基于ANSYS的高速五轴数控加工中心球头铣刀切削温度仿真研究

精密制造与 自动化 2 0 1 2年第 1 期 基于 A N S Y S的高速五轴数控加工中心球头铣刀切削 温度仿真研究术 刘明贺 张国军修世超 东北大学机械工程 与 自动化学院沈阳 1 1 0 0 4 4 摘要 以V MC 6 5 6高速五轴数控加工中心为研究对象 研究了采用球头铣刀进行切削时 切削热所产生的温度 对工件加工精度的影响 基于传热学和金属切削理论 建立了数控加工中心高速切削铝材时球头铣刀温度场数学 模型 利用有限元软件 A NS YS 仿真分析了球头铣刀在典型工况不同切削参数条件下温度场分布及变化规 律 以及切削速度 切削厚度 进给量等参数对切削温度的影响 研究结果表明 在金属切削过程中 切削温度 对刀具寿命和工件加工精度都有很大影响 因此必须采取措施 降低切削温度 有助于提高刀具寿命和加工质量 关键词 高速五轴数控加工中心 球头铣刀 热流密度 切削温度 有限元 球头铣刀是五轴联动加工中心铣削加工各种 曲 面的主要刀具 球头铣刀是在立铣刀的基础上发展 起来的 主要用于加工模具型腔表面及其它成形表 面 由于球头铣刀 的有效刀刃角度范 围较大 可达 1 8 O 因此可 以加工有精准变化曲率的切削面和 曲 面 球头铣刀被广泛应用于制造业 特别是模具 航空航天 汽车工业等领域的 自由曲面加工 是复 杂 曲面半精加工和精加工的重要加工刀具之一 与普通切削相比 在高速切削加工时 切削热 和切削温度对刀具寿命和加工质量有着更显著的影 响 现代高速切削理论及高速切削试验研究结果表 明 加工过程 中切削热和切削温度是直接影 响刀具 的磨损 使用寿命及工作可靠性的主要因素之一 因 此研究切削热和切削温度的产生和变化规律 对于 分析和提高高速五轴数控加工 中心工艺可靠性具有 重要 工程 意义 1 切削温度模型 以 VMC 6 5 6 高速五轴数控加工 中心为研究对 象 根据 E G L o e we n和 M C S h a w 1 对计算剪切面 及前刀面接触区的平均温度方法的已经有了结果 忽 略加工中心球头铣刀切削热对周围介质的传导 假定 切削区剪切面产生的热量一部分传给切屑 比例为 一 部分传给工件 比例为 1 R 1 刀具前刀面 国家高档数控机床与基础 制造 装备重大专项资助项 目 编 号 2 0 0 9 Z X0 4 0 1 4 0 1 4 2 0 接触区产生的热量一部分传给切屑 比例设为 尺 2 另 一 部分传给刀具 比例为 1 于是从热源传入 切屑 的热流 密度为 R 2 g 传入 刀具的热流 密度为 1 R 2 q t s 根据金属切削理论 2 J 可得到传入刀具的热流 密度 g 为 式 1 中 为刀一 屑接触 长度 ram a 为切削 宽 度 mm 根据文献 2 3 铣刀前刀面上的摩擦力 为 生 一 一 2 s i n c o s 一7 0 一 s i n 一F o r 3 s i n c o s 一 o 3 9 2 HB 4 5 5 l i b C O S 0 1 3 s i n c o s 一 o 2 式 2 中 A 为切 削层 的截面积 mm 为刀 具剪切角 o为刀具前角 H B 为工件的布氏 硬度值 切削区剪切面产生的热量传给切屑的比例 R 刀 具前刀面接触区产生的热量 传给切 屑的 比例 R 2 与 刘明贺 等基于 ANS YS的高速五轴数控加工 中心球头铣刀切削温度仿真研究 剪切面平均温度 分别为 R1 R 1 1 3 3 Ff v c A 一 O o aw a c a c l Pl c o s t p F o c o s t C F o 蒯 中 面 c o s 7 S 1 n C OS I 一 1 X 巾 一丫 4 8 3 4 式 4 式 5 中 v 为切屑沿 刀具表 面流动 速率 为与热源面积长与宽之 比有关的一个无量纲的面 积因子 为刀具初始温度 为刀具摩擦角 将切 削区剪切面产生 的热量传给 切屑 的比例 1 刀具前刀面接触区产生的热量传给切屑 的比例 2及前刀面摩擦力 代入式 1 即可得到传入刀 具的热流密度 q 及其相关参数 2 切削温度场有 限元分析 2 1 有限元模型的建立 根据五轴数控加工中心铣削加工原理和实际加 工要求选 用 P r o E 界面下球头铣刀 的三维实体模 型 在该模型 中将参加切削的铣刀齿的前刀面与工 件接触部分看成面热源 随着铣刀齿的切入切出该 面热源周期性作用于工件表面 选取其中的某一周 期利用 ANS YS在高速铣削条件下对球头立铣刀的 切削温度场进行有限元仿真分析 2 2 有限元模型的加载与求解 对整个铣刀进行网格划分 并对刀齿部分进行 网格细化 网格划分后对切削面施加热源密度 加 载前需要确定切削温度的边界条件 1 直接在球头 铣刀模型上施加热流密度作为 自由度约束 2 在温 度 已知的边界上施加恒定的温度 仿真模型只设置 载荷步时间 而不设置载荷子步 针对不同切削参数条件加工中心球头铣刀的温 度场逐一进行加载和求解 以仿真出不同切削参数 对切削温度参数 的影响 2 3 切削区温度场的仿真 以 VMC 6 5 6高速五轴数控加工 中心典型工况 为分析背景 工件材料为铝合金 6 0 6 1 材料参数见 表 1 选用 的刀具是前角 3 1 后角 1 2 的球头铣 刀 切削用量参数 为 n 5 0 0 0 r mi n a p 0 3 mm 厂 0 1 2 mm r 加载后进行不同切削参数 的有限元 仿真与求解 表 1工件材 料参数 密度 硬度 导 热 系 数 比热 工件材料 K g m H B f m k J k g k 铝合金 6 0 6 1 2 7 1 O 9 0 1 7 7 8 7 1 通过 ANS YS进行铣刀不同接触齿数的温度分 布仿真 如图 1 图 2所示 图1 单齿切削温度分布图 图2 双齿切削温度分布图 将 时间t 0 0 0 5 S 的双齿切削温度分布图与相同 时刻的单齿切削温度分布 图进行对 比可 以看出 双 21 精密制造与 自动化 2 0 1 2年第 1 期 齿切削的刀刃所达到的温度高于单齿切削刀刃所达 到的温度 这是 由于单齿切削过程 中刀具只有单齿 进行切削 刀具所受到的切削热传递小于双齿同时 进行切削时的切削热传递 所 以形成了在相 同切削 参数条件下 同一时刻 的双齿切 削刀具温度高于单 齿切削刀具温度 图 3所示是依据单因素分析方法而得出的切削 参数对铣刀温度场的影响结果 4 0 0 3 5 0 3 0 0 p 2 5 0 2 0 0 赠1 5 o l O O 5 O 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 o 0 l 0 0 7 0 0 6 0 0 5 0 0 0 0 赠 3 0 0 2 0 0 1 0 O 切削深度 mm v l 5 7 m mi n f 0 1 2 mm r a 切削速度 m rai n 1 a D o 5 mm f 0 1 2m m r b 进给量 mm r 1 5 7 m mi n a p 0 6 mi t t c 图 3 切削用量参数对铣刀温度场的影响 根据分析结果 球头铣刀的切削温度随着切削 速度 切削厚度和进给量的增大而呈上升趋势 切 削深度对切削温度的影响较小 而切削速度和进给 量对切削温度的影响更为显著 研 究结果表明 在 金属切削过程中 切削温度对刀具寿命和工件加工 精度都有很大影响 切削时 刀具温度从刀尖处到 刀具顶端逐渐 降低 刀具上温度的最高点并不在刀 尖处 而是位于前刀面上距离刀尖一定距离处 这 是因为切削温度是一个逐渐积累的过程 从刀尖到 距其 l 2n l l T l 的地方 材料塑性变形和摩擦都在不 断累积 而其散热条件相差不大 导致切削温度的 最高点出现在距离刀尖 向上约 0 5 1 T I 1 T I 的地方 仿 真分析结果进一步验证 了所计算的金属切削过程中 刀具温度场分布规律的合理性 3 结 语 通过有限元仿真及理论解析法建模 从切削温 度场的角度 对球头铣刀切削温度随加工参数 的变 化规律进行了分析 并得到以下结论 1 数控加工中心在采用双齿或多齿铣刀进行 切削加工时 刀刃上将受到高于单齿切削 的温度载 荷 因此切削加工中如果过度应用多齿铣刀 将会 影响刀具的使用寿命和加工精度的保持性 2 球头铣刀的切削温度 随着切削速度 切削 厚度和进给量的增大而呈上升趋势 其中 切削速 度和进给量对切削温度的影响显著 而切削深度对 切削温度影响较 小 3 切削时刀具温度从刀尖处到刀具顶端逐渐 降低 刀具上温度 的最高点并不在刀尖处 而是位 于前刀面上距离刀尖一定距离处 参考文献 1 Lo e we n E G S h a w M C O13 t he a n s l Y s i s of c u t t i ng t oo l t e mp e r a t u r e s J Tr a n s o f t he ASM E 1 9 5 4 2 21 7 2 3 1 2 周 泽 华 金 属 切 削 理 论 M 北 京