立铣刀加工分析.doc

硬质合金高速立铣刀加工铝合金的分析及设计 我国的高速切削技术起步较晚，直到上个世纪八十年代末，国外高速加工技术大规模应用之时，我国才开始认识高速加工技术的巨大发展前景和应用潜力。1987年北京理工大学、同济大学收集和整理了大量关于高速切削的技术资料并从事高速切削技术的研究，并陆续发表了一些研究文章，90年代以后，国家自然基金资助了一系列高速切削相关技术的研究工作，其中山东大学和北京理工大学在高速切削机理研究与刀具研制方面作了大量工作。但是目前国内还没有成熟的产品系列，高速加工刀具大量依靠进口，研究高速加工设计机理，发展硬质合金高速刀具系列十分必要 随着加工机床和刀具材料的技术进步，高速切削技术得到了长足的发展。 目前，国际知名工具公司都拥有了铝合金加工硬质合金高速立铣刀刀具产品。其中：Jabro Tools 公司、Fraisa公司产品较为成熟，系列全，品种多；另外Sandvik公司、OSG公司、三菱公司、Titex Plus公司、Guehing公司也都推出了铝合金高速切削刀具。 我国的高速切削技术起步较晚，直到上个世纪八十年代末，国外高速加工技术大规模应用之时，我国才开始认识高速加工技术的巨大发展前景和应用潜力。1987年北京理工大学、同济大学收集和整理了大量关于高速切削的技术资料并从事高速切削技术的研究，并陆续发表了一些研究文章，90年代以后，国家自然基金资助了一系列高速切削相关技术的研究工作，其中山东大学和北京理工大学在高速切削机理研究与刀具研制方面作了大量工作。但是目前国内还没有成熟的产品系列，高速加工刀具大量依靠进口，研究高速加工设计机理，发展硬质合金高速刀具系列十分必要。 2 高速立铣刀的设计原则关系式 刀具失效有以下几种形式，第一，在切削过程中，刀具在初始状态就因为强度原因产生断裂，刀具立即失效，这种刀具肯定是失败的，这完全可用静力分析来计算，这种分析可称之为FA；第二，刀具在切削过程中由于刀具振动，使刀具寿命以及被加工件不能满足实际要求，对刀具切削过程的振动分析称之为FS；第三，刀具在切削过程中由于刀具前角和后刀面磨损太大或者由于刀具的微崩刃，使刀具不能满足要求，这是由于刀具前刀面和后刀面承受切屑和已加工面压力，产生摩擦，特别在高温状态下，刀具硬度降低，更容易磨损，这种分析称之为FM。 一般的，在刀具设计中，刀具强度必须首先保证，其次为振动，最后才是FM。也就是说刀具设计存在以下关系式： D={FA→FS→FM} 同时FA、FS、FM也不是孤立的，它们之间也相互联系，随着刀具的磨损，刀具角度发生变化，切削力也随着提高，刀具发生振动和折断的可能性增大，刀具振动增大，同时也在加速刀具的破损和折断。 作为刀具的一个组成部分，高速立铣刀的设计原则同样建立在此关系式的基础上，按FA→FS→FM对刀具进行分析，获得刀具参数，并进行论证。 3 有限元分析在高速立铣刀设计中的应用 从二十世纪七十年代开始，有限元法即被应用于切削加工的模拟，并取得了一些成绩，经过几十年的发展，无论是国外还是国内，都有相当的研究成果，有限元法逐渐应用于分析切削工艺，预测工件、刀具以及切屑中的温度分布，分析整体立铣刀的弯曲变形，研究整体硬质合金立铣刀的应力分布及破坏形式等。 从这些研究成果来看，有限元分析开始用于切削的力学判定，包括切屑的形成以及内部应力应变情况，主要研究切削温度场分布和系统的研究刀具振动和失效，总的趋势是从机理研究过渡到应用技术。然而，怎样研究高速加工立铣刀的设计以及制造工艺，怎样判定设计的合理性，以及怎样指导具体的设计和工艺要求，在这个方面的研究，国外和国内大学的资料基本上还是空白。本文针对以上空白进行研究，在确立了高速立铣刀的切削力模型和设计原则之后，运用有限元分析法对设计关系式的三个重要因素一一进行分析。 1) 静力分析FA 刀具折断应力分析 刀具折断主要有以下几种形式：第一，高速铣刀在使用过程中刀具刃口逐渐磨损，切削力逐渐增大，最后导致刀具失效，此时若不及时换刀，将导致刀具折断；第二，由于刀具过于薄弱或相对切削用量太大，刀具承受切削力过大，导致刀具折断。应用有限元分析，可以得到刀具受力薄弱环节，在设计中重点考虑和设计： ? ? 图1 静态应力分布图 ? 图2 缩颈处放大图 a. 切削刃结构分析 在高速切削过程中，刀尖承受来自工件和切屑的压应力，承受压应力区域在分析过程中按图3阴影部分计算，通过有限元分析，如图4所示。 ? ? 图3 刃口静态应力分布 ? 图4 刀具参数图 表1 高速铣刀和普通铣刀角度差异 材料 高速切削 普通切削 前角 后角 前角 后角 铝合金 12-15 13 20-30 8-12 普通钢 0 16 10-20 5-8 铸铁 0 12