（机械制造及其自动化专业论文）基于有限元分析的高速铣刀安全性研究.pdf

c l a s s i f i e di n d e x t g 7 1 4 7 y18 i i i it lllffl36ll ll i i螋 f 丫1 8 1 3 6 芝芝 d i s s e r t a t i o nf o rt h em a s t e rd e g r e ei ne n g i n e e r i n g s t u d yo ns a f e t yo fh i g hs p e e d m i l l i n gc u t t e rb a s e do n f i n i t ee l e m e n ta n a l ys i s c a n d i d a t e s u p e r v i s o r a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r s p e c i a l t y d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n u n i v e r s i t y c h e nb i n h u j i a n gb i n m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n ga n d a l j t o m a t i o n m a r c h 2 0 0 7 h a r b i nu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明 此处所提交的硕士学位论文 基于有限元分析的高速铣 刀安全性研究 是本人在导师指导下 在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期 间独立进行研究工作所取得的成果 据本人所知 论文中除已注明部分外不 包含他人已发表或撰写过的研究成果 对本文研究工作做出贡献的个人和集 体 均已在文中以明确方式注明 本声明的法律结果将完全由本人承担 作者签名 p 乱乏弧形 日期 2 7 年3 月1 0 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于有限元分析的高速铣刀安全性研究 系本人在哈尔滨理工大学攻 读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文 本论文的研究成果归哈 尔滨理工大学所有 本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表 本人完 全了解哈尔滨理工大学关于保存 使用学位论文的规定 同意学校保留并向 有关部门提交论文和电子版本 允许论文被查阅和借阅 本人授权哈尔滨理 工大学可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 可以公布论文的全部 或部分内容 本学位论文属于 保密口 在3 年解密后适用授权书 不保密囤 请在以上相应方框内打4 作者签名 导师 弘瓴影 日期 2 0 0 7 年3 月1 0 日 日期 2 0 0 7 年3 月1 0 日 基于有限元分析的高速铣刀安全性研究 摘要 高速铣削加工技术具有高效率 高质量 高精度的优点 广泛应用于航 空 航天 汽车 模具等机械制造领域 高速铣削加工过程中 随着切削速 度和铣刀转速的显著提高 离心力以二次方的幅度增长 铣刀各部分所承受 的离心力已远远超过切削力本身的作用而成为刀具的主要载荷 过大的离心 力可能会使刀具产生永久性变形甚至破裂 对人员和设备造成严重伤害 高 速铣刀安全性已成为高速铣削刀具技术研究中一项亟待解决的关键问题 采 用有效的方法和手段进行高速铣刀安全性研究和预报 对推动高速铣削加工 技术的应用与发展具有重要的现实意义 本文以已有的高速刀具技术及安全性研究成果为基础 采用有限元分析 的方法进行高速铣刀安全性的研究 主要完成以下工作 在高速铣刀可靠性分析基础上 进行高速可转位面铣刀和高速可转位立 铣刀的结构研究 针对高速铣削加工特点 通过高速铣刀载荷分析和安装定 位方式分析 确立高速可转位铣刀边界条件 以此为基础 建立高速可转位 面铣刀和高速可转位立铣刀有限元模型 针对高速可转位铣刀组件的材料属性 依据强度理论 通过刀具组件强 度失效分析 建立高速可转位铣刀的安全性判据 通过高速可转位面铣刀和 高速可转位立铣刀应力场分析 进行刀具结构 几何参数以及刀具组件材料 对高速铣刀安全性影响规律研究 实现基于强度的高速铣刀安全性预报 以高速铣刀切削过程中激振方向和激振形式的分析为基础 依据刚度理 论 建立高速可转位铣刀的安全性判据 通过模态分析 进行高速铣刀结构 及其几何参数对铣刀固有特性影响规律的研究 实现基于刚度的高速铣刀安 全性预报 根据i s 0 1 5 6 4 1 高速铣刀安全性国际标准和高速铣刀安全性判据 提出 高速铣刀最高安全测试转速的计算公式和高速铣刀切削加工安全转速的计算 公式 并依据应力场分析和模态分析的结果 完成了高速面铣刀和高速立铣 刀加工铝合金的安全性预报和实验 关键词高速铣削 高速铣刀 有限元分析 安全性 哈尔滨理工人学工学硕士学位论文 s t u d y o ns a f e t yo f h i g hs p e e dm i l l i n gc u t t e r b a s e do nf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo fh i g hs p e e dm i l l i n gh a sa d v a n t a g e so fh i g hm a c h i n i n g e f f i c i e n c y h i g hm a c h i n i n gq u a l i t y a n dh i g hm a c h i n i n gp r e c i s i o n a n dh a sb e e n w i d e l ya p p l i e di nm a n ym e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n gf i e l d s s u c ha sa e r o n a u t i c s a s t r o n a u t i c s a u t o m o b i l ea n dm o l d d u r i n gh i g hs p e e dm i l l i n g t h ec e n t r i f u g a l f o r c ei sb yt w op o w e r so fg r o w t ho fr a n g ew i t ht h ep r o m i n e n te n h a n c e m e n to f t h e c u t t i n gs p e e d a n dr o t a t i o n a l s p e e d o fm i l l i n gc u t t e r m e a n w h i l et h e c e n t r i f u g a lf o r c et h a te v e r yp a r to ft h em i l l i n gc u t t e rb e a r sh a sa l r e a d yf a r e x c e e d e dt h ef u n c t i o no fc u t t i n gf o r c ea n db e c o m et h em a i nl o a do ft h ec u t t e r t o ob i gc e n t r i f u g a lf o r c em a yc a u s et h ec u t t e rp e r m a n e n c et ob eo u to fs h a p ea n d e v e nb r e a k c a u s et h es e r i o u si n j u r yt op e r s o n n e la n da p p a r a t u s t h es t u d yo n s a f e t yo ft h eh i g hs p e e dm i l l i n gc u t t e rh a sb e e nak e yp r o b l e mr e m a i n e dt os o l v e i nh i g hs p e e dm i l l i n g a d o p tt h ee f f e c t i v em e t h o da n dm e a n st op r e d i c tt h es a f e t y o fh i g hs p e e dm i l l i n gc u t t e r w h i c hh a sm o r ei m p o r t a n tr e a l i s t i c m e a n i n g st o p r o m o t et h ea p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to fh i g hs p e e dm i l l i n g t h i st h e s i su s e sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st oc a r r yo nt h es t u d yo ns a f e t yo f h i g l ls p e e dm i l l i n gc u t t e rw h i c hb a s e do nt h et e c h n o l o g yo fh i g hs p e e dc u t t e ra n d t h ea c h i e v e m e n t so ns a f e t yo fh i g hs p e e dc u t t e r t h em a i ns t u d yc o n t e n t sa r e c a r r yo nt h es t r u c t u r es t u d yo fh i g hs p e e df a c em i l l i n gc u t t e ra n dh i g hs p e e d e n dm i l l i n gc u t t e rb a s e do nt h er e l i a b l ea n a l y s i s i nv i e wo fh i g hs p e e dm i l l i n g b ya n a l y s i so ft h el o a da n dt h ea s s e m b l i n gs t y l et od e c i d et h eb o u n d a r yc o n d i t i o n o ft h eh i g hm i l l i n gc u t t e r t h e ne s t a b l i s ht h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo fh i g hs p e e d f a c em i l l i n gc u t t e ra n dh i g hs p e e de n dm i l l i n gc u t t e rb a s e do nt h ea n a l y s i sa b o v e a c c o r d i n gt o t h em a t e r i a la t t r i b u t i o no fa l lm o d u l e s e s t a b l i s ht h es a f e t y c r i t e r i o no fh i g hs p e e dm i l l i n gc u t t e rb a s e do nf o u rk i n d so fs t r e n g t h t h e o r y t h r o u g ht h es t r e s sf i e l da n a l y s i so fh i g hs p e e dm i l l i n gc u t t e r s t u d yt h ec h a n g e r u l eo fs t r e s sf i e l db a s e do nt h es t r u c t u r ep a r a m e t e r so ft h em i l l i n gc u t t e rt o 1 1 哈尔滨理工人学工学硕士学位论文 p r e d i c tt h es a f e t yo fh i g hs p e e dm i l l i n gc u t t e r b yt h ea n a l y s i so fv i b r a n td i r e c t i o na n dv i b r a n tf o r md u r i n gt h eh i g hs p e e d m i l l i n g e s t a b l i s ht h es a f e t yc r i t e r i o no fh i g hs p e e dm i l l i n gc u t t e rb a s e do n r i g i d i t yt h e o r y t h r o u g ht h em o l da n a l y s i so fh i g l ls p e e dm i l l i n gc u t t e r s t u d yt h e c h a n g er u l eo fn a t u r a lf r e q u e n c yb a s e do nt h es t r u c t u r ep a r a m e t e r so ft h em i l l i n g c u t t e rt op r e d i c tt h es a f e t yo fh i g hs p e e dm i l l i n gc u t t e r a c c o r d i n g t oi s 0 1 5 6 4 1 h i g hs p e e dm i l l i n g c u t t e r s a f e t yi n t e r n a t i o n a l s t a n d a r da n dh i g hs p e e ds a f e t yc r i t e r i o no f m i l l i n gc u t t e r p r o p o s et h ec a l c u l a t i o n f o r m u l ao ft h eh i g h e s ts a f er o t a t i o n a l s p e e df o rt e s t i n ga n dt h ec a l c u l a t i o n f o r m u l ao ft h eh i g h e s ts a f er o t a t i o n a ls p e e df o rc u t t i n g t h e nc a r r yo nt h es a f e t y e x p e r i m e n to ft h eh i 曲s p e e dm i l l i n gc u t t e rb a s e do nt h ep r e d i c t i o no fs t r e s sf i e l d a n a l y s i sa n dm o l da n a l y s i s k e y w o r d sh i g hs p e e dm i l l i n g h i g hs p e e dm i l l i n gc u t t e r f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s s a f e t y 哈尔滨理工大学t 学硕上学位论文 目录 摘昙要 i a b s t r a c t i i 第1 章绪论 1 1 1 论文选题的目的和意义 1 1 2 高速铣削加工技术发展状况 1 1 2 1 高速铣削机理研究 2 1 2 2 高速铣削刀具技术研究 3 1 2 3 高速铣削加工技术的应用 5 1 3 高速铣刀安全性研究状况 6 1 3 1 高速铣刀可靠性的研究 6 1 3 2 高速铣刀动平衡技术的研究 6 1 3 3 高速铣刀安全性国际标准的制定 7 1 4 有限元法在高速铣削加工中的应用 8 1 5 本文主要研究内容 9 第2 章高速铣刀有限元模型建立 1 0 2 1 基于可靠性的高速可转位铣刀结构分析 1 0 2 2 高速可转位铣刀载荷分析 1 0 2 2 1 离心力的计算 1 0 2 2 2 切削力载荷分析 1 1 2 2 3 螺钉预紧力估算 1 3 2 3 高速可转位铣刀几何模型建立 1 3 2 4 高速可转位铣刀位移边界条件确定 1 4 2 5 高速可转位铣刀模型网格划分 1 5 2 6 本章小结 1 6 第3 章基于应力场分析的高速铣刀安全性研究 1 7 3 1 基于强度的高速铣刀安全性判据 1 7 3 1 1 刀体和螺钉的安全性判定 1 7 3 1 2 刀片的安全性判定 1 7 3 1 3 高速可转位铣刀安全性判据 1 8 哈尔滨理t 大学t 学硕卜学位论文 3 2 高速面铣刀应力场有限元分析 1 8 3 2 1 刀具材料对高速面铣刀应力场的影响 1 8 3 2 2 切削力对高速面铣刀应力场的影响 1 9 3 2 3 主偏角对高速面铣刀应力场的影响 2 2 3 2 4 安装前角对高速面铣刀应力场的影响 2 3 3 2 5 直径和齿数对高速面铣刀应力场的影响 2 4 3 2 6 齿距差对刀具应力场的影响 2 5 3 3 高速立铣刀应力场有限元分析 2 6 3 3 1 悬臂长度对高速立铣刀应力场的影响 2 7 3 3 2 直径和齿数对高速立铣刀应力场的影响 2 8 3 4 本章小结 2 9 第4 章基于模态分析的高速铣刀安全 陛研究 3 1 4 1 基于刚度的高速铣刀安全性判据 3 1 4 2 高速可转位面铣刀模态分析 3 2 4 2 1 高速可转位面铣刀的固有特性分析 3 2 4 2 2 主偏角对刀具固有特性的影响 3 3 4 2 3 安装前角对刀具固有特性的影响 3 4 4 2 4 直径和齿数对刀具固有特性的影响 3 4 4 2 5 齿距差对刀具固有特性的影响 3 6 4 3 高速可转位立铣刀模态分析 3 7 4 3 1 高速可转位立铣刀固有特性分析 3 7 4 3 2 悬臂长度对刀具固有特性的影响 3 8 4 3 3 直径和齿数对刀具固有特性的影响 3 9 4 4 本章小结 4 0 第5 章高速铣刀安全性实验 4 1 5 1 高速铣刀实验条件 4 1 5 2 高速铣刀最高安全转速实验 4 2 5 3 高速铣刀切削铝合金的安全性实验 4 2 5 4 本章小结 4 4 结论 4 6 参考文献 4 8 攻读学位期间发表的学术论文 5 1 致谢 5 2 哈尔滨理工大学工学硕一仁学位论文 第1 章绪论 1 1 论文选题的目的和意义 高速铣削加工作为一种新的加工理念 它给传统的金属切削加工技术带来 了革命性的变化 作为当今世界制造业中一项快速发展的高新技术 在现代工 业发达国家 高速铣削所带来的高切削效率和高切削精度 满足了制造业不断 发展的需要 由于多年来我国高速加工技术的基础研究相对薄弱 使得高速铣 削技术与刀具开发相对滞后 主要依赖于国外的技术和相关产品 要使我国 从制造大国转变成为制造强国 必须进行高速铣削加工技术的研究 在高速铣削过程中 高速旋转的刀具各部分都要承受远远超过切削力作用 的离心力 离心力成为铣刀的主要载荷 当离心力超过刀体的强度极限时 将 导致刀体破碎 对操作者造成重大伤害 严重损坏机床设备及加工工件 给企 业带来重大的经济损失 高速铣削加工实践和刀具安全性试验表明 普通铣刀已经不能满足切削速 度大幅度提高的要求 数控铣刀正在从低值易耗品向 三高一专 高效率 高 精度 高可靠性和专用化 的高科技产品方向发展 高速铣刀安全性已成为 高速铣削加工中的亟待解决的关键技术 因此 进行高速铣刀安全性的研究对 实现高速刀具产品国产化 提升我国工具产品的竞争力 提高我国机械制造业 的技术水平具有十分重要的意义 1 2 高速铣削加工技术发展状况 自1 9 3 1 年德国切削物理学家s a l o m o n 博士发表著名的高速切削理论以 来 高速切削技术的发展经历了高速切削的理论探索 应用探索 初步应用及 比较成熟等四个阶段幢1 特别是2 0 世纪8 0 年代以来各工业发达国家相继投入 人力 物力 财力研究开发高速切削技术 现在已在生产中得到推广应用船1 高速铣削是目前高速切削加工技术应用的主要工艺 其最显著的特点是在 高速数控机床上采用很高的切削速度和可靠的刀具对关键零部件进行高效 高 精度和高表面质量的加工 近2 0 年来 高速铣削加工技术的研究取得了一系 列阶段性成果 推动了世界范围内高速切削技术的发展 高速铣削技术的发展 哈尔滨理丁大学t 学硕 学位论文 前沿是采用先进 安全的高速刀具 运用现代高柔性高自动化设备及现代高速 切削技术实现复杂零部件的优质 高效加工 1 2 1 高速铣削机理研究 高速铣削机理的研究作为高速铣削加工技术的理论基础 是高速铣削加工 技术应用和发展的基础 进行高速铣削加工中的切屑变形 切削力 切削温 度 刀具磨损和破损等现象的研究及加工参数对高速铣削过程影响规律的研 究 提出反映其内在联系的数学模型 对高速铣刀的开发和高速铣削加工技术 的应用具有重要的现实意义h 儿引 近年来 在高速切削机理研究方面成就比较突出的是美国科学家罗伯特 金 和麦克唐纳 他们从2 0 世纪7 0 年代中期就开始着手在切屑形成理论 金属断 裂 突变滑移 绝热剪切以及各种材料的切屑形成方面进行研究 并提出了一 个比较完整和可靠的高速切削机理 从理论上证实了高速切削的可行性和优越 性舳1 美国俄亥俄州立大学的工程研究中心与日本牧野公司合作 进行了大量 的高速切削试验研究工作 采用虚拟切削的方法 建立了高速切削的切屑形成 过程模型 获得了有意义结论 p m a t h e w 等研究了切削速度达6 0 0 0 m m i n 是 加工普通钢的切削力公式 对切削机理也作了有价值的讨论盯1 j e o n g d uk i m 等建立了切削力二次多项式数学模型 模型中考虑了主轴转速 每次进给量 轴向 径向切深对切削力的影响h 在高速切削机理研究方面取得的一系列研 究成果 为进行高速铣削机理研究奠定了坚实的基础 在高速铣削切屑变形规律的研究方面 以高速铣削铝合金切屑变形的规律 居多 其中 钛合金的切屑变形研究起始于二十世纪五十年代 许多国外的 著名学者如m c s h a w n h c o o k o w b o s t o n m f i e l d r k o m a n d u r i h s c h u l z 等人都做了大量的研究工作协儿纠 叭 国内的一些高校和科研院所如西 北工业大学 南京航空航天大学等也从事了相关的研究 s h i n t a n i k a z u h i r o k a t oh i d e h a r u 等对钢的高速铣削机理进行了深入研 究 高速铣削钢时 铣削力随切削速度的增加而降低m 儿引n 训 儿1 2 m 引 当切削速度 从1 0 0 m m i n 提高到8 0 0 m m i n 时切削力下降约3 0 其原因是 第二变形区 温度的上升改善了刀一屑之间的摩擦状况 使这一变形区域的附加变形减小 另外 第一变形区剪切角的增大也意味着剪切区塑性变形的减小 目前各国学者在高速铣削研究过程中 关于切削温度研究的文献相对要少 些 一般通过试验方法进行实际测量 r e s i l v a f j o l i v e i r a 对平均切削温度作 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 推导 1 5 m6 j e h n m i n gl i n 等利用f e m 对难加工材料高速切削时的前刀面温度 场进行了研究 有热电偶测出的结果证实了其正确性n 试验中通过改变切削 参数 刀具几何参数 切削条件和工件材料 对切削刃的温度进行深入研究 随着切削速度 进给量 切深的增加 刀刃温度呈上升趋势 当刀尖圆弧增大 时 切削刃温度会降低 j c h n m i n gl i n 等应用导热反求法分别计算了铣削时 刀屑接触区的温度分布n 引n9 r a d u l e s c ur o b e r t 利用反求法研究了刀具前刀面的 温度分布乜o d a v i dw e iy e n 建立了高速切削加工的动力学模型及传热模型 认 为高速加工变速切削更可靠 并对切削区温度场进行预测 与其它文献结论相 符 但没有试验验证匕u 另外 g e k o n d c 等对高速铣削钢的刀具磨损 精加工进行了研究乜引 高 速 小进给量可延长刀具寿命 提高表面质量 省去后续磨削工序 从而降低 生产成本 高速铣削时 刀具的损坏形式主要是磨损和破损心3 2 4 1 心5 1 其损坏原 因随刀具材料和工件材料不同 主要是以磨损为主 但有的则是以破损为主 或者是磨损伴有微崩刃而损坏 随切削速度提高 切削温度升高 磨损的机理 主要是粘结磨损和化学磨损 对于脆性大的金刚石 立方氮化硼和陶瓷刀具进 行高速断续切削高硬材料时 常在切削力和切削热的综合作用下造成崩刃 剥 落和碎断形式的破损 高速切削时 对于以磨损为主而损坏的刀具 则可按磨 钝标准 根据刀具磨损寿命与切削用量和切削条件之间的关系 确定刀具磨损 寿命 对于以破损为主而损坏的刀具 则应按刀具破损寿命分布规律 确定刀 具破损寿命与切削用量和切削条件之间的关系 从上述文献的内容看出 国内外用不同方式对切屑变形 切削力幢副堙引 切 削温度他鲫心9 1 等做了研究 但高速铣削机理仍有很多工作值得深入研究 特别是 随着新型刀具的不断出现 需要对高速铣削刀具技术做进一步的研究 1 2 2 高速铣削刀具技术研究 高速铣削加工时 产生的切削热对刀具的磨损比普通切削时要高得多 对 刀具材料提出了一系列新的要求协 2 5 1 3 目前 高速刀具采用的材料主要 有 合刚石 立方氮化硼 陶瓷 涂层 t i c n 基硬质合金 超细晶粒硬质合 金和粉末高速钢等m 引 在实际中需要权衡利弊选用更合适的刀具材料 粗加工 时优先考虑刀具材料的韧性 精加工时优先考虑刀具材料的硬度 尽管出现了不少新的刀具材料 但是理想的刀具材料很难找到 目前 刀 具材料主要以镀膜的和未镀膜的硬质合金 金属陶瓷 氧化铝基或氮化硅基陶 哈尔滨理 大学工学硕 1 二学位论文 瓷 聚晶金刚石 聚晶立方氮化硼为主 儿圳啪儿制 在高速铣削下 虽然刀片镀层的数值不大 但由于要承受交变频率非常高 的切削力和切削热的冲击 极易将微小的缺口扩张形成裂纹 从而降低膜层与 膜层 膜层与基体之间的结合力 因此 在粗加工时选择带有镀层的细颗粒硬 质合金 精加工时选择金刚石或立方氮化硼 刀具几何参数对加工质量 刀具使用寿命有很大的影响 选择合理的几何 参数可以在保证加工品质和刀具寿命的前提下 提高生产率 降低成本 其中 前角和后角是刀具的主要切削角度 刀具切削加工时会在前刀面紧 靠切削刃处形成月牙洼磨损 这使切削刃的强度和散热能力减弱 易产生各种 刃口损伤 传统切削时 采用正前角可降低切屑变形系数 减小月牙洼磨损 在高速切削时 由于切削速度提高 前刀面温升增加 月牙洼磨损加剧 若刃 口处于前刀面的最低位置或使刀面外凸 就能有效减少月牙洼对刃口造成的不 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 刀具前角比普 通切削时要取得小一些 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 这样可以增大刀具的散热体积 降低前刀面温度 减少月牙洼磨 损m 1 高速铣削时 常采用零度或负前角 但若前角很小或取负值 切削力将 会上升 主副后角的大小 影响后刀面与工件问的摩擦和切削刃的锋利程度 后角 选取较大值 可使刀具刃口具有楔角 同时可减小刀具与已加工表面的接触长 度 从而有效降低后刀面破损率 但过大的后角会使刀刃强度和传热能力减 小 当前 高速可转位铣刀的持续发展和汽车 模具工业独特的特点推动了可 转位刀具结构创新 9 同时 随着五轴联动数控机床功能的完善及应用的普 及 出现了各种用途的高速可转位刀片的新结构 如用于形状复杂的带前角的 铣刀刀片 球头立铣刀刀片 防甩飞的高速铣刀刀片等等 如下图1 1 图1 2 所示 这些高速可转位铣刀的发展为汽车工业流水线提供了专用的成套刀具 突 破了死板的模式 成为革新加工工艺 提高加工效率 节省投资的重要工艺因 素 但是随着可转位刀具结构的发展 还极大地提高了高速铣削加工安全性的 要求 鉴于以上文献参考和分析 高速铣刀技术的发展主要集中在如下两方面 1 研制新的镀膜材料和镀膜方法以提高刀具的抗磨损性 2 发展方面是开发新型的高速铣刀 特别是那些形状比较复杂的刀具 哈尔滨理工人学工学硕士学位论文 图1 1 山特维克汽缸孔镗铣刀 f i g 1 1h i g hs p e e dm i l l i n gc u t t e rm a d e b ys a n d v i kc o r p o r a t i o n 1 2 3 高速铣削加工技术的应用 图1 2 高速铣削铝合金 f i g 1 2h i g hs p e e dm i l l i n ga l u m i n u m 高速铣削的先进性表现在其适用领域内 可以应对激烈的市场竞争对效率 和成本越来越高的要求 可以满足越来越高的加工质量要求和越来越复杂的三 维曲面形状精密加工要求 提供了解决硬材料 薄壁件加工问题的新方案 高速切削目前主要用于以下几个领域 1 大批生产领域如汽车工业 如美国福特 f o r d 汽车公司与i n g e r s o l l 公 司合作研制的n v m 8 0 0 卧式加工中心及锭汽缸用的单轴镗缸机床已实际用于 招待公司的生产线 2 工件本身刚度不足的加工领域 如航空航天工业产品或其他某些产 品 采用超高速切削工艺所铣削的工件员薄壁厚度仅为l m m 如飞机的蜂窝 结构件必须采用高速铣削技术才能保证加工质量 梁 框 壁板等零件加工余 量特别大 电子产品中的薄壁结构加工尤其需要高速加工 3 加工复杂曲面领域 绝大部分模具均适用高速铣削技术 如锻模 压铸模 注塑与吹塑模等 4 难加工材料领域 如i n g e r s o l l 公司的 高速模块 所用切削速度为 加工航空航天铝合金24 3 8 m m i n 汽车铝合金18 2 9 m m i n 铸铁 12 1 9 m m i n 比这均比常规切削速度高出几倍到几十倍 5 超精密微细切削加工领域 日本的f a n u c 公司和电气通信大学合 作研制了超精密铣床 其主轴转速达5 50 0 0 r p m 可用切削方法实现自由曲面 哈尔滨理工大学t 学硕上学位论文 的微细加工 据称 其生产率和相对精度均为目前光刻技术领域中的微细加工 所不及 1 3 高速铣刀安全性研究状况 1 3 1 高速铣刀可靠性的研究 现代切削加工技术的基本方向是高效率 高精度 高柔性和清洁化 要求 整个切削过程必须十分可靠 而刀具的可靠性是整个加工系统的重要因素之 一 高速铣刀的可靠性不仅可以减少频繁换刀次数 提高切削效率 而且可以 保证工件的质量及机床设备的安全运行 最终提高切削效益 因此 高速铣削 加工中包括刀具材料在内的刀具可靠性问题十分重要 解决刀具可靠性问题 是高速铣削加工成功应用的关键技术之一心1 高速铣削加工要求整个刀具系统十分可靠 这其中不仅要求刀具材料本身 可靠 还要求组成刀具系统各零件如 刀体 紧固螺钉 刀片等可靠 除零件 结构可靠外 还要求夹紧可靠 以提高刀具整体结构可靠性 其中刀片装夹的可靠性尤为重要 为了在铣削时提高刀片装夹的可靠性 尤其是在高速铣削时防止刀片的飞出 新推出的高效或高速铣刀均采取了相应 的措施 增加了刀片底面与刀座的配合结构 如i s c a r 公司的f e e d m i l l 铣 刀 s a n d v i k 公司的c o r o m i uc e n t u r y 加工铝合金高速铣刀 其刀片的底面加工 出齿纹 安装时与刀座上的齿纹相互咬合 又如c e r a t i z i t 公司加工铝合金的高 速铣刀 其刀片底面与刀座有一个v 形配合 也是为了防止刀片的飞出 由于 这样的结构增加了刀片一刀座的承载能力 减少了刀片夹紧螺钉的载荷 因此 提高了装夹的可靠性和刀具的切削能力 由于提高刀片装夹可靠性对可转位刀 具的发展具有普遍意义 可以预见 将会出现更多的类似结构 1 3 2 高速铣刀动平衡技术的研究 在高速主轴系统中 旋转体的不平衡会产生离心力 主轴系统产生一个附 加的径向载荷 其大小与转速成平方关系 从而对刀具的安全性和加工质量带 来不利的影响汹3 刀具的动平衡需要考虑加工零件的质量要求 同时也要考虑 成本 s a n d v i k 公司认为用i s 0 1 9 4 0 1 设定的g 等级标准来衡量刀具系统的平衡 哈尔滨理t 大学t 学硕卜学位论文 是不合理的 该标准并不是为机床的刀具系统制定的 其主要应用于刚性转 子 特别是电厂的涡轮机 而铣床和加工中心的刀具系统与涡轮机的转子没有 多少共同之处 因此固定的g 等级对于刀具的平衡没有意义 为了得到满意的 平衡结果 需要反复的实验调整 直到达到满意的结果吣1 刀具系统的动平衡调整方法包括 在制造阶段对刀具和刀柄分别进行动平 衡 采用可调平衡刀柄 美国肯纳金属公司采用了这种方式 在主轴上对刀具 系统进行各种转速的平衡调整 如美国肯纳金属公司的主轴系统自动平衡刀柄 系统 是比较理想的刀具平衡方法 刀具平衡的标准目前大多采用i s 0 1 9 4 0 g 等级标准 为满足高速刀具的平衡精度等级的要求 在机夹铣刀的结构上需要 设置调节动平衡的位置 用于刀具的动平衡试验 目前 某些精加工高速铣刀 或镗刀 不平衡质量已达到g 2 5 级 e o 2 3 8 7 3x1 0 5 n m 一 平衡性能优于 g 4 0 级 美国平衡技术公司推出的刀具动平衡机可将刀具平衡到g 1 0 级 铣 刀在机床主轴上的重复安装精度将影响铣刀旋转时的不平衡量的大小 0 1 1 3 3 高速铣刀安全性国际标准的制定 德国在九十年代初就开始了对高速铣刀安全性技术的研究 在机器制造商 协会 v d m a 的支持下 以达姆斯塔特 d a r m s t a d t 大学制造技术与机床研 究所为核心 组成了由刀具制造厂 研究所和用户参加的工作组 从事高速铣 刀安全性技术的研究 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n 首先 试验证明普通铣刀的结构和强度不能适应高速切削的要求 因为普 通铣刀并非为高速切削而设计 没有经过一定的强度计算和安全检验 用这类 刀具加工铝合金时 还没有达到被加工材料最佳切削速度的一半 刀体或刀片 的夹紧系统就失效了 工作组首先就 高速旋转铣刀设计和试验指导意见 进行 了研究 在此基础上 于1 9 9 4 年起草了 高速旋转铣刀的安全性要求 d i n 标准 从法律角度规范制造商和用户在设计 制造和使用高速铣刀时的行为和 责任 在技术上提出了高速铣刀设计 制造和使用的指导意见 规定了统一的 安全性检验方法 以提高刀具制造商和用户的安全意识 保证高速铣削过程的 安全 在d i n 标准草案基础上 2 0 0 1 年形成的i s 0 1 5 6 4 1 高速铣刀安全性国际标 准规定了它的适用范围 即高速切削的速度界限 超过这一界限 离心力成为 铣刀的主要载荷 则必须采用安全技术 标准规定的铣刀必须经过安全检验的 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 高速切削范围 对于直径d 1 3 2 m m 的单件刀具 整体刀具或焊接刀具 高速 切削范围为切削速度 10 0 0 m m i n 对于直径d 1 3 2 m m 的装配式机夹刀具 高速切削速度范围小于单件刀具 整体刀具或焊接刀具 标准规定的安全性 检测包括形式检验和样品刀具的离心力试验 形式检验的内容包括对设计图 纸 计算资料 尺寸 装配状态和外观的检查 样品刀具的离心力试验分两种 情况 对于机夹式刀具 在1 6 倍于最大使用转速 n p 1 6 n m 缸 下试验 刀具的 永久变形或零件的位移不超过0 0 5 m m 或者在2 倍于最大使用转速 n p 2 n m 曲 下试验 刀具不发生爆碎 对于整体式刀具则必须在n p 2 n m 缸条件下试验而 不发生弯曲或断裂 标准要求制造商应把刀具的最大使用转速 n m 缸 和有关特 征参数 商标清晰地 永久性地标示在刀具上 并随刀具向用户提供必要的证 明文件和安全使用说明 标准还提供了高速铣刀设计的指导意见 1 4 有限元法在高速铣削加工中的应用 二十世纪七十年代 在国外 采用有限元法模拟切削加 1 通过数值模拟 技术 可以代替需要大量费用的工艺实验 通过大量的实践与应用 到现在为 止 有限元法已经广泛应用于预测应力 弯曲变形和温度这些参数等各项领 域 在国内 高等院校 科研机构和企业则借助于引进的有限元软件开展了许 多研究 并取得了一定成效 引 在有限元分析领域 a n s y s 就是一款基于有限元技术的大型分析软件 也是目前世界顶端的有限元商业应用程序 a n s y s 软件与其它有限元分析软 件相比如m s c 或c o s m o s 具有丰富的单元库和材料库 强大的建模能力 智能和自由网格划分 多物理场耦合分析功能 丰富的数据接口 a n s y s 对 于常用c a d 软件 如p r o e u g c a t i a s o l i d w o r k i d e a s 等 提供了专 用的接口进行数据的共享和交换 并可以对这些数据进行修改或简化 等优 点 以先进的计算方法以及良好的可靠性 开放性 广泛应用于切削加工过程 的模拟研究中 比如 针对高速铣削刀具受力模型 通过a n s y s 软件对高速 铣刀应力 应变情况进行了有限元分析 研究了长径比改变对铣刀应力应变的 影响 从而达到对刀具直径和悬伸量进行优选的目的h 驯 应用有限元法对高速 铣削铝合金薄壁件过程中工件与刀具接触面温度 工件内部的温度分布进行了 仿真研究 仿真过程中考虑了切削速度 进给量对切削温度的影响 运用 a n s y s 5 4 有限元分析软件对典型薄壁框体零件的加工变形进行了分析计算 结果与实际加工情况相符 由此提出一种数控补偿方法来降低让刀误差 从而 哈尔滨理t 大学t 学硕 卜学位论文 控制薄壁件的加工精度等 对于高速铣刀安全性研究的对象包括主轴 刀柄 刀具 而刀具又包括刀 体 刀片 螺钉 刀垫 楔块等 所涉及的研究问题包括主轴 刀柄联结的变 形问题 接触应力问题 联结的动力学问题 刀具系统的动平衡问题 可转位 铣刀和整体硬质合金铣刀的失效问题 从本质上讲 上述问题都可归结为求解 刀具系统在一定载荷 径向离心力 切向惯性力 轴向拉力 不平衡量产生的 离心力 切削力 作用下的应力 应变 位移问题h 引 利用有限元法研究高速旋转刀具系统的安全性问题 不消耗现实资源和能 量 节约大量样机试制投资 缩短开发周期 显示巨大优越性 分析过程中 只要有限元分析软件和计算机的计算能力以及计算效率许可 就可以把有限元 模型网格划分的足够细 使其最大程度的接近研究对象的实际情况 这样就能 大大的提高分析结果的可靠性 所获得的研究成果也就更有实际意义 1 5 本文主要研究内容 本课题来源于黑龙江省重大科技攻关项目 高速铣削机理及其刀具的开发 研究 g a 0 2 a 4 0 1 3 和 黑龙江省教育厅科学技术研究项目基于系统动态设 计技术的高速面铣刀研究 1 1 5 1 1 0 7 9 本文以已有的高速刀具技术及安全性研究成果为基础 针对高速面铣刀和 高速立铣刀 进行了以下几个方面的研究 1 在高速铣刀可靠性分析基础上 通过高速铣刀载荷的分析和高速铣刀 安装定位方式的研究来确定高速可转位铣刀边界条件 并以此为基础 建立高 速可转位面铣刀和高速可转位立铣刀有限元模型 2 依据强度理论建立刀具及其组件的安全性判据 进行高速可转位铣刀 应力场有限元分析 获得切削载荷 刀具结构 刀具材料对铣刀安全性影响规 律 实现基于强度的高速可转位面铣刀和高速可转位立铣刀安全性预报 4 依据刚度理论建立高速可转位铣刀的安全性判据 进行高速可转位铣 刀模态分析 获得刀具结构对铣刀安全性的影响规律 实现基于刚度的高速可 转位面铣刀和高速可转位立铣刀安全性预报 5 基于i s 0 1 5 4 6 1 高速铣刀安全性国际标准和安全性判据 对高速可转位 面铣刀和高速可转位立铣刀进行加工铝合金的安全性预报和实验 哈尔滨理t 大学工学硕上学位论文 第2 章高速铣刀有限元模型建立 2 1 基于可靠性的高速可转位铣刀结构分析 高速可转位铣刀由刀体 紧固螺钉 刀片等刀具组件构成了一个串联系 统 其中任何一个组件失效都可能导致整个刀具失效 根据可靠性设计理论n4 设f 1 f 2 f n 表示刀体 螺钉 刀片及其它组 件的失效事件 则刀具的失效概率为 只 p eue u u f o 2 一1 若用瓦表示f i 的逆事件 并且又由于失效事件f 1 f z f n 相互独立 则高速可转位面铣刀可靠度p r 为 一一一 一 l p en 疋 ne n e f n 最 2 2 式中p f i 刀具组件的可靠度 且p r i 0 3 3 式中s 刀片断裂的最大拉应力 s 旷卅料抗拉强度 按最大伸长线应变理论 刀片发生断裂破坏的条件为 哈尔滨理工人学工学硕十学位论文 弘 豇 鲁 p o 3 4 式中 e 1 刀片最大伸长线应变 e i 一材料应变极限值 s b 材料抗拉 强度 由应力场分析结果确定刀片最大等效拉应力s 1 和最大应变e 1 若分别满 足式 3 3 和 3 4 则刀片脆性断裂 不安全 反之则刀片脆性断裂 是安 全的 3 1 3 高速可转位铣刀安全性判据 根据3 1 1 3 1 2 所述 采用最大切应力理论和m i s e s 条件来判断刀体失 效时 刀体应力状态值达到其本身材料失效的临界值 这时对应刀体失效存在 两个临界转速 设为n 1 和n 2 同理当应用最大切应力理论和m i s e s 条件来判断 螺钉失效时 也存在两个临界转速 设为1 1 3 n 4 采用最大拉应力理论和最大 伸长线应变理论来判定刀片的安全性时 应该也存在两个临界转速 设为 n 5 1 1 6 0 根据2 1 刀具可靠性的分析 若要保证刀具不失效 则刀具的最高安全转 速应是1 1 1 1 1 6 中最小的转速 由此可得出刀具整体的安全性判据为 刀o e n l 万2 疗