适当的增大螺旋角 可降低切削力对加工表面宽度的影响 提高己加工表面精度【 有限元在刀具结构设计中的应用目前高速切削刀具研究中理论研究和试验方法并重理论研究大多集中在理论建模和计算与有限元模拟两方面 而有限元模拟方法比较直观 能够更接近真实的切削加工过程 因此近年来有限元在刀具结构设计与几何参数优选中得到了快速的发展。本研究对于解决针对钛合金加工的刀具设计问题 对铣削钛合金寿命低这一问题具有一定的指导意义 对于设计加工钛合金加工刀具具有一定的的意义和价值。刀具前角增大 刀具对金属材料的剪切作用增大 同时刀刃附近金属材料的变形程度与塑性变形范围减小 切屑变形细数减小 切屑沿前刀面的摩擦力同时减小【 。后角增大时刀楔角减小 刀具刃口半径变小 刀具刃口变得更加锋利 刀具更易切入工件 已加工表面变质层深度减小。增大时工艺系统刚性不强时 容易引起系统振动 脆性较大的刀具材料对振动较敏感 因此脆性材料做刀具材料时 刀尖圆弧半径取得小一些。图 直角切削过程中前角与后角标注一般刀具的作用包括了两个方面一个是刀刃的作用 一个是构成刀刃的刀面的作用。第一章绪论 可转位刀片 前角对切削钛合金的影响图 刀尖破损图 整体立铣刀图为刀具基本几何角度前角 。铣削力建模 刀尖结构形式选择刀尖具有强度低、散热条件差的特点。第三章铣削钛合金圆弧过渡刃半径优选建立了铣削 三维有限元仿真模型 对不同圆弧过渡刃半径的刀具面铣 过程进行动态物理仿真 通过对比仿真切削力与试验切削力 对仿真的有效性进行了验证 对比切削温度和米塞斯应力在不同圆弧过渡刃刀具上的分布规律和最大值 并优化出适合铣削 的刀具的刀尖圆弧结构。整理好这些基本情况后 才能合理选择直线过渡刃 修光刃和圆弧过渡刃等刀尖参数。采用专门的切削加工软件和数值模拟的方法来分析加工过程及各种参数之间的关系 可以通过改变刀具结构与选择合理的刀具几何参数改进刀具受力状况 为刀具强度与寿命的分析提供一定的依据。上述研究集中将铣刀结构单独列出 然后采用静态仿真模拟刀具结构对应力及刀具刚度的影响 其中采用静态仿真有一定局限性 不能反映出刀具在加工中实际切削性能。研究表明 前角与残余拉应力的厚度没有明显的关系 但是当前角增大时 工件表面的残余拉应力呈先增大后减小趋势 钝圆半径增大时呈残余应力减小趋势 但是残余应力层的厚度增大【 。

  铣削,加工塑性材料过程中 刀具与工件相互作用产生切削力。较小的后角适用于各种有尺寸精度要求的刀具 使用较小的后角是为了限制重磨后刀具尺寸的变化【 。相对于直角刀具 螺旋角切削平稳、切削轻快、效率高及使用广泛等有点 目前在铣削加工中得到了广泛应用【 。钛合金薄壁,加工钛合金薄壁件时 容易引起薄壁件的变形与振动 针对上述问题对立铣刀的前角、后角与螺旋角对薄壁件切削过程进行了有限元仿真 得出了刀具结构对切削力 刀具变形和工件变形的影响规律 并对刀具的几何参数进行了优选。基于圆弧过渡刃半径及工艺参数的铣削力建模第二章基于圆弧过渡刃半径及工艺参数的铣削力建模引言切削力对刀具磨损、切削稳定性等产生重要影响 目前 考虑刀尖圆弧半径对铣削力影响的研究较少。第四章基于刀具磨损率的铣削钛合金刀具结构设计刀具的磨损率模型与切削过程中的温度及刀具上的应力分布有关刀具的磨损率与切削温度与应力呈正相关关系 确立了米塞斯应力与温度为双目标对刀具结构进行优选。课题研究背景及意义本研究针对难加工材料钛合金 及加工钛合金薄壁件中遇到的技术难题铣削过程中刀具比较容易磨损并且铣削薄壁件类零件很容易出现振动影响着工件加工表面质量这两个问题 通过理论分析、有限元仿真及试验研究 围绕铣削钛合金 刀具结构中刀尖、刀具前角、刀具后角及螺旋角进行几何参数优选研究为铣削钛合金 的刀具设计及应用提供一定的理论基础 以减小在铣削 过程中刀具的磨损与破损延长刀具寿命。刀具设计,不同前角的刀具在加工不同材料时会产生不同形状的切屑工件内部的应力与应变分布也会不相同。薄壁结构,结构,通过有限元仿真进行刀具结构合理分析 将是未来刀具设计与开发的方向。粗加工时 切削厚度较大 切削力大而且切削温度较高 这时应取较小的后角 以加强刃口强度 改善加工中的散热条件 精加工时切削厚度较小 刀具会发生后刀面磨损 为了使刃口变的更加锋利 后角取值应该稍微大一些。正是基于上述优点 设计不同的刀具结构方案 通过有限元仿真分山东大学硕士学位论文析实现刀具结构的优化。但是后角超过一定的范围时 刀楔角会显著变小 散热条件恶化 同时刀具刃口强度被削弱 会使刀具耐用度降低甚至会发生刀具破损。研究发现车削过程中刃与刀尖圆弧的相互的作用对刀具破损有重要的影响 车削轴承钢时刀尖圆弧半径及刀具破损对残余应力分布的影响 发现刀尖圆弧半径对工件表面质量起着重要作用 并从二维的视角观察了刀尖的破损 介绍了一种半经验公式预测斜角切削过程中的切削力和切削温度 其中考虑了刀尖圆弧半径影响 例研究了车削过程中刀尖的几何结构对白层的形成影响。

  螺旋角有以下特性 一般认为立铣刀的螺旋角就是刃倾角 关于刃倾角对切削加工的影响大多数是以车削加工为中心进行分析 螺旋角增大相当于切削中的刃倾角变大 立铣刀的实际切削前角增大 使立铣刀的刃口变得更加锋利 螺旋角大小与圆周韧带的磨损速度呈正比 螺旋角过大时 刀具刚性差 刀具排屑性能差 寿命低 螺旋角过小时 刀具轻微磨损会使刀具刀具切削性能降低 引起切削振动加剧 使刀具磨损加快 】。有限元方法使用数学与物理模型 利用相关理论 对刀具加工过程进行数值模拟分析 具有省时 省力和廉价等特点 可以在仿真结果中得出材料的力学与物理特性 可以较为精准的分析刀具上的受力情况 可以清楚的了解刀 山东大学硕士学位论文具内部温度 应力和应变的分布规律 获得直观的温度 应力和应变的云图。钛合金,当工件材料的强度和硬度较高时 为了增强切削刃强度 应该选取小的后角 工件材料较软 塑性较大 已加工表面易产生加工硬化时 后刀面摩擦对刀具磨损和加工表面质量影响较大 这时应取较大的后角。前角的大小对金属零件的切削过程有着较大的影响。第五章铣削钛合金薄壁件立铣刀结构设计铣削薄壁件时薄壁件会发生变形刀具结构是重要的因素。采用有限元分析方法分析切削刃的钝圆半径和前角与残余应力之间的关系。上述学者的工作主要将立铣刀结构单独分离出来进行研究 刀具结构对立铣刀整体性能影响研究较少。合肥工业大学张春来 采用刀具设计有限元仿真方法 对纳米金属陶瓷刀具进行了有限元分析计算 使用仿真软件对倒棱刀具的倒棱结构进行了优化 经仿真发现倒棱刀具的米塞斯应力要小于非倒棱刀具 】建立了不同结构铣刀的三维模型 将建立的铣刀的三维模型在 中将铣刀参数精确化 然后对刀具在静态与动态下施加载荷 观察刀具的米塞斯应力变化情况 山东大学皇攀凌‘ 研究了铣削过程中的振动 针对加工中的振动通过理论分析 有限元和试验研究设计出了新型变齿距立铣刀 江南大学傅蔡安【 运用分解的方法 将加工叶片的成形铣刀进行分体设计 对分体成形铣刀加工叶片根部过程进行了仿真 研究发现将成形铣刀进行分体设计瞬时切削力减小 有利于降低切削中的冲击 李迪【硎研究了微型单晶金刚石刀具的设计原理 设计了单晶金刚石球头铣刀 装夹式立铣刀和焊接刀杆式圆柱立铣刀 对单晶金刚石刀具磨削过程进行了有限元模拟 研究发现单晶金刚石立铣刀最大应力集中在金刚石圆柱根部。吴红兵酬研究了前角对切削力和锯齿状切屑形成的影响规律。上述研究集中于利用计算机仿真技术 对刀具进行精准设计 但是并没有仿真不同结构铣刀在切削加工中性能。修光刃是增大时工艺系统刚性不强时 容易引起系统振动 脆性较大的刀具材料对振动较敏感 因此脆性材料做刀具材料时 刀尖圆弧半径取得小一些。修光刃增加刀尖半径均或减小进给量可以改善加工表面的表面粗造度 但前者会使切削力增大 后者会降低生产效率。倪桂功唧】采用有限元分析方法 对球头立铣刀通过静态分析及灵敏度分析 对数控刀具的三维结构模型在 中进行静态有限元分析 实现了立铣刀芯后的优选 】使用有限元方法 设计了一款旋转的超声波铣削刀具 研究结果表明 在超声波铣削的动态仿真中使用有限元是可行的 当铣刀长度增加时 加工时共振频率下降 】为了优化立铣刀前角以延长刀具寿命基于切削加工的热弹塑性有限元方程 综合了切屑的几何和物理分离标准 建立了二维切削加工有限元模型 模拟了不同前角在不同切削速度下的加工过程 研究发现 刀具前角增大 刀具前刀面的切削温度会降低 有利于刀具寿命的延长 】针对高速铣削过程中刀具的受力模型通过有限元软件对高速铣刀应变与应力情况进行了分析 研究发现长径比能够对刀具应力应变产生影响 根据应力应变状况对刀具直径和悬伸量进行了优选 曹自洋【删采用有限元方法 通过静力学与模态分析 研究了微细铣刀的振型与固有频率 探讨了刀具悬伸长对铣削过程中刀具振动 铣刀应力和变形的影响 当增大刀具悬伸长度时 可以降低刀具固有频率 避免颤振 材料模型使用二维铣削模块模拟了加工钛合金的过程 对切削钛合金的刃口钝圆半径进行了优化 !

  本章首先对铣削钛合金刀具的刀尖进行选择 然后对圆弧过渡刃结构进行分析 根据刀具圆弧过渡刃的结构以及工艺参数对面铣过程的几种类型进行分类 根据分类对面铣西 进行切削力建模 最后通过铣削试验 对铣削力模型的有效性进行了验证 分析了圆弧过渡刃的变化对铣削力的影响规律。如图 所示为常见的三种刀尖型式。工件材料 刀具材料及加工的实际条件 是刀具刀尖圆弧过渡刃半径选择的三个基本依据。圆弧过渡刃不仅可以提高刀具耐用度 还可减小已加工表面粗糙度 直线形过渡刃可以减小径向分力和振动 修光刃在不减小进给量的情况下已加工表面的粗糙度值降低了。圆弧过渡刃 直线过渡刃 刀尖常见型式其他还有各种不同型式的刀尖复合结构本章圆弧过渡刃的刀尖对铣削钛合金薄壁件刀具结构设计研究研究,由于加工金属材料是刀具对金属材料挤压与剪切的结果。因此 在切削时 刀尖处切削温度较高 很容易磨损。刀刃与工件材料处局部应力大致使工件材料分离。在实际加工钛合金过程中经常会发生由于刀具刀尖破损 如图 所示 而影响加工效率。陈逢军【 在在前刀面与后刀面建立了数学模型 利用数学模型及 控件技术建立了球头铣刀的分析和仿真系统 通过改变刃磨参数值得到铣刀不同的 第一章绪论结构 】利用神经网络的映射能力 将训练完毕的 神经网络用在成形铣刀的设计与仿真中 并使用 语言编制计算机仿真程序实现刀具数据的修补 根据向量分析法建立了螺旋槽盘形铣刀的数学模型使用 语言对螺旋槽盘形铣刀刃形进行参数化设计 提高了螺旋槽盘形铣刀的设计精度 牛占文与刘仁龙例对加工齿轮曲面倒角的刀具结构在 环境下进行了建模 应用 开发工具 开发出了刀具仿真系统 应用开发的仿真系统对刀具结构参数进行调整。

  不减小进给量的情况下降低表面粗糙度值 副偏角的角度只能减小。刀具铣削后角对切削钛合金的影响后角影响着工件加工表面与后刀面之间的摩擦以及刀楔角。螺旋角对刀具的切削加工性能有很大的影响。通过切削加工仿真研究发现 前角增大时 切削区的最高温度有降低趋势 】。修光刃的基本设计思路是在标准刀具的最大刀尖半径允许范围内调整刀尖的几何结构。刀具设计具有空间角度较难计算 刀具形状复杂 几何参数繁多和切削机理复杂的特点。针对铣削钛合金 过程 采用理论分析 建立了基于刀具结构与工艺参数的铣削力模型 采用非线性拟合的方法拟合出刀尖系数 并对铣削力模型进行了试验验证 对在铣削过程中刀尖圆弧半径对切削力的影响进行了分析 采用有限元分析与单因素试验相结合的方法 研究了铣削过程中圆弧过渡刃半径对切削温度和米塞应力的影响 为获得铣削 刀具的最佳圆弧过渡刃半径提供依据根据刀具磨损率模型 分析了米塞应力与温度在刀具磨损中的作用 同时 应用有限元仿真了立铣刀在铣削过程中 温度与米塞斯应力在立铣刀前刀面与后刀面的分布规律 并以上述两因素为考核指标对刀具前角与后角进行了优化 由于铣削是周期性的断续切削过程 因此以铣削均匀性指标对立铣刀的螺旋角对刀具的螺旋角进行了优化 以减小加工中的振动。后角有以下主要作用 后角增大 刀具的磨损减小 加工表面质量得到改善 后角增大 后刀面磨钝标准相同时 刀具达到磨钝标准时去除金属体积多 刀具耐用度提高 但在 刀具径向磨损量 相同时 则去除金属体积变少 刀具耐用度降低。国内外研究人员使用有限元方法对金属切削过程及刀具结构设计关键技术做了大量研究。第一章绪论 课题主要内容及论文框架基于铣削钛合金及钛合金薄壁件中存在的问题 通过理论分析、有限元分析和切削加工试验 围绕面铣刀具的刀尖及整体螺旋立铣刀结构中的前角 后角和螺旋角对铣削钛合金刀具结构进行了研究 主要内容包括以下 个部分 “第二章基于圆弧过渡刃半径及工艺参数的铣削力建模根据刀尖的结构以及工艺参数对面铣过程中的几种情况进行讨论分类 根据讨论的情况 选取切削加工中最常见的一种类型对面铣 进行切削力建模 通过铣削试验 对铣削力模型的有效性进行了验证 分析了圆弧过渡刃的变化对铣削力的影响规律。贺静 使用数学模型分析了刀尖圆弧半径对渐开线齿根应力及应力分布的影响 】对数控车削加工中的刀具的刀尖圆弧半径对切削力断屑及加工表面质量等的影响进行了研究 通过对振动切削和传统切削的再生颤振发生机理的仿真计算在振动切削中采用大刀尖圆弧半径刀具 解决了难切削加工材料中的再生颤振和刀具强度问题 研究分析了刀具的实际形态和加工中刀具磨损等情况用刀尖补偿需求半径来反映刀尖补偿所需的量 改进了刀尖半径补偿功能。钛合金铣削,结构件,工艺系统刚性差时为防止振动 可增加阻第一苹绪论尼 甚至磨出消振棱。

  前角增大 切屑与前刀面之间的挤压与摩擦减小 而且金属在切削第一变形区与第二变形区弹塑性变形减小 消耗的机床功率减小 转化为热能部分的能量减小 最终切削区域的温度降低。根据之前建立的切削 的材料模型和失效模型 采用单因素试验法从切削力 切削温度、刀具应力和切屑厚度等方面 分析对比不同前角 铣削过程的影响规律从而选出适合精加工钛合金 后角和螺旋角。有限元分析法有以下几个优点 有限元方法可以分析形状特别复杂的、非均质的各种工程结构 可以模拟各种复杂的材料本构关系、载荷和条件 可以进行结构的动力学分析 由于前处理和后处理技术的发展 可以进行大量方案的比较分析 并且能够迅速地用图形表示计算结果 从而有利于对工程方案进行优化。山东大学硕士学位论文切削温度指的是前刀面与切屑接触区域的平均温度!

  修光刃是基于上述思路而开发出来的高效加工用刀具结构。螺旋角对切削钛合金的影响螺旋角是整体立铣刀的重要的结构之一。切削加工过程中 前角对三个方向的分力影响程度不同。低温有利于延长刀具寿命及提高加工表面质量 反之不利于切削加工。因此本章以前角 后角和螺旋角为因素 用正交试验方法 利用三维绘图软件设计了不同的几何参数的整体式螺旋立铣刀 利用 有限元软件进行仿真 研究刀具结构对薄壁山东大学硕士学位论文件加工变形的影响。

  刀面则在此同时撑挤工件材料。优选出适合加工钛合金薄壁件的刀具结构。不减小进给量的情况下降低表面粗糙度值 副偏角的角度只能减小。刀具后角大小的选择主要是依据切削厚度 按粗、精加工 。修光刃增加刀尖半径均或减小进给量可以改善加工表面的表面粗造度 但前者会使切削力增大 后者会降低生产效率。郭峰 】研究了切削加工时刀具参数的选择 研究发现加工 时应选取较大的后角 】在保证立铣刀的强度的前提下对立铣刀的几何结构参数进行了优化 汤楚宙网采用正交试验方法分析了在高速铣削缸体时影响工件表面质量的因素 经过分析确定了刀具后角对工件表面粗糙度的影响程度 徐志平例研究了切削加工中刀具后角对切削力和切削温度的影响。合理选择刀具刀尖圆弧半径的参数与合理选用刀具材料同样重要。常见的刀尖过渡刃有三种型式 即圆弧过渡刃、直线过渡刃和修光刃。