h em i l l i n gc u r e ra n dm a k i n gu s e o fa n s y ss o f t w a r e si n n e rd e v e l o p i n gt o o l s a n s y sp a r a m e t r i cd e s i g nl a n g u a g e a p d la n du s e ri n t e r f a c ed e s i g nl a n g u a g e u i d l t h ep a r a m e t r i cm o d e l i n go f m i l l i n gf o r c ea n dc e n t r i f u g a lf o r c ei sf o r m e d b ya n a l y z i n gt h ed i f f e r e n tf r o n ta n g l e s h e l i xa n g l e sa n dc u t i na n g l e so ft h em i l l i n gc u r e r t h es t r e s sa n ds t r a i nd i s t r i b u t i o n s o fc u r e ra r eo b t a i n e d s t r e s sf i e l d so ft h em i l l i n gc u r e rw i t l ld i f f e r e n td i a m e t e ra n d d i f f e r e n to v e r h a n gl e n g t ha r ea l s oc a l c u l a t e d a sf a ra sm i l l i n gp a r a m e t e r si nh s ca r e c o n c e r n e d t h er o t a t es p e e d t h ef e e dr a t e t h ec u r i n gd e p t ha n ds i d e c u t t i n gd e p t hi s i n v e s t i g a t e d t h ed i s t r i b u t i o no ft h ec e n t r i f u g a lf o r c ef i e l do ft h em i l l i n gc u r e ri n h s ci sa l s oa n a l y z e d w h i c hi n d i c a t e st h ei n f l u e n c eo ft h er o t a t e s p e e da n d e c c e n t r i c i t i e s t h ec u r e r sq u a l i t ya n db a l a n c eg r a d ep a r a m e t e rf gp a r a m e t e r a r e b o t hh i 曲e n o u 出 t h ee c c e n t r i c i t i e sw i l li n c r e a s ev e r yh i 啦 k e y w o r d s h i g hs p e e dc u t t e r m i l l i n gf o r c ec e n t r i f u g a lf o r c e s t r e s sf i e l d a n s y s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得魄研究成果 据我所知 除了文申特剔加以标注和致谢魏地 方以外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包 含为获得塞邀望王态堂或其他教育机构的学位或证书稀使用 过的材料 与我一疑王作的嗣志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意 学位论文 享者签名 蒌雅签字翘期 妒蜉f 月蜘 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了姆塞燮萋兰盘堂有塔馨 使用学 位论文的规定 即 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单 位属于安徽理王大学 学校有权保露并崮落家有关部f 1 或枫构送交论 文的复印 牛和磁盘 允许论文被查阅和借阅 本人授权塞徽翌三 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索 可以采用影露 臻印或扫撼等复割手段保存 汇缡学位论文 保 密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者叛萎搬 锄戥亏受 签字窭期 渺婷鞠强瑶 签字基期 知f 年夕月拥 h s m 铣刀优化分析及系统研究 1 1 高速加工系统关键技术综述 第一章绪论 塞速麓5 1 2 h i g hs p e e dm a c h i n i n g 巍蔗速甥戮 h i 馥s p e e dc u t t i n g 分裂 简称h s m 和h s c 它是指在比常规切削速度高出几倍甚麓是几十倍的速度下进 行熬8 慰露蘧豢韬裁逮发豹提巅 进绘速度也大幢疫提舞 且具有镊好熬热减 速性能 能在短时间内盼陡速加速和准停的切削加工 h 8 m h s c 是近十年来迅 速龌起的 项先进露l 造技术 由予h s m h s c 使汽车 模舆 飞枫 轻工鄹信息 等行业的嫩产率和制造质懋显著提高 加工工艺及装备更新换代 因此商遽加工 麓速切划 继数控技术之后已成为2 0 溅纪机械制造业 场深远影响的技术革 命 目前适应h s m h s c 蘩求的高途加工中心及其它商速数控机麻已成为我国许 多产业部门的进口热点 缎由于国内一些企业在加工理论研究 技术协调簿方面 与鞫际上h s m h s c 盼要求有一定差距 造成不少高速视臻整机 零帮伟设各选 型不科学 设备安装后不能达到使用要求 其高遵效能得不到充分发挥 产生了 诲多不必癸的浪费 这裁簧求我稍必须鼠系统工程酶窿寝来看德h s m i s c 下图1 1 为商速加工系统关键技术的组成图 塑1 1 藩速翔王系统豹关键技拳缀斌謦 从图1 1 中可以看出高速加工系统的关键技术是由溉部分缀成 商速切削 裁理 衰逮单元技零 极殊整枫救零 工芑技术 工 孛缝 孛等 高速加工技术的应用和发展怒以高滤切削机瑕为理论罄础的 通过对离速加 h s m 铣刀优化分析及系统研究 工中切露藏鍪祝毽 锈瓤力 韬削热 刀熊蘑损 袋面囊豢等按零静醑究为开发 高速机床 高速加正刀具提供了理论指导 高速切削机理的主要研究方面 1 窿速鸯露王基本燕律静臻究 霹态遗甥剡秘工孛麓甥裂力 留辫滋凄 刀具磨损 刀具耐用度和加工质量等现象及加工参数对这贱现象的影响规律进行 疆宠 提蹬羡躞其内在联系豹数学模型 工艺参数疲基予建立戆数学模型及多銎 标优化的结果 2 褰速切燃建撂技术研究 秘蠲成熬理实秘弦囊技术 纛拟蹇速期工过 程中刀具和工件相对运动的作用过程 对切屑形成过程进行动态仿真 显示加工 过程中的热滚 摆变 温发及应力分布等 预测被加工工件的加工质量 磷究切 削速度 避给量 刀具和榭料以及其它切涮参数对加工的影响 当然高速切肖 机 理的研究还包括高速切削过程中切屑的成彤机理研究 对备种被加工材料的高速 讶削杌理的研究等等方面 高速单元技术 又称离速机床的功能部件 和机床整机技术是实现高速加工 静前提和藻本条锌 除了簧求租床的高速讫 还要求祝床矮有商耩度和离游动 静冈 度 商速单元技术主袋包括高速主轴单元 高速进给系统 高速c n c 控制 系统等 1 简速主轴单元在很大程度上决定了机床所能达到的切削速度 加工精 瘦辩应蠲藏藿 一般徼残穗主麓豹缝秘形式 2 高速进给系统是维持高速刀具正常工作的必要条件 不仪要高逋性还 要矮骞缀丈黪燕遮发寒定稼精度 嚣翦鬻援豹毫速送给系统主要骞三移骡凑形 式 高速滚珠丝杠 直线电动机和虚拟轴机构 3 麓速c n c 控制系缝是决蹙裹速鸯爨工精度豹最主要因素 它是发出位置 指令的单元 具有预处理 l o o k a h e a d 功能 n u r b s 插补功能和很好的网上通 信糍力等 遮藏要求加工道程中全部信息实现c a d c a m c n c 之间赡无缝连接 传统数控机床使用的i s 0 6 9 8 3 g m 代码 必定义了刀位的轨迹 机床的愆动速 度 开关动作 不包含产品数据的其他信息 因此c n c 系统不可能获褥完熬的产 品信感 熨不可熊潦先智能化 若对g 鹾代礴避行了规定语义之矫的扩震 藏 可能会造成不同高速机床的c n c 系统的无法识别 以至c a d c a m c n c 的强不兼 容 丽薪黧高速c n c 控隶l 器是采用了基于s t e p s t a n d a r df o rt h ee x c h a n g eo f p r o d u c tm o d e ld a t a 产品模型数据转换标准i s 0 1 0 3 0 3 的c n c 新型控制器 可 激後震s t e p n c 文 孛禳摇零释穰遮特 垂遘移鸯噩工 突瑷了c a m 各系绫之瓣瓣数撂 交流和共事 而且使得基于s t e p n c 的c n c 系统与基于s t e p n c 的所有 c a x 系统之阔爵实瑷双囊笼缝连接e 机床整机技术包括刀柄与主轴的接口技术 刀具加紧方式 刀具系统以及 整个工艺系统豹动平囊技零 冷却蓉绞 高速切削安全装置及测试监控装嚣等等 工件魁高速加工实施的对象 如果采糟s t e p n c 新溅数控系统皿日采用特征 h s m 铣刀优化分析及系统研究 提取的方式配合相应的工作计划对工件进行加工 如图1 2 所示 工件计划由 若干工作步骤 w o r k i n g s t e p 组成 工作步骤将具体的特征与具体的操作 m a c h i n i n g o p e r a t i o n 联系起来 这里的操作 o p e r a t i o n 涉及加工方法 刀具 刀轨 工艺策略等 s t e p n c 中的特征包括加工特征 m a c h i n i n gf e a t u r e 重 复特征 r e p l i c a t ef e a t u r e 组合特征 c o m p o u n df e a t u r e 过渡特征 t r a n s i t i o n f e a t u r e 等 加工特征包括 平面 p a n a rf a c e 型腔 p o c k e t 槽 s l o t 阶 梯 s t e p 圆孔 r o u n d h o l e 凸台 b o s s 球冠 s p h e r i c a lc a p 螺纹 t h r e a d 刀轨特征 t o o l p a t hf e a t u r e 部分圆柱体 r o u n d e de n d 一般轮廓特征 p r o f i l e f e a t u r e 重复特征是表征某一相同类型的加工特征的重复出现 如一圆面上均 布着8 个凸台 而组合特征则是表征至少两种以上加工特征的组合出现 如阶梯 孔 过渡特征用于表征两特征之间的过渡部分 如倒角 c h a m f e r 过渡圆角 f i l l e t 图1 2 基于s t e p n c 系统的特征提取加工工件示意图 高速切削的工艺技术也是成功进行高速加工的必要保证 它包括 1 切削方法和切削参数的选择和优化 如刀具接近工件的方向 进刀的 h s i d 铣刀优化分析及系统研究 角度 切黼过程种藩铣或逆铣 等 2 刀具材料和刀具几何参数的选择 3 对各释不同材瓣静讶麓策珞 翔切胬镭 锅台龛 镶 铸铰等橇理不 同的材料时 除了切削参数和刀具几何参数选择不同以外 还要选择不同的加工 繁路才麓敬褥较好翁穗翻散采 4 高速加工工艺数据库的建立 根据所加工材料 加工工序 工蕊实验 参数等建立甥蘩热王手臻 5 检测和控制并不独立构成工艺过程 它们附属于每个工艺环节而存在 以提意各个环节黔技术水乎巍质爨 又称过程监控 本文主要是针对高速加工刀凝的研究 从上面的综述w 以看出高速加工的刀 具技术戴涉及到商速切削机理 工艺技术稠枧床整机技术三大扳块 由于刀具在 铣削时要接触到工件材料 转速受高速主轴单元撩制 还疆间接涉及到工件和高 速单元技术两个板蛱 12 高速铣削刀具技术的发展现状及存在问题 1 2 1 镜潮力建攘菠术 高速铣削是h s m 技术 在模具制造业得到广泛应用与发展的一种新的制 造技术 对子这一勰瑟靛筏零矮域疆裕麓难题 关键要菝纛蠢速切麓税瑾豹突疆 研究高精度的模拟仿真技术将成为解决切削机理问题的突破点之 而建立与实 嚣甥裂遵穗褶符合黪凌妻g 模垂 是茭关键 下瑟藏遥是年来烫内努专寡 学学在商 遮铣削理论研究方面的进展情况做一概括 1 解接力学建摸 壤甥震形残为疆究切入点 邋过对切攫形成过程的 建模与仿真 分析切削过程中产生的应力 应变 摩擦力及切削力的规律 以 o x l e y s 切削预掇理论和m e r c h a n t s 切削理论为基础 应用剪切潜移理论 以刀 属剪切区 i i i 为研究对象 仅考虑影响切嗣性能的燕要因紊 确定以计算 赘切角为燕的力学模型 i i 基于弹塑性力学 微分几何学 建立练合力学模型 研究切削力变化娩律 假定切削力与切削横截瑟积成正汜 建立铣翻模型 f k b h 足 切削力系数 b 一切屑宽度 h 一切屑厚度 根据刀具几何 角度 讶削条俘 工侔丰芎籽萑琵确定墨 鼹两确定韬甏力 l 珏 滋荤德讶瓣力为 切入点 研究切削力变化规律 其思路是建立切向 径向切削力模型 根据从实 际勰工中牧集蓟豹韬懿力数雍 灌遘薅立时交换镄舞单位镯蘩力熬太枣 褥臻甥 削试验验证估算结果的正确性 2 骞隈元数蓬模羧法 建建有隈元分辑 f e a 鼹凌削过程建模移镑真 已有3 0 年的历史 金属切削过獠中既有弹性变形 又有妲性变形 还有很高的 韬裂洹度及复杂懿潦擦蘩件 基予这耪藏提 f e a 大大提褰了分辑耩度 由此 可见 用有限元方法对切自 过程进行模拟研究具肖很大优势 特剐是三雅模拟 h s m 铣刀优化分析及系统研究 将是今厝发展的主要方向 3 诤经霹络建搂方法 入王霉孛经溺终 烈心 莛 静不需要模鍪戆颈溺 系统 在没有数学模型的情况下 a n n 能够模拟现实系统复杂的输入输出必系 具有较强的非线性建横能力和良好的容错性能 a n n 是近年切削过程分析发展 验毅方内 2 2 刀具耪籽及结糍 表1 一l 将适合高速切削的几大炎刀具材料的性能和应用范围进行了比较 表1 1 高速切削刀具材料的性能与应用比较m 利用刀具涂层技术可使高速刀嶷同时具有抗冲击韧度 商的耐磨性 热硬性 h s m 铣刀优化分析及系统研究 荮等饶点 在这耱憋想疆譬下先螽窭现了疆屡台金涂瑟刀鬟 c b n 立方氨纯硼 涂朦刀具 p c d 聚晶金刚石 涂艨刀具 陶瓷涂朦刀具等复合材料新刀具 刀 其涂凄技拳器蓑哥潮分瓷魂大类 2 0 毽纪躺年代蹬凌懿纯学气辐滋积c v d 技术 和2 0 世纪7 0 年代求出现的物理气相沉积p v d 技术 陶瓷刀具包括金属陶瓷 以 t i c t i n 为基薅以辩i 为糕络裁热入少量其它挂辩嚣影残 戴诧锓a l 热羯瓷 氢 化硅s i n 陶瓷 晶须强化陶瓷 涂层陶瓷刀具等 也可用于高速切削的刀嶷 采舞c b n s i n 陶瓷 t i 基陶瓷 t i c n 涂屡刀其加工搿强度铸铁终 糖锻结 构镧件等铁族元素柑料 采用p c d 超细硬质台金刀具加工有色金属和非众属材 料 采用熬须强化陶瓷加工篱温镍n i 基合金 采用高e o 粉末冶金高速钢 表面 涂糕t i c n 涂层 整体拉刀 滚刀 剃齿刀以及硬质会金机夹组合专用拉刀加工各 种精锻钢件 铸铁件 此外 正在研究钇 钒类新的涂层材料 迄今还没有商速切削刀其几俺机构设计的舀舔标准 黼速切削中 大爨应用 涂膘和压层刀具技术 镶嵌式刀具使用量很大 3 高速切削使用的嵌入式刀具 刀片要紧紧嵌入刀俸耱卡禳态 然藤再奁与离心力灏壹静方岛 上蘑螺钌将刃片綮 固谯刀体上 在刀体结构中采用新烈的空心杆刀柄 刀体的结构对称性较好 刃 部较短 稳予减少刀具酌不平饔饔t 力 菇强采薅攀鬣受蘩建 刀尖矮瑟蔽或多 个随线刃道渡 对黼速切削刀具的月牙洼磨损 刀炎热磨损和边界缺口损伤都能 起到臻显斡簿制 筝援 翟涎年来对予离速讶潮刃鼷撵蘑予涉送行戆大量磷究显 示 排屑干涉影响可使高速刀具的切削力上升5 0 左右 这会导数刀具的切削 变形 甥削力期切燃温发攒禽 所以骞速老翼互的刀其的结秘 般采髑基面蔚刀秀 和空间曲线刃 切削刃上的法向前角调整至零或负俊 而工作前角采用正德 且 刀体上一般具有较大匏窑震空闻 蚤类复合 组合 式高速切削刀具的结构设计与 制造技术将成为刀鼹品种发展的主导技术 采用无蘑加工方式的搓 挤 滚征成 形炎刀具的应用也会更加广泛 1 2 3 刃舆与辊床拘接口羧术 在高遮切削的条件下 传统的数控机床 刀具的连接系统会出现下列问题 1 程祝床离速运转下 簧统豹露其帮刀稿 主轴锻藐斡配合方式及配合 精度已不能满足切削刚度和精度的要求 需要寻求新的刀具和刀柄的连接方式 必头技术 积刃藕帮裰藤主辘戆连接方式 2 柱高速邋转条件下 刀具系统的微小不平衡都可能造成融大的离心力 萼l 起壤庆秘鲡工过程靛急暴4 攘动 酝滋寒邃宓簦工中刀其懿动平餐超越是菲鬻重要 的 2 3 高速刃具尖头技零 世界上生产夹头的著名公司如德国s c h u n k 德国o t t o b l l z 日本大昭 翘糖援榇武会社等公司分别开发出三棱变形静压夹头 热装夹头 筒精度弹簧夹 头蹲新产晶 这些必头共裔的特点是 夹紧精度商 加工耩度高 传递转矩大 一6 h s m 铣刀优化分析及系统研究 结构对称性好 利于刀具系统的动平衡 外形尺寸小等 三棱变形静压夹头是一种无夹紧元件的夹头 利用液压装置对夹头施加外 力 使夹头变形 靠夹头本身的变形力夹紧刀具 刀具装卸方便 且对不同膨胀 系数的硬质合金刀柄和高速钢刀柄均可适用 热装夹头是继液压夹头之后开发出 的另一种新型无夹紧元件夹头 利用热感应装置 使刀柄的夹持部分在短时间内 加热膨胀 此时迅速将刀具装入刀柄内 刀柄冷却收缩时即可在刀具的被夹持面 上施加均匀的压力夹紧刀具 传递的转矩更大 但刀具装卸时间较长且操作不方 便 高精度弹簧夹头是靠预紧螺母来施加夹紧力夹紧刀具的 但要考虑螺纹精度 对夹持精度的影响 在第七届中国国际机床展览会 c m i t 2 0 0 1 上 还推出了一些被改进的夹 头如 s a n d v i k 刀具公司的c o r o g r i p 夹头借助液压装置推动锥套 刚性优 于液压夹头 装夹时间短于热装夹头 日本n t 公司的径向可调的弹簧夹头 将 刀胃 径向圆跳动误差调至o 0 0 2 m m 以下 又称 零跳动夹头 1 2 3 2 刀柄和机床主轴连接方式 要使刀 轴连接具有良好的高速性能 最佳途径就是将仅靠锥面连接定位改 为锥面和端面同时接触定位的过定位方案 后者已成为高速刀具和主轴连接的主 要结构形式 目前具有代表性的是德国h s k 刀柄 美国k m 刀柄以及日本 b i g p l u s 刀柄等 德国h s k 刀柄和美国k m 刀柄摒弃了7 2 4 标准锥度而采 用1 1 0 的短锥面刀柄 日本b i g p l u s 刀柄和美国的w s u 刀柄是在原有7 2 4 锥度的基础上进行改进的刀柄结构 纵观世界各国和各大刀具公司在高速刀 柄的开发和应用方面的情况 应用量比较大的主要是德国h s k 刀柄和美国k m 刀柄 美国k m 刀柄也主要应用于美国市场 在国际刀柄市场上独占鳌头的只有 德国h s k 刀柄 且h s k 刀柄标准已形成国际标准 下面主要看看德国h s k 刀 柄的发展现状 1 9 9 1 年德国a c h e n 工业大学机床研究所完成了h s k 刀柄的设计与实验 并 开始在德国的一些机床厂试用 1 9 9 1 年1 0 月德国d i n 标准研究小组在其研究基 础之上 发布了两个刀柄试行标准 d i n 6 9 6 9 3 空心短圆柱刀柄和d i n 6 9 8 9 3 空 心短圆锥刀柄 1 9 9 4 年d a r m s t a d t 工业大学开发出h s k 刀柄的e 型和f 型 1 9 9 6 年德国d i n 6 9 8 9 3 标准发布了现有的h s k 刀柄系统 并同时发布了安装h s k 刀 柄的主轴锥孔的标准d i n6 9 0 6 3 目前已形成国际刀柄标准 世界上各国大部分 的机床厂家在生产高速机床时 都把h s k 刀柄作为首选刀柄 1 2 3 3 高速刀具动平衡问题的研究 就旋转刀具和刀柄来说 目前还没有制定专门的用于不平衡量的衡量标准 国际上在进行刀具系统平衡时普遍采用i s 0 1 9 4 0 1 g 等级标准或美国标准 a n s i s 2 1 9 为了确定高速旋转刀具统一的合理平衡质量等级g 由德国政府和机 器制造商协会 v d m a 所属精密工具专业委员会牵头成立了工作组 将刀具动平衡 h s m 铣刀优化分析及系统研究 毅术作为一个 要求公开 豹顼磊遂行了系统磺究 研究缀的成羹来自糨关行监 及技术领域 如刀熟 机床和平衡机制造行业 用户行业 大学和研究机构等 报据谴弱筑疆究镰桨 提窭了 赢遮簇转刃具系统警黉要求 麓臻学性燕魏 舔琵 r i c h t l i n i e 虽然德重已濑台了蠢关刀具系统乎簿矮量黪攫导蛙文俘班及统一熬g 1 6 平 衡质量等级规定 但一些大型用户企业如b o s c ht e c h n o l o g y 公司 d a i m l e r c h r y s t e ra e r o s p a c e 公司等剩攫据刀具的使廷条传援定企业凑郝熬平掇矮藿等 级 美国b a l a d y n e 公司 肯纳金属k e n n a m e t a l 公司开发了刀具程线平衡系统 通过自动诚节刀栖配重盘的相对位置 系绫可实对澍主轴鞠刀具系统进 亍熬体平 衡 国际刀具制造业的 纯头企业 s a n d v i k 公司对进行了 具平衡实验挺出了 一蝗经验方法 包括选择短面轻的刀具 经常检查刀具和刀柄是否有裂缝 整体 不平衡力臻远小予饶骶力等等 1 2 4h s m 存在的定要问趟 我莺离速刃爨技术与邕井静差距主瑟表理程嵩往能刀其耪瓣f 包括表菁涂 层 材料 的研发 刀具制造工艺技术 刀具安全技术及刀具使用技术等领域 鼹予高速翡鬻税毽鹣蒸稿焚程研究氇箍予起步除段 1 合理的加工参数的选择 裹逮甥澍终兔 令囊鹣甥翻方式 滗没毒完整弱热工参鼗表露镞选择 选没 有现成的加工实例可供参考 目前国内大部分制谶企业 尤其是国凿企业 均未建 立每本垒l 蛀牙渡 逶应豹惑速切粼数据瘁 蓬逮刀具裁造工艺表 嶷速甥削刀具 材料选用平册 因此 如何选择合理的加工参数 达到最健的切削结果是高速加 工疆究中存在豹一个阂题 2 合理的刀具选择 刀具弦为高遮加工的切削工具 是高遴切削搬广应用的一个关键问题 传统 切削中切黼速度一般都不超过2 0 0 m r a i n 函瞎在黼内市场上要寻找一把切削速 度超过5 0 0 m m i n 的铣刀嫩很困难的 更不用说切削速度越过1 0 0 0 r n m i n 的铣刀 了 3 大多数c a m 软件来考虑高速切削问题 宙予离速镯魏楚一静薪静霸王疆念 掰戳在众多熬c a m 较羚中 帮没骞考 虑到高速切削问题 例如 高速铣削复杂轮廓时 要求保持一种肖规律的匀速 不允诲毒鞫显豹澎慝瑷象 否裂荔等 霆驱凌铣刀褰逮旋转瓣电主辘堵转 烧嚣铣 刀 而一般c a m 软件用于加工复杂轮廓的n c 程序 在曲率变化大的位擞 为 了绦泛撬羚豹耪震 会毒骥显豹澎螽瑷象发生 1 3 本课磁的来源及研究意义 本课髓来源予安徽省教育厅自然科学姘究项霞 高速切痔 及其c n c 自动编程 书 h s m 铣刀优化分析及系统研究 技术的研究 项目编号 2 0 0 3 k j l 0 1 0 在以高科技产业为主要支柱 以智力资源为主要依托的知识经济时代 制造 业正在发生革命性的变化 制造技术正在发生质的飞跃 在制造技术中 伴随着 信息技术的发展 一方面是发展了自动化加工技术 另一方面是涌现了新工艺新 方法 典型代表就是高速加工技术 虚拟仿真制造技术等 高速加工比常规加工 的切削速度高出十倍 甚至是数十倍 进给速度也相应提高了5 1 0 倍 金属去 除率也比常规切削提高了3 6 倍 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 切屑成形过程以及刀具和工件之间接触面上发生 的各种现象都和传统切削条件下的情况大不相同 因此研究高速切削条件下的刀 具技术是进一步发展和应用高速切削技术的必要前提 具有重要的现实意义 该课题运用有限元方法重点分析了高速切削条件下铣刀的内部应力状态受 各种加工条件变化而发生改变的规律 较为系统 全面地研究了影响高速切削刀 具载荷稳定性的因素 为高速切削刀具的结构设计 切削条件的合理选择及刀具 轨迹的优化提供了有益的参考 本课题可作为有限元方法研究高速铣削刀具的应 力场和其他高速切削类刀具应力场分析的基础 1 4 论文主要研究内容 该论文的主要工作内容 1 综述高速切削理论 高速切削的关键技术以及高速切削中存在的一些问 题 2 简要介绍有限元法的求解思想 根据螺旋圆柱铣刀的几何结构和实际加 工条件 对铣刀进行合理的简化 建立近似的铣刀简化几何模型 分析铣刀在高 速铣削时受力情况和约束条件 建立铣削力和离心力的数学模型 并在有限元模 型的基础上正确施加载荷及位移边界条件 为后面有限元分析做好准备 3 基于a n s y s 软件对高速旋转的铣刀的应力场进行分析 并讨论刀具几何 参数 如 铣刀的前角 螺旋角 铣刀齿数 铣刀径长比 改变对高速铣刀的应 力应变分布状态的影响 对高速铣刀的几何结构进行优化 同时对于高速铣削刀 具进刀方式进行归纳和比较 并分别对几种进刀方式下不同切入角度的铣刀的受 载情况进行讨论 利用有限元软件对高速铣刀进行分析 并对分析结果进行比较 和总结 得出高速旋转铣刀在采用不同的进刀方式下载荷变化的规律 4 对刀具的切削用量 如主轴转速 每齿进给量 背吃刀量 侧吃刀量 因素改变时铣刀内部的应力场进行有限元分析 合理选择高速铣削用量 并着重 分析在刀具质量和采用不同的平衡等级g 参数情况下引起刀具不平衡量的变化 从而导致高速铣刀的惯性离心力数值的变化 并通过有限元分析确定承受不平衡 离心力的高速铣刀的应力场分布状态 t 5 利用有限元软件a n s y s 中的a p d l 参数化设计语言 和u i d l 用户界面 h s m 铣刀优化分析及系统研究 语言 对铣刀所受的铣削力载荷和离心力载荷进行动态参数化建模 并将其中 一组完整的程序语言附于论文中 h s m 铣刀优化分析及系统研究 第二章高速铣削有限元分析实施条件的建立 2 1 有限元法求解思路分析 有限元法是指将连续的结构离散成有限个单元 并且认为单元和单元之间仅 在节点处连接 同时选定一个场函数的节点值作为基本的未知量 且在单元中假 设一个近似的插值函数以表示单元中场函数的分布规律 进而利用变分原理 建 立一个求解节点未知量的有限元方程 从而将一个无限自由度的连续体转化为一 个有限自由度的问题 经过求解得到节点值 下面用较简单的结构来阐明有限元法的基本求解思 想 考虑一根等截面 将截面积假设为1 个单位 的均 匀弹性杆 杆的弹性模量为e 密度为p 由弹性力学 的几何方程 应力和位移关系 s x 孚和物理方程 应 靠 力和应变关系 盯 曲 e e 曲知道 只要求得位移函数 x 就可以得到应力分布和节点应变分布 1 结构离散 如图2 1 所示 在x 坐标轴方向将杆件离散成n 个单元 有 1 个节点 第f 个节点是单元e f l 和单元e 的连接点 2 选择位移插值函数图2 1 结构离散图 对于整个杆件来说 位移是未知的 但如果每个单元上的位移的变化是线 性的 对于每个单元来说 可以假设一个位移函数 该近似位移函数的值在节点 处等于节点的值 鲢 x 一 x i i 一 丝 旦 z 1 一j fx i 1 一x i f 兰 二苎兰二兰 甜 l x i 一x x i l x i l u j l j p e 2 1 式中 f 一位移插值基函数矩阵 p 一单元岛上的节点位移向量矩阵 由几何方程 应力和位移关系 将式 2 1 代入知 出 安 嚣 2 2 i t s m 铣刀优化分析及系统研究 出物理方稔 应力帮应交关系 幸簪式 2 2 铽入鲡 曲 占s x 丝坠二业 2 3 x 娃一x t 3 外溅荷向节点移置 蠡栗穆擎元分瓣足够缨 革元戆长发足够枣对 藏可以戮强静力等效瑟理 节 点载荷和原载荷在任何虚位移上所作的功相等 对单元上的重力向这个雎元的 诱壤苇点避程移置 热强2 2 爨示 g 山l 懿 圈2 2 重力移置节点i 考露溺每个鼙元上熬键移靛交仡是线键熬 摹元 窝单元8 靛重力分溺疑 两端移置 对应予单元e i 鄹单元8 的连接点f 所承受的载旖就为艘墅粤 二苎 立 这成为等效节点荷载 4 建立节点熬乎囊方程 节点j 受力平衡方程式 n h 旦塑b 掣 0 2 4 式中 n 一单元口 对节点 所产生的拉应力 由式 2 3 知 曼咝 l 2 丝 1 一z j 一单元e i l 对节点f 所产生的压 陂力 为一掣 代入式 2 4 年孽 墨l 堕二兰 一生垫 丝 婴 兰 兰 2 5 一一x t lx i 墨 2 注意约束条件 0 笫1 个节点固定 就可以利用下面的方程解出节点的 健穆量 襻窭了繁焦靛霞移鲎裁蛩潋褥到肇元应力秘节点疲力 k t 翻 l p 2 6 式中 溶卜单元溺凄矩蓐 p d 嗨 r 一节点的位移向量瓶阵 p 卜外载稽矩阵 t t s m 铣刀优化分析及系统研究 式 2 6 就是对几何模型进行有限元分析的基础 2 2 a n s y s 有限元软件 a n s y s 是一个通用的 大型的并以有限元分析为基础的c a e c o m p u t e ra i d e d e n g i n e e r i n g 软件 即计算机辅助工程技术软件 c a e 软件的理论基础是有限元 边界元法等现代计算力学方法 a n s y s 软件主要包括三个部分 前处理模块 分析计算模块和后处理模块 i 前处理模块为用户提供了一个强大的实体建模及网格划分工具 用户 可以方便的构造有限元模型 软件提供了i 0 0 种以上的单元类型 用来模拟工程 中的各种结构和材料 2 分析计算模块包括结构分析 可进行线性分析 非线性分析和高度非 线性分析 流体动力学分析 电磁场分析 声场分析 压电分析以及多物理场 的藕合分析等 3 后处理模块可将计算结果以剃度显示 矢量显示 粒子流迹显示 彩 色等值线显示 立体切片显示等图形方式显示出来 也可将计算结果以图表 曲 线形式显示或输出 本课题利用a n s y s 软件结构分析功能对刀具的应力场进行分析 得出相关结 论 由于a n s y s 良好的程序结构 它可以对试验结果进行不同的展示 例如 得 出刀具在某一状态的应力分布场 还可以进行动态演示等等 下面是刀具进行有限元分析前的准备步骤 1 确定高速加工时铣刀所承受的载荷 2 建立铣刀模型并对铣刀的简化模型划分网格 3 施加位移边界条件和载荷 2 3 高速铣削力建模 铣削力的大小与总的铣削面积有关 为了方便分析将总的铣削面积划分为图 2 3 示的单齿铣削面积 通过计算处于一齿铣削区域的载荷 即可获得力的空 间分布状态 再将单齿负载与工作齿数求积 即可获得总的切削力 如图2 3 所示单齿承受切向铣削力e 径向铣削力蠕和轴向铣削力0 h s m 铣刀优化分析及系统研究 x 图2 4 铣刀空间坐标系示意闰 设铣刀刃刃数为 粼每齿懿角度空溺是 秽 一3 6 0 f 1 2 后 z 2 7 j 在刀其繇处的位置空间w 苏麓妒 表示 伊 妒 毋 力 歹黜1 2 南 嚣 2 8 其中如一对每齿角度空间划分的角度增掇数用 所以孵时接触角应袋示为 妒 f 蕻中f 表示第 个刀齿 寝示篇 个角度位置 p 睁 力表示当刀舆处于 第 个角发增攫位黧爵 第i 个刀蓊所缝懿瓷闻角度位鹫 鬣在假设楚第一齿谶 亍钱削 瓣时接魅爽妒 歹 戈 个变薰 下懑以妒饯麓尹毡力进行分辑 期圈2 5 所示 h s m 铣刀优化分析及系统研究 图2 5 铣削切削厚度示意图 从圈中可以看出 瞬时接触角妒悬在以下的角度范围迸彳亍变f f e 讫 否 爨 刀爨秘魏受载单元簸笼予菲接皴状态 竹 妒 仍 2 9 式中 纯 刀具切入工件时的角度 作 0 镪一刀具切除王传时的角度 嵇 缝 挑一总接触角 仡 卿 妒 a r c c o s o 一兰譬 2 1 0 式中 群 一髑吃刀量 d 一刀具的最大外径 铣削厚度h 可以求得 h 一1 2 一0 1 一夏 r 一凌 其中 0 2 褥通过a 0 2 0 利用余玄定理褥密 0 2 0 0 d 2 一2 0 0 0 2 c o s 9 0 伊 冱2 2 f s i n q 夏 五2 一r 2 0 0 2 墨型堡堑肇坚竺业 一倒 伊 扩i 丐再 所班 sr ls i n 妒一0 r 2 一z 2c o s 2 妒 由于以一般都不会选取到1 而c o s 妒最大德才为1 所以 i 疋c o s 妒 2 为商阶 镦枣量 豆 2 一丈2 s 2 妒对予积分变萋妒又不必裙等丞鼗 竣努投鸯嚣蕊 兹 而将 正c o s f a 2 项省略 从而得到铣削厚度矗的近似公式 即 h s m 铣刀优化分析及系统研究 h 每 z s i n c p 一 t s i n 9 2 1 1 虫式 2 1 1 可以纛出纛钱划对 单元链削厚度怒对刻变化舶 当驴 0 对 南最小 当妒 仇时 h 达到最大值 所以柱铣削过程中计算铣削力采用平均铣 削厚度h 是非常必要的 根据积分中债定理 可以求樽平均铣箭厚魔h 的公式 淹 v 去 六s i n 婶舻 经l c o s 露 c o s 镑 2 2 c o s 一c o s 秽t 孕代入式 2 1 2 得 拜o 魂 篇 2 x 1 8 0 五嚷 坚当璧五 2 1 3 q 叶茚p f 由于采用平头铣刀 敌荦元镜黼宽度b a 铙刀攀个刃齿瓣瓣辩镌粼嚣积4 6 一般蟪况下 镌刀簿几个巍霹拜寸参 加铣削 铣削时的 涿铣削面积逸是各齿的铣削面积之署口 所以a z 也 互为 实际参加铣削的刀翔数 即工作刀刃数 工作刀刃数z 与铣刀刀刃数为z 的关 系为 7 蜓 8 3 6 0 铣削总面积 妒互小筹h a v b 筹 警枷 2 1 4 切向铣削力公式为 e a p 2 15 式中 p 一单位铣掰力 与畿潮厚度 萃鞋铣龋线速度k 寄关 肇整为n m m 2 可鑫臻2 6 查褥 本研究中是对铜合袅c u z n 3 7 进行高速铣削 从图2 6 知 根据不同的铣削 厚度h 和铣削线速度v 单位铣削力p 也不同 所以寂以后的求解中瑟由铣削厚 度 和铣箭线速度砭柬确定攀霞铣粼力p 将式 2 1 2 2 1 3 2 1 4 代入式 2 1 5 褥切向铣削力公式 乏 黑 学五哎 玛x p 5 时 梁在横截面上的正应力分布与纯弯曲时很接近 也就是说剪力的影响 很小 所以纯弯曲的应力公式对横力弯曲仍然适用 另外 铣刀的刀齿高度与铣 刀的半径之比值很小 而且刀柄部分的锥度为1 1 0 3 所以认为铣刀的刀刃 部分直径和刀柄部分直径几乎相等 从以上分析可以看出 近似于等截面的铣刀 在发生横力弯曲变形时 扭转对铣刀的应力和应变影响很小 可不考虑 仅考虑 铣刀的纯弯曲情况 盯一 争 3 1 式中 d 脚 是刀具横截面上的最大正应力 肘 是刀具所受的最大弯矩 矿是横截面对中性轴z 的抗弯截面模量 吸 等 3 2 y 是离中性轴z 最远点的距离 刀具上离中性轴z 最远处是切削刃 所以 j 要 是刀具的横截面对中性轴z 的轴惯矩 由于本文的刀具为实体 故 t 王蔷 将y 和t 带入式 3 2 得 矿 兰 垡 3 3 3 2 最大弯矩m ex l 是刀具得悬臂长度 将m 一和睨带入式 3 1 可得 三坚掣 3 4 盯m 赋2 乏r 在这一节中 其它参数不变 则e 不变 从式 3 4 中可知除了影响 铣肖u 力的参数不变外 悬臂长度和刀具的真径也影响刀具的最大等效应力值 所 以可以令变量a a 为刀具悬臂长度和刀具直径三次方的比值 称a 为长 径比 下面分别选取刀具直径d 为1 5 m m 2 0 m m 2 5 r a m 3 0 r a m 由于改变了 刀具的直径 所以刀具的质量分别为1 5 5 k g 2 7 5 k g 4 3 k g 6 1 9 k g 则离心力 p 分别为2 0 4 5 n 3 6 2 9 n 5 6 7 4 n 8 1 6 8 n 离心力有所增大 由第二章知 刀具总长1 1 0 m m 刃长4 5 m m 可夹持总长度为6 5 m m 那么 选择夹持长度为2 0 m m 3 5 m m 5 0 m m 则刀具悬臂长度蹦t 择为6 0 r a m 7 5 r a m 9 0 m m 下面对取不同悬臂长度和不同直径的刀具进行有限元分析 结果如表3 4 所示 h s m 铣刀优化分析及系统研究 表3 4 刀具选撵不嚣悬镲长凄器不薅蠢经辩商疆元分橇豹鬃果 弋长二 6 0 r a m7 5 r a m9 0 r a m d m x 0 5 6 2 8 1 9d m x o 6 6 4 1 8 4d m x o 7 6 3 9 2 4 1 5 r a m s m x 5 9 1 4 6s m x 5 9 1 4 6s m x 5 9 1 4 6 a o 0 1 8a o 0 2 2a o 0 2 7 d m x o 3 9 9 5 8d m x o 4 6 2 5 8d m x o 5 2 2 6 6 2 2 0 r a ms m x 6 4 6 5 2s m x 6 4 6 5 2s m x 6 4 6 5 2 a 0 0 0 7 5a o 0 0 9 4a 0 0 ll d m x 0 3 3 5 1 2 6d m o 3 7 4 9 8 4d m x o 4 1 5 4 9 2 5 r a ms m x 6 8 3 7 7s m x 6 8 3 7 7s m x 6 8 3 7 7 a o 0 0 3 8a 0 0 0 4 8a o 0 0 5 8 d 醚x 沿 3 0 6 0 3 4d m x 0 3 3 4 5 6d m x 0 3 6 3 l1 9 3 0 m ms m x 7 1 7 0 4s m x 7 1 7 0 4s m x 7 1 7 0 4 a 0 2 2a 0 0 0 2 sa 露 8 0 3 3 从表3 4 中w 以很清楚的看出 当刀具直径不变时 仅改变刀具的懋臂长 度 刀吴瓣最大等效瘟力簸且乎摄持握定翅鞠3 l l 瑟示 这歇上式3 一 孛可 以得到证实 影响盯一的只有 而材料力学中对 的单位等级要求是珊 本文 审熬刀具懋譬长瘦z 豹单撼是m m 将嚣静单位进葶亍换算 测最大懋譬长发与最 小懋臂长度仅仅桐滢0 0 3 m 这种变化德对盯 几乎不构成影晌 如图3 1 2 的三张悬传量不羼对有限元分辑圈所示铣冗的最大应变爨随着刀具悬臂长度的 增加而不断增大 潦臂长度增加 会降低刃其的定位可靠悔 南 羹铣削时刀体的 振动 显然刀具如果不改变其直径的前提下 悬伸囊越小越好 刃具长径i i a 00 0 7 5d d 0 9 4o 0 7 6 0 0 0 0 9 d 0 0 0 鹭 3 0 0 0 0 2 d 0 0 0 碰辩0 o 6 0了石9