球頭立銑刀銑削力有限元分析

1、有限元分析（論文）球頭立銑刀銑削力有限元分析專 業(yè)： 機械電子 學生 姓名： 張嬌 學 號： 201201024 摘要本文從球頭立銑刀的幾何模型著手，建立了一個適用于球頭立銑刀銑削的三維銑削力模型，分析刀具幾何角度的變化對切削力的影響，作為有限元分析的基礎。應用有限元軟件ANSYS，研究在不同銑削條件下(背吃刀量、每齒進給量、主軸轉速、懸伸長度等)球頭立銑刀的受力情況。建立球頭立銑刀仿真實體模型，進行有限元分析表明：其它銑削條件不變時，背吃量越大，球頭立銑刀變形量和應力都同時增大，而且二者的增長幅度和增長趨勢幾乎相同；當每齒進給量增加時，球頭立銑刀變形量和應力都同時增大，但是二者的增長幅度不同

2、，球頭立銑刀應力的增長更大一些；主軸轉速越高，球頭立銑刀變形量和應力也會越大，二者的增長趨勢相同但是幅度不同，球頭立銑刀變形量的改變較大。SummaryIn the present paper,a three dimensional milling force model for ball-nose end mill Was established based on its the geometric model of cutting end edgeThe influences of cutting edgeangles on cutting force were analyzedWith

3、the assist of the finite element software“ANSYS”，real stress distributione were studied in the differen millingconditions，such as cutting depth，the feed amount of each tooth，main shaft rotation and theextended length etc一、背景及意義機械制造業(yè)是國民經(jīng)濟和社會發(fā)展及國防建設的基礎，其發(fā)展水平是一個國家綜合實力的重要標志。據(jù)估計機械制造業(yè)中有3040的工作量是切削加工，全世界每年

4、切削加工耗費約2500億美元。進入20世紀80年代后，伴隨著市場全球化的浪潮，機械制造業(yè)向離效率、高質量、高柔性、綠色化和信息化的方向發(fā)展，世界各國都不惜耗費巨資，投入大量人力物力，采用最先進的技術手段，不斷地深入研究與探討機械加工方法及其理論。航天、航空、汽車、造船等行業(yè)，葉片螺旋槳、外覆蓋件模具、內(nèi)飾件的注塑模具等自由曲面輪廓零件的應用越來越廣泛，自由曲面的加工工具及技術顯得非常重要。自由曲面數(shù)控加工除了要求刀具高強度、高剛度、高耐用度、高精度及良好的斷屑與排屑性能外，還要保證有良好的刀位計算功能，便于生成簡潔有效、穩(wěn)定連續(xù)的刀具軌跡。目前加工曲面的刀具主要有：球頭銑刀、環(huán)形銑刀、平頭銑刀

5、及在多軸加上中應用較多的鼓形銑刀和圓錐立銑刀。球頭立銑刀是汽車、航空和模具制造中不可或缺的重要工具。因為它的刃形形狀較復雜，球頭部分切削條件惡劣，刀具承受的軸向力較大，銑削力和銑削振動難以精確建模，因此球頭立銑刀銑削過程仿真研究受到了研究人員的極大關注。切削力會直接影響機床、工件、刀具和夾具組成的工藝系統(tǒng)的相互位置關系和產(chǎn)生變形，進而影響零件加工精度；切削過程中產(chǎn)生的切削力，要消耗能量，將機械能轉化為熱能，通過影響切削熱的多少，進一步影響刀具磨損的快慢和加工質量的好壞。切削力的來源有兩方面：一是工件切削層金屬和表面層金屬的彈性變形、塑性變形所產(chǎn)生的抗力；二是刀具和切屑、工件表面間的摩擦阻力。切

6、削力中包含著豐富的切削狀態(tài)信息，通過切削力可以推知刀具變形、破損、能量、消耗等情況，同時它又是振動計算的基礎。研究球頭立銑刀切削力的模型，了解影響切削力的因素，掌握切削力的變化規(guī)律，對銑削加工工藝由依賴經(jīng)驗轉向依賴定量分析，將有助于分析切削過程和解決金屬切削加工的工藝問題，提高銑削加工的安全性和生產(chǎn)效率。因此，建立球頭銑刀切削力模型，實現(xiàn)球頭立銑刀切削力的預報并開展相關研究，具有重要的現(xiàn)實意義二、球頭立銑刀的有限元模型1、球頭立銑刀實體幾何模型的建立有限元分析的第一個步驟就是建立球頭立銑刀的實體幾何模型。有限元建立實體模型的方法有直接法和間接法。直接法適用于具有簡單的幾何外形、節(jié)點、元素數(shù)目較

7、少的機械結構系統(tǒng)間接法適用于節(jié)點和元素數(shù)目較多的復雜幾何外形機械結構系統(tǒng)。間接法首先建立結構實體形狀，稱為實體模型，然后可自動生成網(wǎng)格。由于球頭立銑刀的幾何結構太復雜，因此，采用間接法生成一把球頭立銑刀的實體幾何模型圖。在本研究中，以虛擬制造的球頭立銑刀為實體幾何模型為研究對象，通過ANSYS的專用接口來傳輸Soldworks中球頭立銑刀的幾何模型，將Solidworks中的幾何圖形保存為擴展名為igsigessat的文件形式再被輸入到ANSYS的圖形輸出窗口。圖2-1為直徑10mm球頭立銑刀的實體幾何模型。圖2-1 球頭立銑刀實體模型2、球頭立銑刀模型單元類型的確定單元類型的選擇將影響到該模

8、型的網(wǎng)格能否成功劃分。根據(jù)球頭立銑刀的實體模型圖3-3，可近似的將球頭立銑刀的幾何模型作為回轉軸類零件來對待，由于采用六面體單元相對比較難，一般采用四面體單元來生成有限元模型。本文中采用“SOLID45”單元。SOLID45是三維8節(jié)點四面體結構實體單元，在保證精度的同時允許使用不規(guī)則的形狀，SOLID45有相容的位移形狀，適用于曲面邊界的建模。每個節(jié)點有三個自由度：沿節(jié)點坐標X，Y，Z方向的平動：SOLID45有塑性、蠕變、應力強化、大變形和大應變的功能。3、球頭立銑刀模型材料屬性的確定由于球頭立銑刀切削是要承受摩擦、沖擊和振動等作用，所以球頭立銑刀材料應具備高的硬度和耐磨性、高的強度和韌性

9、、耐熱性、工藝性能和經(jīng)濟性。本分析中，球頭立銑刀的材料選用硬質合金吲(YTl5)，材料的性能指標如表下圖所示。4、球頭立銑刀模型的網(wǎng)格劃分圖2-2 球頭立銑刀的網(wǎng)格圖通過ANSYS軟件，在球頭立銑刀的實體模型上確定單元類型、材料屬性之后，就可以對球頭立銑刀進行網(wǎng)格劃分。ANSYS軟件提供了多種單元劃分和各種網(wǎng)格劃分的方法。在本分析中，采用SMARTSIZE對球頭立銑刀進行網(wǎng)格劃分，得到球頭立銑刀的網(wǎng)格圖，如圖2-2所示。該有限元模型的網(wǎng)格劃分精度等級為5級，共1 5957個單元數(shù)，8968個節(jié)點數(shù)。材料屬性之后，就可以對球頭立銑刀進行網(wǎng)格劃分。5、球頭立銑刀位移邊界條件的確定所謂位移邊界條件，

10、實際上是球頭立銑刀所受的約束條件，它也是球頭立銑刀所受的一類負載。有限元分析是以彈性力學為基礎的，求解彈性力學問題必須滿足邊界條件，從數(shù)學方面看，這是保證結構剛度方程的唯一解所必需的：從物理方面看，是給結構施加足夠的約束，以消除結構的剛體位移。根據(jù)球頭立銑刀裝央的實際情況來約束它的自由度，即沿軸向方向長度為30ram的表面約束：X(軸向長度為30ram)、Y(切向)、z(徑向)的位移均為零，而旋轉自由度：，、M：均為零，M，是球頭立銑刀的旋轉方向，是唯一設有固定的約束，但由于轉速恒定，所以也可以認為，是受約束的，即球頭立銑刀的約束條件為全約束(沿軸向方向長度為30ram)：ALLDOF。在球頭

11、立銑刀的網(wǎng)格圖上確定位移邊界條件，得到球頭立銑刀的有限元模型，如圖2-3所示。圖2-3 球頭立銑刀的約束模型6、載荷的施加網(wǎng)格劃分完成和在有限元模型上確定位移邊界條件之后，就可以在有限元模型上施加載荷了，假定球頭立銑刀用來銑削鍵槽，則它的兩個刃都參與切削。于是，切削力被平均分配在兩個刃上，以均布載荷的形式將平均銑削力、施加在球頭立銑刀的主切削刃上。圖2-4為加載三向平均銑削力示意圖。圖2-4 施加載荷7、應力應變分析球頭立銑刀承載的應力及其變形對球頭立銑刀在加工過程中的穩(wěn)定性、球頭立銑刀的磨損、破損有很大的影響。影響球頭立銑刀受力的因素包括了機床、工件、球頭立銑刀系統(tǒng)中的很多方面，其中，背吃刀

12、量、每齒進給量、切削速度對球頭立銑刀加工過程承載的應力及其變形的影響顯著，因此，很有必要探討銑削條件的變化對球頭立銑刀應力場的影響（1）背吃刀量對球頭立銑刀應力場的影響若選取球頭立銑刀半徑R=5mm，總長度L=55ram，刀刃數(shù)為2刃，球頭立銑刀材料選用硬質合金材料(YTl5)，水平銑削=0.883GPa的碳素鋼時，主軸轉速刀n=5000rpm，每齒進給量=0.1mmz時，改變背吃刀量，背吃刀量分別?。?、2、3、4mm。計算出三向平均銑削力如下表所示。按照前面的加載方式在球頭立銑刀的有限元模型上施加載荷和約束條件，進行求解。有限元計算結果如表所示，圖2-5為背吃刀量=lmm，每齒進給量=O.

13、1mmz，主軸轉速=5000rpm時，球頭立銑刀的最大變形量分布。不同背吃到量下有限元計算結果背吃刀量增加，球頭立銑刀最大變形量和最大等效應力隨之增大，二者的變化增大趨勢幾乎相同，刀具的最大變形量略小于刀具最大等效應力。當?shù)毒叩谋吵缘读繌? mm增大到4mm時，最大變形量(DMX)從O.570E-04增大到O.117E-03，增大了106，刀具最大應力(SMX)從0.459E+1l增大到0.112E+12，增大了140。很明顯，這是由于球頭立銑刀所受切削力隨背吃刀量的增加而增加的緣故。圖2-5 =1mm，=0.1mm/z，n=5000rpm時球頭立銑刀變形量分布（2）每齒進給量對球頭立銑刀應力

14、場的影響在有限元應力場的計算中改變每齒進給量，它的值分別?。?.06、0.08、0.l、0.12mmz，而保持其它加工條件不變，即球頭立銑刀依然采用直徑為10mm的整體式硬質合金球頭立銑刀，刀刃數(shù)為2刃，水平銑削=O.883GPa的碳素鋼時，主軸轉速n=5000rpm，背吃刀量=3mm。當進給量分別取作O.06、O.08、O.1、0.122mmz時，計算得出三向平均銑削力如下表所示。按照前面的加載方式在球頭立銑刀的有限元模型上施加載荷和約束條件，進行求解，計算結果如表3-5所示。圖2-6為背吃刀量=3mm，每齒進給量=0.06mmz，主軸轉速n=5000rpm時，球頭立銑刀的最大變形量分布。從

15、計算結果可以得出：隨著迸給量的增大，球頭立銑刀變形量和最大等效應力都相應增大，且增長幅度較大，但是即不是成正比增大，也不是指數(shù)增大。這一點與背吃刀量對球頭立銑刀應力場的影響很相似。當球頭立銑刀的進給量從0.06mmz增加到012mmz時，球頭立銑刀的最大變形量(DMX)從0.751E-04增大到0.976E-04，球頭立銑刀的最大變形量增加了30，而球頭立銑刀的最大等效應力(SMX)從0.606E+11增大到0.117E+12，球頭立銑刀的最大等效應力增加了93?？梢姡M給量的改變對球頭立銑刀應力的影響要比球頭立銑刀變形量的影響大得多。圖2-6 =3mm, =mm/z,n=5000rpm時球頭

16、立銑刀變形量分布（3）切削速度對球頭立銑刀應力場的影響隨著機床主軸的不斷提升，從而獲得更高的切削速度。高的切削速度是提高加工效率、降低成本的主要措施，因此研究高的切削速度對球頭立銑刀應力狀態(tài)的影響也具有很重要的現(xiàn)實意義。在有限元應力場的計算中改變主軸轉速，它的值分別?。?000、10000、15000、20000rpm時而保持其它加工條件不變，即球頭立銑刀依然采用直徑為lOmm的整體式硬質合金球頭立銑刀，刀刃數(shù)為2刃，水平銑削=0.883GPa的碳素鋼時，背吃刀量=3mm，每齒迸給量正=O.1mmz。當主軸轉速分別取作5000、10000、15000、20000rpm時，計算得出三向平均銑削力

17、如下表所示。按照前面的加載方式在球頭立銑刀的有限元模型上施加載荷和約束條件，進行求解，計算結果如表2-7所示。圖2-7為背吃刀量=3mm，每齒進給量=O.1mmz，主軸轉速n=20000rpm時，球頭立銑刀的變形量分布。圖2-7 =3mm，=0.1mm/z,n=200000rpm時的球頭立銑刀變形量分布從計算結果可以得出：球頭立銑刀的最大等效應力和最大等效變形量都隨著主軸轉速的不斷升高而逐漸增大，但是二者的增長幅度不同，DMX顯然要比SMX的上升幅度大。當主軸轉速從5000rpm上升到20000rpm時，SMX從0965E+1l增大到O.128E+12，增加了33，而DMX從0788E-04增大到O.158E-03，增加了105。因此，主軸轉速的提高，對球頭立銑刀的變形量影響更大，對球頭立銑刀的應力影響相對要小一些。最主要的原因是球頭立銑刀所受切削力隨轉速的升高增加的幅度不大，施加在球頭立銑刀模型上的負載也變化不大，在其它銑削