立銑刀加工分析

1、硬質(zhì)合金高速立銑刀加工鋁合金的分析及設(shè)計我國的高速切削技術(shù)起步較晚，直到上個世紀(jì)八十年代末，國外高速加工技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用之時，我國才開始認(rèn)識高速加工技術(shù)的巨大發(fā)展前景和應(yīng)用潛力。1987年北京理工大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)收集和整理了大量關(guān)于高速切削的技術(shù)資料并從事高速切削技術(shù)的研究，并陸續(xù)發(fā)表了一些研究文章，90年代以后，國家自然基金資助了一系列高速切削相關(guān)技術(shù)的研究工作，其中山東大學(xué)和北京理工大學(xué)在高速切削機(jī)理研究與刀具研制方面作了大量工作。但是目前國內(nèi)還沒有成熟的產(chǎn)品系列，高速加工刀具大量依靠進(jìn)口，研究高速加工設(shè)計機(jī)理，發(fā)展硬質(zhì)合金高速刀具系列十分必要1 前言隨著加工機(jī)床和刀具材料的技術(shù)進(jìn)步，高速切削

2、技術(shù)得到了長足的發(fā)展。目前，國際知名工具公司都擁有了鋁合金加工硬質(zhì)合金高速立銑刀刀具產(chǎn)品。其中：Jabro Tools 公司、Fraisa公司產(chǎn)品較為成熟，系列全，品種多；另外Sandvik公司、OSG公司、三菱公司、Titex Plus公司、Guehing公司也都推出了鋁合金高速切削刀具。我國的高速切削技術(shù)起步較晚，直到上個世紀(jì)八十年代末，國外高速加工技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用之時，我國才開始認(rèn)識高速加工技術(shù)的巨大發(fā)展前景和應(yīng)用潛力。1987年北京理工大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)收集和整理了大量關(guān)于高速切削的技術(shù)資料并從事高速切削技術(shù)的研究，并陸續(xù)發(fā)表了一些研究文章，90年代以后，國家自然基金資助了一系列高速切削相關(guān)

3、技術(shù)的研究工作，其中山東大學(xué)和北京理工大學(xué)在高速切削機(jī)理研究與刀具研制方面作了大量工作。但是目前國內(nèi)還沒有成熟的產(chǎn)品系列，高速加工刀具大量依靠進(jìn)口，研究高速加工設(shè)計機(jī)理，發(fā)展硬質(zhì)合金高速刀具系列十分必要。2 高速立銑刀的設(shè)計原則關(guān)系式刀具失效有以下幾種形式，第一，在切削過程中，刀具在初始狀態(tài)就因為強(qiáng)度原因產(chǎn)生斷裂，刀具立即失效，這種刀具肯定是失敗的，這完全可用靜力分析來計算，這種分析可稱之為FA；第二，刀具在切削過程中由于刀具振動，使刀具壽命以及被加工件不能滿足實際要求，對刀具切削過程的振動分析稱之為FS；第三，刀具在切削過程中由于刀具前角和后刀面磨損太大或者由于刀具的微崩刃，使刀具不能滿足要

4、求，這是由于刀具前刀面和后刀面承受切屑和已加工面壓力，產(chǎn)生摩擦，特別在高溫狀態(tài)下，刀具硬度降低，更容易磨損，這種分析稱之為FM。一般的，在刀具設(shè)計中，刀具強(qiáng)度必須首先保證，其次為振動，最后才是FM。也就是說刀具設(shè)計存在以下關(guān)系式：D=FAFSFM同時FA、FS、FM也不是孤立的，它們之間也相互聯(lián)系，隨著刀具的磨損，刀具角度發(fā)生變化，切削力也隨著提高，刀具發(fā)生振動和折斷的可能性增大，刀具振動增大，同時也在加速刀具的破損和折斷。作為刀具的一個組成部分，高速立銑刀的設(shè)計原則同樣建立在此關(guān)系式的基礎(chǔ)上，按FAFSFM對刀具進(jìn)行分析，獲得刀具參數(shù)，并進(jìn)行論證。3 有限元分析在高速立銑刀設(shè)計中的應(yīng)用從二十

5、世紀(jì)七十年代開始，有限元法即被應(yīng)用于切削加工的模擬，并取得了一些成績，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，無論是國外還是國內(nèi)，都有相當(dāng)?shù)难芯砍晒?，有限元法逐漸應(yīng)用于分析切削工藝，預(yù)測工件、刀具以及切屑中的溫度分布，分析整體立銑刀的彎曲變形，研究整體硬質(zhì)合金立銑刀的應(yīng)力分布及破壞形式等。從這些研究成果來看，有限元分析開始用于切削的力學(xué)判定，包括切屑的形成以及內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變情況，主要研究切削溫度場分布和系統(tǒng)的研究刀具振動和失效，總的趨勢是從機(jī)理研究過渡到應(yīng)用技術(shù)。然而，怎樣研究高速加工立銑刀的設(shè)計以及制造工藝，怎樣判定設(shè)計的合理性，以及怎樣指導(dǎo)具體的設(shè)計和工藝要求，在這個方面的研究，國外和國內(nèi)大學(xué)的資料基本上還是空白

6、。本文針對以上空白進(jìn)行研究，在確立了高速立銑刀的切削力模型和設(shè)計原則之后，運用有限元分析法對設(shè)計關(guān)系式的三個重要因素一一進(jìn)行分析。1) 靜力分析FA刀具折斷應(yīng)力分析刀具折斷主要有以下幾種形式：第一，高速銑刀在使用過程中刀具刃口逐漸磨損，切削力逐漸增大，最后導(dǎo)致刀具失效，此時若不及時換刀，將導(dǎo)致刀具折斷；第二，由于刀具過于薄弱或相對切削用量太大，刀具承受切削力過大，導(dǎo)致刀具折斷。應(yīng)用有限元分析，可以得到刀具受力薄弱環(huán)節(jié)，在設(shè)計中重點考慮和設(shè)計：  圖1 靜態(tài)應(yīng)力分布圖從圖1可以看出，刀具折斷點在兩個應(yīng)力集中點，一為靠近夾頭處，一為刀具縮徑處，其中縮徑的應(yīng)力集中更為明顯，此處極

7、易斷裂。對于刀具縮頸處，由于應(yīng)力集中的影響，設(shè)計時則格外注意，應(yīng)如圖2圓滑過渡。 圖2 縮頸處放大圖高速銑刀切削刃處應(yīng)力分析a. 切削刃結(jié)構(gòu)分析在高速切削過程中，刀尖承受來自工件和切屑的壓應(yīng)力，承受壓應(yīng)力區(qū)域在分析過程中按圖3陰影部分計算，通過有限元分析，如圖4所示。  圖3 刃口靜態(tài)應(yīng)力分布 圖4 刀具參數(shù)圖表1 高速銑刀和普通銑刀角度差異切削材料高速切削普通切削前角后角前角后角鋁合金12-151320-308-12普通鋼01610-205-8鑄鐵0125-154-6鈦合金2-5155-106-8b. 刃口分析加工高速銑刀所用硬質(zhì)合金材料的屈服強(qiáng)度等力

8、學(xué)性能好，但脆性大，主要破損形式為脆性崩裂，即我們常說的“崩刃”。高速銑刀一旦崩刃后，切削刃與工件接觸面的摩擦力急劇上升，刀具磨損加快，導(dǎo)致刀具的早期失效。 圖5 切削刃帶缺口銑刀的應(yīng)力分析圖結(jié)果分析：在相同的切削參數(shù)下，完整切削刃口的銑刀，刃口處應(yīng)力值最大，而切削刃帶缺口銑刀，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在缺口附近。顯然，刀刃的缺口使缺口附近區(qū)域的產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致刀具的早期失效。設(shè)計過程必須要考慮加工工藝，以保證良好的刃口。2) 振動分析在高速切削加工過程中，振動(包括機(jī)床的振動，刀具的振動)對工件的加工質(zhì)量影響很大，同時刀具周期性的振動使刀刃產(chǎn)生微裂紋，微裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展，導(dǎo)致刀具的早期失效

9、，所以研究振動規(guī)律很有必要。a. 切削振動公式： 圖6 切削振動公式從上述公式中可以看出，影響切削振動的因素主要為：懸臂長度L，截面剛度I，刀桿直徑D，切削深度d，走刀量f，楊氏模量E等。下面針對各個因素進(jìn)行分析：i) 刀具懸伸長度變化對刀具應(yīng)力分布的影響的有限元分析實際分析的數(shù)據(jù)是：刀具懸伸長度為85mm時，刀具夾持部分附近區(qū)域應(yīng)力最大值是438.5Mpa；刀具懸伸長度為75mm時，刀具夾持部分附近區(qū)域的應(yīng)力值最大值為324.15Mpa；刀具懸伸長度為65mm時，刀具夾持部分附近區(qū)域應(yīng)力為279.28Mpa。 圖7 刀具懸伸長度為85mm時的等效應(yīng)力圖顯然刀具懸伸越大，刀

10、具夾持部分附近區(qū)域應(yīng)力值越大，在高速加工過程中越容易在此區(qū)域發(fā)生刀具折斷現(xiàn)象，所以，在滿足加工要求的前提下，盡可能地減少刀具的懸伸長度，避免刀具的突然折斷。ii) 楊氏模量E當(dāng)?shù)稐U材料確定后，楊氏模量為一定量，數(shù)據(jù)如下：刀桿材料楊氏模量(E)(Kg/mm2)硬質(zhì)合金5.3×104重金屬2.9×104鋼2.1×104iii) 截面剛度I截面剛度主要與刀具的直徑有關(guān)，但是對于高速立銑刀來說，必須考慮其切削部分結(jié)構(gòu)的特殊性，螺旋槽、后角、前角等對剛性有較大的影響，從而影響刀具的振動。在實驗過程中也得到證實，前角和后角以及螺旋角等的變化對各向切削力有相應(yīng)的影響，同時與振動

11、頻率和幅度有一定的關(guān)系。在其它條件確定的情況下，通過建立刀具參數(shù)與振動的數(shù)學(xué)關(guān)系模型，設(shè)定優(yōu)化的刀具參數(shù)值，就可以把刀具受力振動控制在理想的范圍內(nèi)。iv) 切削深度d,走刀量f等在用有限元分析及設(shè)計模型建立的過程中，切削深度d，走刀量f等這些切削參數(shù)對振動的影響就不在這里討論了。* 動平衡分析立銑刀高速切削時，不僅僅受到切削力的作用，而且還受到離心力的影響。如圖8、9所示，切削分力Fc(x向造成立銑刀扭轉(zhuǎn)變形)，徑向分力Fcn(y向造成立銑刀彎曲變形)和軸向分力Fa(z向造成立銑刀沿軸線方向的壓縮變形)，上述變形引起刀尖在x、y、z三個方向的變化。 (b) 切削力因素(Model1)

12、(n=10,000r/min，dc=10mm，變形單位:m)圖8 離心力和切削力對刀具的xy向變形(刀尖A點處)的影響 (a) 離心力因素 (b) 切削力因素(Model1)(n=10,000r/min，dc=10mm，等效應(yīng)力單位:Pa)圖9 離心力和切削力對刀具最大等效應(yīng)力的影響在設(shè)計過程中必須考慮動平衡問題，G為平衡品質(zhì)(mm/s)，即反映刀具平衡量與轉(zhuǎn)速關(guān)系的參數(shù)： 式中：e偏心(g×mm/Kg)M刀體質(zhì)量(Kg)w角速度(r/s)m不平衡量(g)N轉(zhuǎn)速(rpm)r不平衡半徑(mm)U殘余不平衡量(g×mm)殘余不平衡量U=m×

13、;r* 減振棱別的，在高速力銑刀的后刀面上與切削刃相交的區(qū)域增加了一條細(xì)小的棱帶，目的是降低切削力，更好的減少振動。3) 疲勞分析a. 高速加工中應(yīng)力分布在高速切削過程中，刀刃頻繁的切入，切出，使刀具刃口每秒幾百次經(jīng)受工件的錘擊。如圖10所示： 圖10 應(yīng)力分布分析刀具的設(shè)計需要充分注意優(yōu)化刀具的幾何參數(shù)，適應(yīng)如此高頻率的應(yīng)力變化。高速銑削對刀具提出了更高的要求，高速力銑刀不僅要有很強(qiáng)的抗沖擊性更重要的還要有很好的耐高溫性。b. 高速加工中溫度分布高速切削與普通切削不同，普通切削抗沖擊性是機(jī)械疲勞破損，高速切削在加工過程中，在切削刃周圍產(chǎn)生高溫，使刀具切削刃局部變軟，強(qiáng)度硬度等力學(xué)性

14、能下降，這對刀具的磨損以及切屑刀具之間的摩擦都很大的影響，而且熱量較普通切削更集中于刃口，造成刃口處很高的應(yīng)力和溫度梯度，使高速銑削時刀具易產(chǎn)生崩刃等脆性破損。通過對高速加工切削過程的有限元分析，可以模擬出整個切屑的形成的過程，從而分析出在切削加工過程中溫度場的動態(tài)分布。作為刀具的疲勞磨損是熱疲勞磨損和機(jī)械應(yīng)力磨損的綜合，通過刀具參數(shù)與兩種磨損的關(guān)系將有效優(yōu)化設(shè)計。 圖11 切削溫度分布圖4) 鋁合金高速切削的特點及對刀具的要求在鋁加工過程中，由于鋁合金塑性變形大，切削速度越高，切屑流動速度大于切削變形速度，即切屑來不及變形就從后刀面流出，如圖12所示：F刀具OA為低速時切屑剪切面，OB為高速切削時切屑剪切面，在高速加工時，剪切角將變大，變形系數(shù)變小，變形系數(shù)接近于1，所以切削變形產(chǎn)生的熱量很少，但對前刀面的壓力增大，大部分熱量來自切屑與刀刃的摩擦，有效降低摩擦熱的生成是高速銑刀設(shè)計的特點之一。 圖12 低速加工和高速加工的切屑變形5) 對刀具設(shè)計的要求對刀具設(shè)計的要求主要是尋求降低摩擦熱的方法：a. 采用涂層介質(zhì)或前刀面拋光工藝提高表面光潔度，減少加工時的摩擦阻力b. 增大前角切削輕快，降低加工時的切削力c. GASH角和小槽的設(shè)計Gash 角和小槽主要