g f 系列立銑刀的有限元分析及參數(shù)優(yōu)化 摘要 目前，硬質(zhì)合金立銑刀因其良好的切削性能，已成為銑削加工中的主流刀具， 但是由于立銑刀的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，在切削加工過程中影響的因素較多，給立銑刀 的設(shè)計和性能研究帶來了很大的困難。 隨著三維制圖軟件和有限元分析技術(shù)在刀具設(shè)計行業(yè)中的迅速發(fā)展，從根本 上解決了傳統(tǒng)意義上刀具設(shè)計的難題。本文的主要內(nèi)容就是利用有限元分析軟件 對刀具結(jié)構(gòu)和切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以便充分的發(fā)揮硬質(zhì)合金立銑刀切削加工性能。 首先，本文從切削原理出發(fā)，利用有限單元法建立平頭立銑刀的力學(xué)模型， 從理論上闡述了銑削力的來源與計算方法。 其次，對于硬質(zhì)合金立銑刀的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，主要是利用有限元分析軟件 a d v a n t e d g e 。從立銑刀的前角、后角和螺旋角著手，分析了刀具幾何參數(shù)對切削 力和刀具溫度的影響，利用正交試驗法對刀具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，同時將優(yōu)化結(jié)果與 刀具原有結(jié)構(gòu)做對比分析，驗證了優(yōu)化結(jié)果的可行性。 第三，切削力是切削加工過程中最重要的物理因素之一，因此本文的重點是 利用有限元軟件對銑削加工過程中的切削力進(jìn)行仿真研究，并優(yōu)化切削參數(shù)。得 到了不同切削加工參數(shù)對切削加工過程的影響及銑削力的預(yù)測模型，并以銑削力 和加工效率為目標(biāo)函數(shù)，結(jié)合遺傳算法實現(xiàn)銑削參數(shù)的優(yōu)化。 最后，通過三維軟件p r o e 建立整體硬質(zhì)合金立銑刀的三維模型，利用有限元 軟件a n s y s 對立銑刀進(jìn)行模態(tài)分析。得到了立銑刀的固有頻率和振型隨著不同夾 持長度的變化趨勢。 論文針對硬質(zhì)合金立銑刀進(jìn)行的結(jié)構(gòu)參數(shù)及切削參數(shù)優(yōu)化的方法和結(jié)論，對 立銑刀的設(shè)計有較好的參考和借鑒價值。 關(guān)鍵詞：硬質(zhì)合金立銑刀；有限元法；力學(xué)模型；參數(shù)優(yōu)化；模態(tài)分析 a b s t r a c t n o w l y ，t h ec a r b i d ee n dm i l lh a sb e c o m eam a i n s t r e a mt o o li nt h em i l l i n gp r o c e s sd u et o t h e i rg o o dc u t t i n g p e r f o r m a n c e h o w e v e r ，t h e i ri n t r i c a t es t r u c t u r ea n da f f e c t i n gf a c t o r si n m i l l i n gp r o c e s sm a k ei td i f f i c u l tt od e s i g na n dr e s e a r c h t h et r a d i t i o n a lp r o b l e mh a sb e e ns o l v e df u n d a m e n t a l l yw i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to f3 d g r a p h i c ss o f t w a r ea n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s t e c h n i q u e su s i n gi nt h ee n dm i l l t h em a i n c o n t e n to ft h i sp a p e rw a st ou s et h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r et o o p t i m i z et h et o o la n d c u t t m gp a r a m e t e r si no r d e rt op l a yt h ea d v a n t a g e so fc a r b i d ee n dm i l lc o m p l e t e l v f i r s t l y ，t h em e c h a n i c a lm o d e lo fe n dm i l lb a s e do nt h ec u t t i n gt h e o r yw a se s t a b l i s h e db y u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，w h i c ht h e o r e t i c a l l ye x p o u n d e dt h es o u r c ea n dc a l c u l a t i o n m e t h o do ft h em i l l i n gf o r c e s e c o n d l y ，t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea d v a n t e d g ew a su s e dt ot h es t r u c t u r e o p t i m i z a t i o no ft h ec a r b i d ee n dm i l l w er e s e a r c h e dt h ei n f l u e n c eo nc u t t i n gf o r c ea n d t h et o o l t e m p e r a t u r eb yd i f f e r e n tg e o m e t r i cp a r a m e t e r si nr a n k a n g l e s 、r e l i e fa n g i e sa n dh e l i x a n g l e s ，a n do p t i m i z e dt h et o o ls t r u c t u r e a p p l y i n gt h eo r t h o g o n a lt e s tm e t h o d a n dt h e n c o m p a r e dt h eo p t i m i z a lr e s u l t sw i t ht h eo r i g i n a ls t r u c t u r et o v e r i f yt h ef e a s i b i l i t vo ft h e o p t i m i z a t i o nr e s u l t s t h i r d l y ，a sc u t t i n gf o r c ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp h y s i c a lf a c t o r si nt o o l d e s i g n p r o c e s s ，t h ee m p h a s i so ft h i sp a p e rw a st os i m u l a t et h ec u t t i n gp r o c e s sa n do p t i m i z et h e c u t t i n gp a r a m e t e r sw i t ht h ea p p l yo ft h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e t h ep a p e ro b t a i n e dt h e i n f l u e n c eo fd i f f e r e n tc u t t i n gp a r a m e t e r so nc u t t i n gp r o c e s sa n dt h ec u t t i n gf o r c ep r e d i c t i o n m o d e l t h ec u t t i n gp a r a m e t e r sw e r eo p t i m i z e dt o g e tt h em i n i m u mc u t t i n gf o r c ea n d m a x i m u m m a c h i n i n ge f f i c e n c yw i t ha p p l y i n gt h eg e n e t i ca l g o r i t h m f i n a l l y ，t h em o d e lo fs o l i dc a r b i d ee n dm i l l sw a sb u i l tu pw i t ht h eh e l po ft h et h r e e d i m e n s i o n a ls o f t w a r ep r o e ，a n dt h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y s w a su s e df b rt h em o d e l a n a l y s i s t h el a s tw es t u d yt h et r e n do fn a t u r a lf r e q u e n c i e sa n dv i b r a t i o nm o d ei nd i f f e r e n t g r i p p i n gl e n g t h t h em e t h o d sa n dc o n c l u s i o n si nt h i sp a p e rr e s u l t e df r o mo p t i m i z a t i o no ft h es t r u c t u r a l p a r a m e t e r sa n dc u t t i n gp a r a m e t e r st ot h ec a r b i d ee n dm i l lp r o v i d ea g o o dr e f e r e n c et ot h ee n d m i l ld e s i g n k e y w o r d s ：t h ec a r b i d ee n dm i l l s ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；m e c h a n i c a lm o d e l ；p a r a m e t e r o p t i m i z a t i o n ；m o d a la n a l y s i s i i i 插圖索引 圖1 1 a n s y s 分析流程圖6 圖1 2 g f 系列刀具結(jié)構(gòu)圖8 圖2 1 順銑與逆銑10 圖2 2 順銑銑削厚度數(shù)學(xué)模型11 圖2 3 立銑刀微元受力圖1 2 圖2 4 立銑刀旋轉(zhuǎn)角度示意圖。1 2 圖3 1 立銑刀切削加工的幾何模型1 8 圖3 2 不同前角下的刀具溫度場分布。2 0 圖3 3 正交切削模型。2 l 圖3 4 切削力隨前角變化圖2 1 圖3 5 切削力隨后角變化圖2 3 圖3 6 刀具最高溫度隨后角變化圖2 3 圖3 7 不同螺旋角下的溫度云圖2 5 圖3 8 優(yōu)化前刀具溫度分布場3 0 圖3 9 優(yōu)化后刀具溫度分布場。3 0 圖4 1 銑削抗力在x 方向上的分力。3 1 圖4 2 銑削抗力在y 方向上的分力3 2 圖4 3 銑削速度影響下的銑削力變化圖3 3 圖4 4 軸向切深影響下的銑削力變化圖3 4 圖4 5 每齒進(jìn)給量影響下的銑削力變化圖3 5 圖4 6 徑向切深影響下的銑削力變化圖。3 6 圖4 7 遺傳算法求解流程圖一4 4 圖5 1 整體立銑刀結(jié)構(gòu)圖4 8 圖5 。2 四刃整體硬質(zhì)合金立銑刀端面廓形4 8 圖5 3 立銑刀端刃4 9 圖5 4 立銑刀三維模型4 9 圖5 5 立銑刀的有限元模型。5 2 圖5 6l = 4 3 m m 時十階陣型圖5 5 圖5 7l = 4 3 m m 時十階陣型圖5 6 圖5 8l = 3 6 m m 時十階陣型圖5 7 圖5 9l = 3 0 m m 時十階陣型圖5 8 圖5 1 0 不同懸伸長度下得固有頻率圖6 0 v l i g f 系列立銑刀的有限元分析及參數(shù)優(yōu)化 附表索引 表3 1 前角對切削性能影響仿真參數(shù)表1 9 表3 2 后角對切削性能影響仿真參數(shù)表。2 2 表3 3 刀具螺旋角對切削性能影響仿真參數(shù)表。2 4 表3 4 不同螺旋角下的銑削力2 6 表3 5 正交試驗數(shù)據(jù)表2 6 表3 6x 方向切削力極差分析表2 7 表3 7y 方向切削力極差分析表2 7 表3 8z 方向切削力極差分析表一2 7 表3 9 刀具最高溫度極差分析表2 8 表3 10 仿真結(jié)果對比表。2 9 表4 1 銑削速度對銑削力影響的仿真參數(shù)3 3 表4 2 軸向切身對銑削力影響的仿真參數(shù)3 4 表4 3 每齒進(jìn)給量對銑削力影響的仿真參數(shù)3 5 表4 4 徑向切深對銑削力影響的仿真參數(shù)3 6 表4 5 正交試驗四因素水平取值3 8 表4 6 銑削力仿真數(shù)據(jù)3 8 表4 7 銑削力回歸方程顯著性檢驗。4 0 表4 8 切削參數(shù)優(yōu)化結(jié)果4 4 表5 1 整體硬質(zhì)合金立銑刀的懸伸長度5 1 表5 2 硬質(zhì)合金的性能指標(biāo)5 1 表5 3 不同懸伸長度下的十階固有頻率5 3 表5 4 不同懸伸長度下強振型與弱振型個數(shù)5 9 表5 5 不同懸伸長度的危險轉(zhuǎn)速范圍6 0 v i i i 工程碩士學(xué)位論文 第1 章緒論 近年來中國的先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展異常迅速，對加工過程的精度、效率、可靠性 等方面提出了愈來愈嚴(yán)格的要求，在這場生產(chǎn)力大發(fā)展的浪潮中，刀具產(chǎn)品和技 術(shù)作為制造過程中的一個重要環(huán)節(jié)，也被推上了風(fēng)口浪尖。傳統(tǒng)的刀具生產(chǎn)技術(shù) 已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足市場對高效率、低成本的強烈要求。這種市場需求的急劇變化， 在工具產(chǎn)業(yè)當(dāng)中形成了巨大的壓力，迫使其不得不調(diào)整以往的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)模式， 轉(zhuǎn)向迎合現(xiàn)代制造業(yè)要求的“高精度、高效率、高可靠性和專用化”的發(fā)展道路， 所謂“三高一?！钡男履Ｊ?。 從國外現(xiàn)代工具工業(yè)的運行特點和服務(wù)水準(zhǔn)來對照我國工具工業(yè)的現(xiàn)狀，不 得不承認(rèn)這樣一個現(xiàn)實，我國工具工業(yè)的總體水平仍停留在傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化刀具的發(fā) 展階段。工具工業(yè)發(fā)展落后于需求的矛盾在我國表現(xiàn)的尤為突出?，F(xiàn)代刀具企業(yè) 最響亮的競爭口號，就是為制造業(yè)提供效率最高的切削刀具。在我國革新刀具預(yù) 示著制造業(yè)未來發(fā)展方向。 1 1 刀具材料概述 刀具材料的發(fā)展在人類的生活、生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用，曾推動著人類社 會文化和物質(zhì)文明的發(fā)展l l j 。c i r p 公稀的一項研究報告指出：由于刀具材料的改 進(jìn)，刀具需用的切削速度每1 0 年就可以提高l 倍，由此可見刀具材料的性能對刀 具的切削性能起著關(guān)鍵性的作用。合理的選擇刀具材料是刀具制造的第一步，也 是決定刀具使用性能的先決條件1 2 j 。刀具材料的發(fā)展在一定程度上推動著金屬切 削加工的進(jìn)步。 刀具切削部分的材料直接影響著切削加工性能。目前刀具材料可分為工具鋼、 高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷、超硬材料五大類。據(jù)統(tǒng)計我國目前高速鋼用量約占刀 具的6 0 以上，硬質(zhì)合金的用量約占3 0 以上，隨著難加工材料的應(yīng)用，陶瓷刀 具和超硬刀具材料的使用量目益增長p j 。刀具新材料的不斷涌現(xiàn)必將會引領(lǐng)新一 次的工業(yè)革命的到來。 高速鋼刀具是目前應(yīng)用最廣泛的一種金屬切削刀具，其較好的材料性能使切 削速度和切削效率有了顯著的提高，曾引領(lǐng)了世界各國的機械制造業(yè)飛速的發(fā)展。 但是隨著人類生產(chǎn)水平的不斷提高，各類難加工材料的不斷涌現(xiàn)，高速鋼刀具已 經(jīng)很難滿足人類對高效率和高質(zhì)量切削加工目的的要求。硬質(zhì)合金刀具以其優(yōu)越 的材料性能正在逐步的取代高速鋼刀具成為各大制造企業(yè)的新寵，也成為各大研 究機構(gòu)正在著力研究的項目。 g f 系列立銑刀的有限元分析及參數(shù)優(yōu)化 1 2 硬質(zhì)合金簡介 1 2 1 硬質(zhì)合金性畿及應(yīng)用 硬質(zhì)合金是難熔金屬硬質(zhì)化合物和金屬粘結(jié)劑經(jīng)粉末冶金方法而制成的。通 常采用的硬質(zhì)化合物是碳化物，也有硼化物、氮化物和硅化物等。一般采用的粘 結(jié)劑為鈷。它的常溫硬度可達(dá)8 9 9 4 h r a ，耐熱性可達(dá)8 0 0 10 0 0o c ，與高速鋼相比， 其硬度、耐磨性、耐熱性都要好得多。因此，硬質(zhì)合金刀具允許的切削速度要比 高速鋼刀具大5 1 0 倍，可達(dá)1 0 0 3 0 0 m m i n ，壽命是高速鋼的幾倍到幾十倍，現(xiàn)在己 成為主要的刀具材料之一。 硬質(zhì)合金是由德國人于1 9 2 3 年用粉末冶金方法研制成功的，通過8 0 多年的發(fā) 展，世界硬質(zhì)合金產(chǎn)業(yè)不斷地發(fā)展擴大。硬質(zhì)合金刀具在我國已有幾十年的發(fā)展 史，近年來隨著中國制造業(yè)的不斷騰飛，硬質(zhì)合金行業(yè)也在中國飛速地發(fā)展。 我國目前常用的硬質(zhì)合金主要有三類：鎢鈷類硬質(zhì)合金( 代號y g ) 、鎢鈦鈷 類硬質(zhì)合金( 代號y t ) 、鎢鈦鉭類硬質(zhì)合金( 代號y w ) 。 鎢鈷類硬質(zhì)合金由w c 和c o 組成，主要用于加工鑄鐵、有色金屬等脆性材料和 非金屬材料。鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金是由w c 、t i c 和c o 組成，由于t i c 比w c 還要硬、 耐磨、耐熱，但是要脆一些，所以鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金適合加工鋼材等塑型材料。 鎢鈦鉭類硬質(zhì)合金是在鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金中加入少量的t a c 或n b c ，它的硬度、耐 磨性、抗彎強度和沖擊韌度均比鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金要高，因此y w 類硬質(zhì)合金既可 以加工鋼，又可以加工鑄鐵和有色金屬，稱為通用硬質(zhì)合金1 4 - 7 j 。 1 2 2 硬質(zhì)合金在中國的發(fā)展歷程 我國硬質(zhì)合金產(chǎn)業(yè)的發(fā)展水平要遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于歐美發(fā)達(dá)國家。2 0 世紀(jì)5 0 年代我 國才開始硬質(zhì)合金規(guī)?；纳a(chǎn)，而到了5 0 年代末期株洲硬質(zhì)合金集團的正式投 產(chǎn)才真正拉開了我國硬質(zhì)合金大規(guī)模發(fā)展的序幕。7 0 年代末，我國共有硬質(zhì)合金 生產(chǎn)企業(yè)2 7 家，年產(chǎn)4 4 0 0 t ，基本能滿足當(dāng)時我國經(jīng)濟狀況下的需要。 2 0 世紀(jì)8 0 年代是我國硬質(zhì)合金產(chǎn)業(yè)大發(fā)展時期，國內(nèi)1 1 家企業(yè)先后從美國、 德國等發(fā)達(dá)國家引進(jìn)了先進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)技術(shù)，通過此次引進(jìn)，我國的硬質(zhì)合 金產(chǎn)業(yè)得到了巨大的改善。 進(jìn)入9 0 年代，我國在不斷引進(jìn)國外技術(shù)的基礎(chǔ)上，國內(nèi)企業(yè)紛紛與國外企業(yè) 合作，國內(nèi)民營企業(yè)紛紛涌現(xiàn)，雖說當(dāng)時的國企面臨著巨大的市場沖擊，但是這 種情況也在一定程度上的推動了我國硬質(zhì)合金產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 2 1 世紀(jì)是我國硬質(zhì)合金產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展時期。隨著我國宏觀經(jīng)濟的持續(xù)向好， 硬質(zhì)合金市場需求不斷加大，極大的刺激了我國硬質(zhì)合金產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。期間我國 硬質(zhì)合金產(chǎn)業(yè)實行重組，使生產(chǎn)和發(fā)展規(guī)?；?，至此我國硬質(zhì)合金工業(yè)形成了工 2 工程碩士學(xué)位論文 藝設(shè)備先進(jìn)、產(chǎn)品產(chǎn)能與產(chǎn)量巨大的格局。2 0 0 4 年中國的硬質(zhì)合金產(chǎn)量已突破1 5 萬噸，今后相當(dāng)長一段時間中國的國民經(jīng)濟仍將快速發(fā)展，將持續(xù)為硬質(zhì)合金提 供良好發(fā)展空間。據(jù)分析到2 0 1 0 年中國僅汽車工業(yè)所需的硬質(zhì)合金工具費用將達(dá) 到8 0 億元人民幣，在未來幾年里中國會成為世界上硬質(zhì)合金行業(yè)最有競爭力的國 家。但是在我國硬質(zhì)合金的研制與生產(chǎn)方面與國外還有較大差距，目前中國硬質(zhì) 合金市場仍然是魚龍混雜，高精端的產(chǎn)品及技術(shù)也是參差不齊，高端技術(shù)仍掌握 在國外人手中。所以我們要充分利用先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，不斷改善和發(fā)展硬質(zhì)合金材 料，不斷縮小與國際先進(jìn)技術(shù)的差距 8 - 1 1 l 。 如今，不使用硬質(zhì)合金刀具已無法適應(yīng)日益提高的機械加工技術(shù)要求。在切 削工具中占有極大比例的硬質(zhì)合金刀具，正被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)。硬質(zhì)合金刀具 是數(shù)控加工刀具的主導(dǎo)產(chǎn)品，目前各工具行業(yè)不斷擴大各種整體式和可轉(zhuǎn)位式硬 質(zhì)合金刀具的生產(chǎn)，其品種已經(jīng)擴展到各種切削刀具領(lǐng)域。目前國外9 0 以上的 車刀、5 5 以上的銑刀均采用硬質(zhì)合金材料制造。 1 3 整體硬質(zhì)合金立銑刀 銑刀一般是多刃刀具，由于同時參加切削的齒數(shù)多、切削刃長，并能采用較 高的切削速度，故生產(chǎn)率高。銑刀的類型按刀齒結(jié)構(gòu)可分為尖齒銑刀和鏟齒銑刀。 本論文主要研究的是尖齒銑刀中的立銑刀。 立銑刀主要用于加工凹槽、臺階面以及工件上各種形狀的孔及內(nèi)外曲線表面 等。由于高速鋼立銑刀已經(jīng)無法滿足目前我國對高精加工的要求，其地位必將逐 漸被硬質(zhì)合金立銑刀所取代。 硬質(zhì)合金立銑刀按結(jié)構(gòu)形式可分為整體式結(jié)構(gòu)、鑲焊式結(jié)構(gòu)和機夾可轉(zhuǎn)位結(jié) 構(gòu)。 鑲焊式立銑刀包括焊接式硬質(zhì)合金斜齒立銑刀、焊接式硬質(zhì)合金螺旋齒立銑 刀、焊接式硬質(zhì)合金螺旋玉米齒立銑刀等。刀具精度高，整體剛性好，但在焊接 或刃磨不當(dāng)時，易產(chǎn)生裂紋甚至使之報廢。 機夾可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金立銑刀廣泛用于銑削平面、溝槽、臺肩等。一般采用帶 孔刀片，直接用螺釘壓緊，結(jié)構(gòu)簡單，容屑空間大，刀體可重復(fù)使用，成本較低， 但是由于其直徑較小，夾緊元件所占的空間位置受到很大的限制。 整體式硬質(zhì)合金立銑刀其圓柱表面上有螺旋齒，端面上也有刀齒，銑削時主 要以圓柱表面上的刀齒切削。整體式硬質(zhì)合金立銑刀適合做精銑刀，耐沖擊性好， 適合大切深大走刀，經(jīng)濟性更好。 整體式硬質(zhì)合金立銑刀與高速鋼立銑刀相比在常溫時硬度相同，同為 8 3 8 6 h r a ，但是允許的切削速度卻是高速鋼的4 7 倍。而且其熱硬性可達(dá)8 0 0 1 0 0 0 攝氏度，在5 4 0 攝氏度時的硬度仍可達(dá)8 2 8 7 h r a 以上，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于高速鋼刀具。 g f 系列立銑刀的有限元分析及參數(shù)優(yōu)化 但是它的抗彎強度只有高速鋼的1 4 1 2 ， 硬質(zhì)合金立銑刀韌性差，怕沖擊和振動。 的這點。 沖擊韌度僅為高速鋼的幾十分之一，故 因此在設(shè)計和分析立銑刀時要充分考慮 1 4 立銑刀銑削力建模方法 由于銑削過程非常的復(fù)雜，因此直接計算銑削力是非常困難的，而且目前尚 沒有簡單、直接的計算方法。為了能夠得到一個通用的、簡單的銑削力力學(xué)模型， 許多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，得到了很多有意義的銑削力計算方法。 1 經(jīng)驗公式法 1 2 1 。其主要思想是通過大量的實驗，由測力儀測得切削力后， 再根據(jù)切削條件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得出經(jīng)驗公式。 2 力學(xué)法 1 3 - 1 6 1 。力學(xué)法主要是根據(jù)立銑刀在切削過程中的受力情況，運用解析 法列出受力公式，其中避免了許多復(fù)雜的刀具參數(shù)，而且不需要大量的實驗數(shù)據(jù)， 目前已成為建立銑削力模型的有效方法。 3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法1 1 7 , , s l 。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法是智能的運算方式，它不需要數(shù)學(xué)模 型就可以模擬出輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)之間的關(guān)系，因此非常適用于復(fù)雜的銑削過 程的模擬。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法有著巨大的發(fā)展?jié)摿?，是未來切削力模型建模方式?新的研究方向。 4 有限單元法。其主要思想是將立銑刀劃分成有限個微小單元，每個微小單元 相當(dāng)于一個簡單的切削過程，計算出每個微單元的受力情況，再將所有微單元的 受力情況加到一起，形成立銑刀整體受力模型。有限單元法是隨著計算機技術(shù)的 不斷發(fā)展而逐漸興起的一種計算方法，近年來國內(nèi)外學(xué)者對切削加工的有限元仿 真研究不斷的深入，創(chuàng)建了許多值得借鑒的切削加工的有限元模型，如今有限元 法的銑削力建模及切削優(yōu)化已經(jīng)成為刀具設(shè)計的主流思想。 1 5 有限元法簡介 有限單元法是結(jié)構(gòu)工程師和應(yīng)用數(shù)學(xué)人員共同智慧的結(jié)晶，目前已廣泛應(yīng)用 于工程研究領(lǐng)域。有限單元法最早可以追溯到2 0 世紀(jì)早期，近幾年來以其獨有的 計算優(yōu)勢得到了廣泛地發(fā)展和應(yīng)用，已出現(xiàn)了不同的有限元算法，并由此產(chǎn)生了 一批非常成熟的通用和專業(yè)軟件。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，各種工程軟件也 得以廣泛的應(yīng)用州。 有限元法最初的求解思想是把計算區(qū)域劃分為有限個且互不重疊的微小區(qū) 域，用標(biāo)準(zhǔn)方法求出每個微小單元的近似解，最后將每個單元合成原有系統(tǒng)的近 似系統(tǒng)。在工程領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)分析中，首先要假定每個微小區(qū)域中結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng) 力變化都是簡單的，小區(qū)域內(nèi)的變形和應(yīng)力大小可以通過計算機很容易的求解出 工欄缺士學(xué)位論文 米，最終可以獲得整個系統(tǒng)的分析結(jié)構(gòu)。事實上，隨著單元數(shù)目的增加，每個單 元內(nèi)的變形和應(yīng)力的計算總是趨于簡單，計算結(jié)果的近似程度也就越逼近真實情 況。理論上可以證明，當(dāng)單元數(shù)目足夠多時，計算結(jié)果將無限趨近于問題的精確 解，但是計算量也會相應(yīng)增大。 有限元法最早應(yīng)用于結(jié)構(gòu)力學(xué)，如今，在工程領(lǐng)域中有限元法最主要的應(yīng)用 形式是結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，如結(jié)構(gòu)形狀的最優(yōu)化，結(jié)構(gòu)強度的分析，振動的分析等等。 有限元法經(jīng)過五十多年的發(fā)展歷程，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷的擴大從最初的平面問題、 靜力平衡問題擴展到目前的空間問題、動力響應(yīng)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等方面的問題，解決 了大量的工程實際問題，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益。 經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展、驗證和在工程實際當(dāng)中的應(yīng)用，有限元法已被證明 是一種非常有效的工程問題的模擬仿真方法，在解決了大量的工程實際問題的同 時，也為工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步起到了巨大的推動作用。 1 6 立銑刀計算機輔助工具的相關(guān)簡介 在計算機輔助工具的研究上我國仍落后于國外發(fā)達(dá)國家，目前應(yīng)用比較廣泛 的立銑刀三維制圖軟件有u g 、p r o e 、s o l i d w o r k s 等等，立銑刀分析軟件主要有 a n s y s 、d e f o r m 、a d v a n t e d g e 等等。其中a d v a n t e d g e 軟件是專門從事金屬切削 方向的專業(yè)軟件，雖說這款軟件在我國也用應(yīng)用，但是其理論原理要受到嚴(yán)密的 保護。 如今利用計算機對刀具進(jìn)行有限元分析已經(jīng)發(fā)展的像當(dāng)成熟了，采用有限元 法模擬切削加工，可以獲得在實驗中無法直接測得或難以測得的變量，如應(yīng)力分 布、溫度場分布得等，而這些變量會有利于優(yōu)化切削過程，為刀具結(jié)構(gòu)的設(shè)計和 切削參數(shù)的優(yōu)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 由于有限元分析法能減少設(shè)計經(jīng)費和設(shè)計周期，以及提供必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)， 因此有限元分析法已經(jīng)成為當(dāng)代刀具設(shè)計的主流思想，取代了實驗公式的設(shè)計方 式。 本文主要是對整體硬質(zhì)合金立銑刀進(jìn)行結(jié)構(gòu)的靜力分析和模態(tài)分析。 所謂靜力分析是指用來計算在固定不變的載荷作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，即由靜態(tài) 載荷引起系統(tǒng)變化?？梢钥紤]結(jié)構(gòu)的線性及非線性行為，例如：大變形、大應(yīng)變、 應(yīng)力鋼化、接觸、塑性、超彈性及蠕變等。 模態(tài)分析一般用于確定結(jié)構(gòu)的振動特性，即結(jié)構(gòu)的自振頻率及振形，也是其 他動力學(xué)分析的起點。譜分析是模態(tài)分析的擴展，用于計算由隨機振動引起的結(jié) 構(gòu)應(yīng)力和應(yīng)變。 本文靜力分析主要應(yīng)用t h i r dw a v es y s t e m s 公司生產(chǎn)的a d v a n t e d g ef e m 軟 件。模態(tài)分析主要是應(yīng)用a n s y s 軟件。 g f 系列立銑刀的有限兀分析及參數(shù)優(yōu)化 1 6 1 有限元分析軟件a n s y s a n s y s 軟件是美國a n s y s 公司研制的大型通用有限元分析軟件，它是世界 范圍內(nèi)增長最快的c a e 軟件，能夠進(jìn)行包括結(jié)構(gòu)、熱、聲、流體以及電磁場等科 學(xué)的研究，在世界各領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。a n s y s 的功能強大，操作簡單方便， 現(xiàn)在它已經(jīng)成為國際最流行的有限元分析軟件。 a n s y s 有限元軟件是一個多用途的有限元法計算機設(shè)計程序，可以用來求解 結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場及碰撞等問題。因此它可應(yīng)用于以下工業(yè)領(lǐng)域： 航空 航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機械、微機電系統(tǒng)、 運動器械等。 軟件分析過程包涵三個主要步驟：前處理，分析計算和后處理，利用a n s y s 進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計流程如圖1 1 。 圖1 1a n s y s 分析流程圖 前處理是指創(chuàng)建實體模型和有限元模型。它包括創(chuàng)建實體模型，定義單元屬 性，劃分有限元網(wǎng)格，修正模型等幾項內(nèi)容。該模塊提供了一個強大的實體建模 及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型。 分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)分析、流體動力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓 電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度 分析及優(yōu)化分析能力。 后處理模塊可將計算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流 軌跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示( 可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部) 等圖形方式顯 示出來，也可將計算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。 工程碩士學(xué)位論文 a n s y sw o r k b e n c he n v i r o n m e n t ( a v e ) 作為新一代的多物理場協(xié)同c a e 仿 真環(huán)境，其獨特的產(chǎn)品構(gòu)架和眾多支撐性產(chǎn)品模塊為產(chǎn)品整機、多場耦合分析提 供了非常優(yōu)秀的系統(tǒng)級解決方案。它所包含的三個主要模塊：幾何建模模塊 ( d e s i g n m o d e l e r ) 、有限元分析模塊( d e s i g n s i m u l a t i o n ) 、和優(yōu)化設(shè)計模塊 ( d e s i g n x p l o r e r ) 將設(shè)計、仿真、優(yōu)化集成于一體，可便于設(shè)計人員隨時進(jìn)行不 同功能模塊之間進(jìn)行雙向參數(shù)互動調(diào)用，使與仿真相關(guān)的人、部門、技術(shù)及數(shù)據(jù) 在統(tǒng)一環(huán)境中系統(tǒng)工作 2 0 , 2 1 】。 本文應(yīng)用有限元軟件a n s y sw o r k b e n c h 的模態(tài)分析方法分別對硬質(zhì)合金立銑 刀在不同的刀具懸伸長度情況下進(jìn)行模態(tài)分析，研究其結(jié)構(gòu)的振動特性。即確定 其結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，分析刀具的懸伸長度變化對立銑刀振動的影響。 1 6 2a d v a n t e d g ef e m 軟件簡介 a d v a n t e d g ef e m 軟件是t h i r dw a v es y s t e m s 公司于1 9 9 8 年發(fā)布的一款有限元 切削仿真軟件。用于優(yōu)化金屬切削工藝，優(yōu)化刀具設(shè)計。該軟件可以全面的預(yù)測 切削加工過程中的各類數(shù)據(jù)，比如說切削力、溫度、應(yīng)力、切屑形成、切屑打卷 及斷裂情況等。a d v a n t e d g ef e m 具有以下特點： 1 有限元解決方案。 2 可以進(jìn)行微觀及宏觀的加工分析，模擬金屬切削中的切削力、熱流、溫度、 切屑形成、切屑打卷、切屑斷裂、殘余應(yīng)力及刀具磨損。 3 詳細(xì)的銑削( 含插銑、玉米銑、五軸銑削等) 、車削、鉆削、鏜削、攻絲、 環(huán)槽等工藝分析。 4 網(wǎng)格劃分完全自動，只需定義刀具、工件的網(wǎng)格控制系數(shù)及網(wǎng)格自適應(yīng)重劃 系數(shù)。 5 擁有豐富的材料庫：13 0 多種從鑄鐵到鈦合金的工件材料；10 0 多種從 c a r b i d e 、金剛石到高速鋼的刀具材料；涂層材料有t i n 、t i c 、t i a i n ；同時支持 用戶自定義材料、自定義本構(gòu)方程。 6 在仿真模擬中可以考慮工件初始應(yīng)力、刀具振動、刀具表面涂層及冷卻液。 7 具有參數(shù)研究功能，可以進(jìn)行切削速度、進(jìn)給量、前角、切削刃圓弧半徑及 變換刀具來優(yōu)化金屬切削工藝。 8 車削及環(huán)槽刀具磨損仿真，主要采用日本的u s u i 算法，支持用戶自定義磨 損算法。 9 豐富的后處理功能，曲線、云圖及動畫顯示仿真結(jié)果，可以得到切削力、溫 度、應(yīng)力、應(yīng)變率及加工功率等結(jié)果。 本論文將利用a d v a n t e d g ef e m 軟件仿真立銑刀的銑削過程，其中不僅針對刀 具幾何參數(shù)對切削加工過程的影響，還涉及到銑削參數(shù)的變化對切削力的影響。 g f 系列立銑刀的有限兀分析及參數(shù)優(yōu)化 刀具的幾何參數(shù)主要涉及到整體硬質(zhì)合金立銑刀的前角、后角、螺旋角；切削參 數(shù)主要包括了軸向切削深度、徑向切削深度、主軸轉(zhuǎn)速、每齒進(jìn)給量。其中銑削 參數(shù)是本次優(yōu)化過程的主要目標(biāo)。 1 7 論文主要內(nèi)容、研究背景及意義 本文的研究對象是我國某大型刀具企業(yè)的g f 系列整體式硬質(zhì)合金立銑刀， o f 系列立銑刀屬于通用精加工系列。 g f 系列立銑刀是新推出的一款精加工刀具，由于屬于精加工系列，所以刀具 刃部為四刃螺旋結(jié)構(gòu)，以便使切削過程平穩(wěn)，減少沖擊。該立銑刀有直柄和平柄 兩種情況，由于直柄立銑刀的懸伸長度可以改變，會影響立銑刀加工過程中的振 動情況，因此本文中只研究直柄立銑刀，圖1 2 為g f 系列立銑刀的結(jié)構(gòu)圖。 圖1 2g f 系列刀具結(jié)構(gòu)圖 本文的主要工作是，利用有限元軟件a d v a n t e d g ef e m 對切削過程進(jìn)行模擬， 期間將選取幾個對切削力影響較大的刀具幾何參數(shù)( 前角、后角、螺旋角) 以及 切削參數(shù)( 軸向切削深度、每齒進(jìn)給量、切削速度、徑向切削深度) 作為研究的 對象，分析以上參數(shù)對銑削力和切削溫度的影響。運用正交試驗法選取較優(yōu)的刀 具結(jié)構(gòu)，運用遺傳算法，以最小切削力和最大加工效率為目標(biāo)函數(shù)，選取銑削參 數(shù)最優(yōu)值。運用a n s y s 軟件對刀具進(jìn)行模態(tài)分析，應(yīng)用有限元模態(tài)分析方法計算硬 質(zhì)合金立銑刀在不同懸伸長度下的固有頻率和振型，并分析刀具懸伸長度對立銑 刀固有振動頻率、振型的變化規(guī)律以及立銑刀振動的影響。 主要研究內(nèi)容如下： 1 利用有限元分析軟件a d v a n t e d g ef e m 對硬質(zhì)合金立銑刀銑削加工4 5 號鋼 的過程進(jìn)行仿真模擬。 2 利用單因素法分析硬質(zhì)合金立銑刀的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)：刀具前角、后角、螺旋 角對于刀具切削性能的影響。利用正交試驗法，以最小切削力和刀具溫度值為研 究目標(biāo)對刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并將優(yōu)化結(jié)構(gòu)與刀具原有結(jié)構(gòu)做對比，驗證優(yōu) 工程碩士學(xué)位論文 化結(jié)果的可行性。 3 利用有限元分析軟件a d v a n t e d g ef e m 對硬質(zhì)合金立銑刀進(jìn)行靜力學(xué)分析， 并模擬切削加工過程，同樣利用單因素法分析各個銑削參數(shù)對于銑削力的影響， 得到分析數(shù)據(jù)，利用最小二乘法建立銑削力預(yù)測模型。并用遺傳算法以最小切削 力和最大加工效率為目標(biāo)函數(shù)，選取參數(shù)的最優(yōu)值。 4 利用三維制圖軟件p r o e ，根據(jù)硬質(zhì)和金立銑刀的幾何模型，建立硬質(zhì)合金 立銑刀的三維模型。利用有限元軟件a n s y sw o r k b e n c he n v i r o n m e n t ( a v e ) 對刀 具進(jìn)行模態(tài)分析。分析當(dāng)?shù)毒邞疑扉L度變化時對刀具固有頻率、振型和振動情況 的影響，并得出最優(yōu)的懸伸長度。 本課題的意義在于通過分析刀具幾何參數(shù)及銑削參數(shù)對切削過程的影響，為 減小切削力、切削溫度，減少刀具磨損，提高工件表面加工精度提供了重要的參 考依據(jù)，同時通過有限元方法確定合理的切削參數(shù)，優(yōu)化了刀具參數(shù)，減少了立 銑刀的設(shè)計周期和設(shè)計成本，并且為刀具設(shè)計提供技術(shù)支持。 1 8 本章小結(jié) 本章主要介紹了本文的研究背景，對刀具的材料，尤其是我國硬質(zhì)合金材料 的發(fā)展作了詳細(xì)的介紹，并著重介紹了目前國內(nèi)外對于刀具結(jié)構(gòu)和銑削參數(shù)的優(yōu) 化的發(fā)展趨勢。同時簡單介紹了力學(xué)模型的建模方法，以及各建模方法的理論原 理。還介紹了兩款有限元軟件，a n s y s 、a d v a n t e d g e ，以及它們在有限元分析上 的各自優(yōu)點。最后對本論文的主要研究內(nèi)容作了一個系統(tǒng)的概述。 9 g f 系列立銑刀的有限元分析及參數(shù)優(yōu)化 第2 章立銑刀銑削力建模 2 1 銑削特點及銑削方式的選擇 銑削是非常普遍的加工方式，通過旋轉(zhuǎn)的多切肖刃刀具，沿著設(shè)定好的進(jìn)給 路線運動，從而完成金屬切削，形成加工表面。由于銑削加工屬于斷續(xù)切削，每 齒依次切入切出，因此沖擊載荷較大，容易發(fā)生震動，會降低刀具的耐用度和表 面粗糙度。但是銑削時參加工作的切削刃總長度較大，銑削面積較寬，單位時間 內(nèi)金屬切除率高，故生產(chǎn)效率高。 銑削加工是一種比較復(fù)雜的金屬切削過程，每一齒在切削過程中不斷變化的 切削厚度，將引起銑削力的變化。故在銑削時可以通過選取不同的銑削方式，來 改變銑肖4 厚度的變化，使在銑削過程中銑削力不會有太大的波動，從而提高刀具 的耐用度。 對于銑削方式最常見的就是順銑和逆銑兩種。所謂逆銑就是刀具旋轉(zhuǎn)方向與 工件進(jìn)給方向相反時的銑削方式。逆銑時，銑削厚度從零逐漸增大到最大，由于 剛開始切入時切削厚度很小，無法切下切屑，刀齒將在工件表面滑移一小段距離， 產(chǎn)生了強烈的摩擦，使刀具磨損嚴(yán)重，而且在工件表面產(chǎn)生冷硬現(xiàn)象，會影響加 工表面質(zhì)量。而順銑，是刀具的旋轉(zhuǎn)方向與工件進(jìn)給方向相同，切削厚度從最大 逐漸減小至零，順銑避免了逆銑的缺點，減弱了加工硬化的趨勢，加工平穩(wěn)，提 高了表面加工質(zhì)量和刀具使用壽命，因此在機床、夾具和工件剛度等滿足工藝要 求時，順銑是首選方式。 鱟釜 ( a ) 逆銑 圖2 1 順銑與逆銑 1 0 ( b ) 順銑 工程碩士學(xué)位論文 2 2 銑削力數(shù)學(xué)模型的建立 2 2 1 銑削厚度的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo) 由于立銑刀在加工過程中是旋轉(zhuǎn)運動，因此其主切削刃運動軌跡是近似圓弧 的曲線，所以其切削層厚度一直都是在變化的。立銑刀加工時的切削厚度如下圖 2 2 所示 避給 圖2 2 順銑銑削厚度數(shù)學(xué)模型 首先假設(shè)瞬時接觸角緲( i ，歹) ，其表示為第i 個刀齒切入工件時，刀齒上第，個微 單元所處的位置，瞬時接觸角是一個時問函數(shù)可以寫成q g ( i ，) = c o t 。如果想分析 硬質(zhì)合金立銑刀的瞬時切削力，所分析的刀刃必須參加切削過程，所以我們得出 瞬時接觸角的變化范圍是在切入角和切出角之問，即： ，n 緲( f ，) ( p e g ， ( 2 1 ) 式中，紀(jì)舢刀具開始切削時的角度，即切入角； 。刀具結(jié)束切削時的角度，即切出角。 由圖2 2 可知銑削厚度b e = i a b = t o 一乙= r 一乙 其中乙可在a o 。o a 中利用余弦定理求出： 螂( 萬一緲) ：絲掣 ( 2 2 ) o t o o a k 2 + 乙2 一c o s ( 萬一緲) 2 乞d l o a t o , 一2 = 0 式中，l o , o = 正，為立銑刀的每齒進(jìn)給量 t o , 。= r ，為立銑刀的半徑。 g f 系列立銑刀的有限元分析及參數(shù)優(yōu)化 所以式2 2 可以變?yōu)椋?k 2 - c o s ( e r - ( p ) 2 f j o a + z 2 一r 2 = o ( 2 3 ) 利用二次根式求得： 乙= 一zs i n 緲+ 扛麗 ( 2 4 ) 由于乙 0 所以舍掉負(fù)根。由于本文中每齒進(jìn)給量z 小于l ，所以c o s 2 姒2 為 高階無窮小，故將其舍掉。所以銑削厚度公式： 包= l a 8 = o b 一乙= r + zs i n 夠一r = zs i n 緲 ( 2 5 ) 由式2 5 可以看出銑削厚度統(tǒng)是妒( i ，) 的函數(shù)，因此也是隨時間變化的。 2 2 2 平頭立銑刀銑削力建模 其實在實際的切削加工中金屬切削幾乎全部是三元切削的場合，純粹的二元 切削( 嚴(yán)格的平面塑性流動狀態(tài)) 幾乎不存在【2 2 】。但是如果軸向力對切削過程影 響不是很大時，我們可以將三元切削過程簡化成二元切削模型，比如立銑加工過 程中如果軸向切深是切削厚度的五倍以上時可將模型簡化成二維正交切削，此時 我們可以用二元正交切削來推算出硬質(zhì)合金立銑刀的幾何角度、切削變量等參數(shù) 對銑削過程的影響。 本文采用a l t i n t a s 1 建立的瞬時力學(xué)模型為基礎(chǔ)，對平頭立銑刀進(jìn)行建模。其 基本思想是把平頭立銑刀的螺旋切削刃部分沿軸線方向離散成有限個微單元，每 個微單元等效成一個簡單的切削過程，求出每個微單元上所受的主切削力妲，徑 向力織，軸向力礬，然后在切削范圍內(nèi)積分求出總的銑削力。 x 一勿、 嬲，一 圖2 3 立銑刀微元受力圖 圖2 4 立銑刀旋轉(zhuǎn)角度示意圖 、， 工程碩士學(xué)位論文 將立銑刀置于x y z 三維空間中，立銑刀的底平面置于x o y 平面中，銑刀軸線 方向與z 軸重合。將立銑刀在軸向切削深度a 內(nèi)，沿軸向方向z 劃分成有限個微 小單元，定義數(shù)量為m