2 高速立銑刀的設(shè)計(jì)原則關(guān)系式

3 有限元分析在高速立銑刀設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

1. 靜力分析FA
   1. 刀具折斷應(yīng)力分析
      刀具折斷主要有以下幾種形式：第一琳疏，高速銑刀在使用過程中刀具刃口逐漸磨損有决，切削力逐漸增大，最后導(dǎo)致刀具失效空盼，此時(shí)若不及時(shí)換刀书幕，將導(dǎo)致刀具折斷新荤；第二，由于刀具過于薄弱或相對(duì)切削用量太大台汇，刀具承受切削力過大苛骨，導(dǎo)致刀具折斷。應(yīng)用有限元分析苟呐，可以得到刀具受力薄弱環(huán)節(jié)痒芝，在設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮和設(shè)計(jì)：
      從圖1可以看出，刀具折斷點(diǎn)在兩個(gè)應(yīng)力集中點(diǎn)付箩，一為靠近夾頭處肛精，一為刀具縮徑處，其中縮徑的應(yīng)力集中更為明顯姓拂，此處極易斷裂。對(duì)于刀具縮頸處魄蔗，由于應(yīng)力集中的影響寒肋，設(shè)計(jì)時(shí)則格外注意，應(yīng)如圖2圓滑過渡肆洽。
   2. 高速銑刀切削刃處應(yīng)力分析
      1. 切削刃結(jié)構(gòu)分析
         在高速切削過程中易麻，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(jì)算社咒，通過有限元分析秽祷，如圖4所示。
         

         表1 高速銑刀和普通銑刀角度差異表

         切削 材料	高速切削		普通切削
         	前角	后角	前角	后角
         鋁合金	12-15	13	20-30	8-12
         普通鋼	0	16	10-20	5-8
         鑄鐵	0	12	5-15	4-6
         鈦合金	2-5	15	5-10	6-8

      2. 刃口分析
         加工高速銑刀所用硬質(zhì)合金材料的屈服強(qiáng)度等力學(xué)性能好位俩，但脆性大矗寂，主要破損形式為脆性崩裂，即我們常說的“崩刃”勇蝙。高速銑刀一旦崩刃后沫勿，切削刃與工件接觸面的摩擦力急劇上升，刀具磨損加快味混，導(dǎo)致刀具的早期失效产雹。
         結(jié)果分析：
         在相同的切削參數(shù)下，完整切削刃口的銑刀翁锡，刃口處應(yīng)力值最大蔓挖，而切削刃帶缺口銑刀，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在缺口附近馆衔。顯然瘟判，刀刃的缺口使缺口附近區(qū)域的產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致刀具的早期失效角溃。設(shè)計(jì)過程必須要考慮加工工藝荒适，以保證良好的刃口梨熙。
2. 振動(dòng)分析
   在高速切削加工過程中，振動(dòng)(包括機(jī)床的振動(dòng)刀诬，刀具的振動(dòng))對(duì)工件的加工質(zhì)量影響很大锯忱，同時(shí)刀具周期性的振動(dòng)使刀刃產(chǎn)生微裂紋，微裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展健吃，導(dǎo)致刀具的早期失效闰妓，所以研究振動(dòng)規(guī)律很有必要。

   1. 切削振動(dòng)公式：
      圖6 切削振動(dòng)公式
      從上述公式中可以看出陕绢，影響切削振動(dòng)的因素主要為：懸臂長(zhǎng)度L过腰，截面剛度I，刀桿直徑D闯揪，切削深度d橄看，走刀量f，楊氏模量E等避某。下面針對(duì)各個(gè)因素進(jìn)行分析：

      1. 刀具懸伸長(zhǎng)度變化對(duì)刀具應(yīng)力分布的影響的有限元分析
         實(shí)際分析的數(shù)據(jù)是：刀具懸伸長(zhǎng)度為85mm時(shí)硅跌，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(zhǎng)度為75mm時(shí)蚯垫，刀具夾持部分附近區(qū)域的應(yīng)力值最大值為324.15Mpa闲涕；刀具懸伸長(zhǎng)度為65mm時(shí)，刀具夾持部分附近區(qū)域應(yīng)力為279.28Mpa咳碰。
         顯然刀具懸伸越大剖毯，刀具夾持部分附近區(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)象教馆，所以逊谋，在滿足加工要求的前提下，盡可能地減少刀具的懸伸長(zhǎng)度土铺，避免刀具的突然折斷涣狗。
      2. 楊氏模量E
         當(dāng)?shù)稐U材料確定后，楊氏模量為一定量舒憾，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	2.1×104

      3. 截面剛度I
         截面剛度主要與刀具的直徑有關(guān)镀钓，但是對(duì)于高速立銑刀來說，必須考慮其切削部分結(jié)構(gòu)的特殊性镀迂，螺旋槽丁溅、后角、前角等對(duì)剛性有較大的影響探遵，從而影響刀具的振動(dòng)窟赏。在實(shí)驗(yàn)過程中也得到證實(shí)，前角和后角以及螺旋角等的變化對(duì)各向切削力有相應(yīng)的影響箱季，同時(shí)與振動(dòng)頻率和幅度有一定的關(guān)系棕健。在其它條件確定的情況下寸纠，通過建立刀具參數(shù)與振動(dòng)的數(shù)學(xué)關(guān)系模型，設(shè)定優(yōu)化的刀具參數(shù)值秕肚，就可以把刀具受力振動(dòng)控制在理想的范圍內(nèi)帮课。
      4. 切削深度d,走刀量f等
         在用有限元分析及設(shè)計(jì)模型建立的過程中，切削深度d袭吗，走刀量f等這些切削參數(shù)對(duì)振動(dòng)的影響就不在這里討論了八泡。
   2. 動(dòng)平衡分析
      立銑刀高速切削時(shí)，不僅僅受到切削力的作用苏昨，而且還受到離心力的影響锚揍。如圖8、9所示赘湾，切削分力Fc(x向造成立銑刀扭轉(zhuǎn)變形)防养，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律逼、y按辱、z三個(gè)方向的變化。
      在設(shè)計(jì)過程中必須考慮動(dòng)平衡問題逗爹，G為平衡品質(zhì)(mm/s)亡嫌，即反映刀具平衡量與轉(zhuǎn)速關(guān)系的參數(shù)：
      

      G=w×e=	pN	×	U	=	p×U×N
      	30		M		30×M

      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——?dú)堄嗖黄胶饬?g×mm)
      殘余不平衡量U=m×r
   3. 減振棱
      別的嚎于，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)小的棱帶掘而，目的是降低切削力，更好的減少振動(dòng)于购。
3. 疲勞分析
   1. 高速加工中應(yīng)力分布
      在高速切削過程中袍睡，刀刃頻繁的切入，切出肋僧，使刀具刃口每秒幾百次經(jīng)受工件的錘擊斑胜。如圖10所示：
      

      圖10 應(yīng)力分布分析

      圖11 切削溫度分布圖

      圖12 低速加工和高速加工的切屑變形

      刀具的設(shè)計(jì)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)力變化嫌吠。
      高速銑削對(duì)刀具提出了更高的要求止潘，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。
   2. 高速加工中溫度分布
      高速切削與普通切削不同辫诅，普通切削抗沖擊性是機(jī)械疲勞破損凭戴，高速切削在加工過程中，在切削刃周圍產(chǎn)生高溫炕矮，使刀具切削刃局部變軟逆酣，強(qiáng)度硬度等力學(xué)性能下降，這對(duì)刀具的磨損以及切屑—刀具之間的摩擦都很大的影響堡它，而且熱量較普通切削更集中于刃口殖锹，造成刃口處很高的應(yīng)力和溫度梯度靡循，使高速銑削時(shí)刀具易產(chǎn)生崩刃等脆性破損。
      通過對(duì)高速加工切削過程的有限元分析席磕，可以模擬出整個(gè)切屑的形成的過程铣滥，從而分析出在切削加工過程中溫度場(chǎng)的動(dòng)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)力磨損的綜合剂现，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(jì)捕如。
4. 鋁合金高速切削的特點(diǎn)及對(duì)刀具的要求
   在鋁加工過程中，由于鋁合金塑性變形大茁臀，切削速度越高揩池，切屑流動(dòng)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堆因，如圖12所示： F→刀具
   OA為低速時(shí)切屑剪切面泪桥，OB為高速切削時(shí)切屑剪切面，在高速加工時(shí)久窟，剪切角將變大秩冈，變形系數(shù)變小，變形系數(shù)接近于1斥扛，所以切削變形產(chǎn)生的熱量很少入问，但對(duì)前刀面的壓力增大，大部分熱量來自切屑與刀刃的摩擦稀颁，有效降低摩擦熱的生成是高速銑刀設(shè)計(jì)的特點(diǎn)之一芬失。
5. 對(duì)刀具設(shè)計(jì)的要求
   對(duì)刀具設(shè)計(jì)的要求主要是尋求降低摩擦熱的方法：

   1. 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(shí)的摩擦阻力
   2. 增大前角
      切削輕快匾灶，降低加工時(shí)的切削力
   3. GASH角和小槽的設(shè)計(jì)
      Gash 角和小槽主要是容屑和排屑的作用棱烂。在高速加工過程中，切屑順利排除對(duì)刀具非常重要阶女，但小槽和GASH角過大颊糜，將降低刀具刃部強(qiáng)度，通過對(duì)刀具有限元分析秃踩，設(shè)定安全值衬鱼，可以有效設(shè)計(jì)。

4 總結(jié)

1. 本文在對(duì)刀具失效形式分析的基礎(chǔ)上提出高速立銑刀的設(shè)計(jì)關(guān)系式： D={FA→FS→FM}
2. 本文運(yùn)用有限元分析法對(duì)設(shè)計(jì)關(guān)系式的三個(gè)重要因素FA酿萄、FS序机、FM一一進(jìn)行了細(xì)致的分析，確定了高速立銑刀良好結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)拗辜。
3. 本文在分析的基礎(chǔ)上對(duì)高速銑刀的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)圃星，并運(yùn)用獲得的理論來指導(dǎo)加工工藝的制定。