【作者】 Grema Mamadou Mbo；

【导师】 周志雄；

【作者基本信息】 湖南大学 ， 机械制造及其自动化， 2008， 硕士

【摘要】 目前,出于用低成本生产高质量产品的需要,人们对制造工艺的关注越来越多。高速加工是一种较新的生产技术,而铣削是现代金属切削加工工艺中应用最广泛的方法之一,在整个铣削过程中铣刀体对切削效率的影响很大。根据相关文献的介绍可以发现,尽管人们在铣刀切削性能方面的研究取得了一些成果,但是国内在可转位铣刀体的结构优化研究方面还有一定的欠缺和不足,因此对可转位铣刀体的结构进行优化研究,提高其铣削加工性能,有很大的经济和社会价值。本文以可转位硬质合金端铣刀为研究对象。从刀片的性质和选择,刀片的装夹方式以及铣刀体的结构优化等方面进行了研究工作。以期提高刀片的安装性能,优化铣刀体的结构,提高其铣削加工性能。第一章首先介绍了铣削加工及其定义,介绍了端铣刀及其相关的操作。讨论了两种应用最多的铣削加工方法并定义了一些变量。文中详细陈述了切削刀具的主要材料,结构及其应用范围;回顾了学者在这方面所作的研究工作;总结了当今高速切削技术在国内外的研究与发展状况;重点介绍了中国制造业所面临的问题以及一些主要的研究所和研究中心为了探索解决问题的方法,在这方面所取得的研究成果。本章还讨论了高速切削技术与机床系统相关的主要问题,包括刀具与机床的干涉、夹头技术、刀杆和机床主轴技术、刀具系统的动平衡以及其他问题。第二章首先介绍了铣刀片的几何形状,详细地对比了刀片三种常用的几何形式,并指出各种刀片的优缺点。定义了刀具设计中的一个重要参数—前角,并讨论了前角对切屑厚度和进给率的影响。本章还介绍了刀片的几种主要的定位方式,并对它们进行了对比分析。刀片的定位装夹方式对铣刀的铣削非常重要。也是本章的主要研究内容,在该部分,首先介绍了三种主要的铣刀片夹紧方式:楔块夹紧式、螺钉夹紧式和杠杆夹紧式,然后对每一种方式都进行了分析。针对楔块夹紧式方式,主要以刀片在告诉旋转切削加工时不飞离铣刀体为主要分析目标,分析了施加在前契块和后契块紧固螺钉上的扭矩的大小与铣刀体旋转速度之间的关系;对杠杆夹紧式的主要零件杠杆进行了受力分析,得到了施加在双头螺钉上的扭矩和杠杆对刀片内圈面的压力和摩擦力之间的关系,并对杠杆的主要的参数进行了分析讨论;通过微变形分析的方法,根据螺钉压紧方式中的螺钉在预紧前后的微变形的几何关系,分析得到了施加在螺钉上的扭矩与螺钉施加在刀片上的压紧力之间的关系。并根据分析结果对刀片和螺钉也提出了相应的要求。第三章介绍了工程领域中的一个重要原理——有限元法。主要介绍了哈密尔顿原理,有限元法的基本步骤和并对形函数的相关性质进行了简单的介绍。哈密尔顿原理是一个简洁有用的工具,可用于推导离散的动力学系统方程,它可以简单的表述为:在所有可能的随时间变化的位移中,最精密的解使拉格郎日泛函数取得最小值。有限元的主要步骤包括:域的离散;位移插值;构建形函数;局部坐标系中有限元方程的形成;坐标变换;整个有限元方程的组装;位移约束的施加;求解整个有限元方程。第四章建立了铣削力模型,对相关文献中的各种模型进行了讨论,建立了端铣刀的铣削力模型。建立的解析模型包括单齿铣刀铣削力模型与动态多齿端铣刀铣削力模型,文中还给出了切屑平均和最大厚度、切屑宽度、切屑面积以及切削力的表达式。本文的分析模型是有7个齿的铣刀体模型。为了找出刀具的最大齿数,计算切削分力,利用同样的铣刀模型,根据不同的工件宽度与刀具直径比,提出两种端铣刀铣削加工方式。这两种比例分别为1和2/3,通过计算我们发现:在切削仿真中,比为1时,刀具的最大切削齿数可达4个,而比为2/3时刀具的最大齿数仅为3个。随后,计算了每种情况下的切削分力,并做出表格。从表中可以看出:比为2/3时,最大的切向力为2510N,对应的切削角为71o;比为1时,最大切向力为2656N。由于切削角为45°,并考虑到切削力模型表达式中的一些参数,我们发现由这两种情况得到的轴向力与径向力相同。第五章利用ANSYS对所提出的端铣刀刀体进行了有限元分析。在分析之前,介绍了一些与有限元相关的重要概念,如接触对、接触类型和有限元接触能力,列举了接触分析的基本步骤和过程。在采用有限元进行分析之前,利用pro/E软件建立了刀体的三维模型,修改了一些细节特征,如刀体的边角、倒角和圆锥面。这些改动不但对分析结果几乎没有影响,而且能够简化刀体的几何形状,减小CPU计算时间。另外,将六边形螺钉头简化成圆形,并去掉了螺纹,通过这种方法简化螺钉的结构,便于进行计算。然后在PRO/E中完成刀体的装配,装配时选择“mmns_asm_design”模板,并采用毫米为系统单位,并保证刀具在PRO/E中的坐标系与在ANSYS的坐标系一致,有利于进行分析,。通过PRO/EANSYS的连接端口,直接将模型导入ANSYS中进行分析,在ANSYS中单位体系选用MPA系统,因此实际输入的力要是实际值的109倍,压强是实际值的103倍。考虑到整个过程中,螺钉和刀体一直保持紧密接触,采用“粘合”操作模拟他们之间的装配关系。完成刀体装配后,恰当定义材料性质,进行网格划分。对于刀体和螺钉,杨氏模量为2.12E14,泊松比为0.28;对于刀片,材料是硬质合金杨氏模量为5.4E14,泊松比为0.24。考虑到有限元法分析大变形和形状复杂问题的需要,选择Solid186单元。尽管这种单元由于节点和自由度多,需要花费更多的CPU使用时间,但该单元能很好的实现分析目标。在分析中,由于刀片硬度高,以其表面为目标面,而将底座当作接触面。类似地,在刀片和螺钉接触对中,以刀片表面为目标面,而将螺钉锥面当作接触面。wizard自动添加TARGE170和CONTA174两种元素对面接触对进行仿真。完成单元以及材料属性的选择后,对刀体、刀片和螺钉进行网格划分,划分结果的图可在本章中找到。网格划分过程中,元素特征设置成“全局”,并选择“自由划分网格”。由于接触面不能渗透目标面,所以必须使目标面的单元密度大于接触面的密度,因此把目标面的单元边长设为0.04mm,接触面的单元边长设为0.5mm。划分完网格以后,通过接触对管理器,设置接触对。每一个受力作用的刀齿都会有4个接触对,三个是刀片和刀体之间,第四个是在螺钉和刀片之间。本分析是静态力学分析,由于在分析中定义了接触对,因此分析类型设定为大变形静力学分析,设定分析总时间,子步数,打开自动子步控制。将每一个子步的计算结果写入结果文件。施加铣刀体的位移约束以保证其有足够的自由度约束。总共有三处约束:约束刀体和刀柄轴向接触的两个面的所有自由度;约束刀体和键在周向上的四个接触面的面法向上的自由度以及刀体下端与拉紧螺钉接触的面的所有自由度。施加第三章计算的力,因为我们在计算力的时候,力的方向分别是由作用点沿半径指向刀体回转轴的径向力,由作用点沿圆周方向的切向力以及由作用点与刀体回转轴平行的轴向力。这三个力将施加在节点上。但是这些力所在的坐标系为圆柱坐标系,而当前的节点坐标系又是笛卡尔坐标系,因此应该把节点坐标系调节为圆柱坐标系,然后依照力的性质逐个添加。计算后通过节点的方式观察结果,可以得到刀体,螺钉以及刀片在两种受力情况下的变形情况。根据变形云图我们发现,刀片和螺钉的变形比刀体的变形大,刀体的变形主要集中在刀片的安装槽部分。刀片的变形最大处在受铣削力的切削刃上,并且有应力的点集中。这主要是因为把力施加在单个节点上造成的。根据圣为南定理,该点集中不会影响整体的计算结果。螺钉是变形最大的零件,局部应力已经接近材料的上限。不同的工件宽度与刀具直径比得到的变形情况不同,比值为1时的变形比比值为2/3时的大。这主要是比值为1时,铣削的受力状况比较差的原因。根据以上变形结果,我们提出以下改进意见:1.选用材料的力学性能优良的螺钉。2.增加刀体上与刀片侧面配合面的法向方向的厚度。3.增加刀体上与刀片底面配合面的法向方向的厚度,可以通过将刀片座部分的后面改成与铣刀体中心轴平行的方法增加其刚度。4.尽量减少铣刀体上为方便安装螺钉而加工的凹槽的体积,以提高铣刀体齿座的刚度。5.可以通过减小排屑槽的径向深度和刀齿座的轴向厚度来减少铣刀体的质量。最后对全文的内容做了简要的总结,本文的创新点主要有两个,一个首次对三种刀片的装夹方式进行了系统的分析,并取得了一定的研究成果。其次,探索出用有限元分析软件ANSYS优化分析铣刀体结构的方法,并取得了比较好的效果。但是由于本人的能力和时间有限,所以还有一些地方有待进一步完善,一是应该对刀片的装夹性能进一步分析,建立装夹所用的相应扭矩和力与施加铣削加工时刀体变形之间的关系,优化装夹所用的相应扭矩和力的大小。二是对铣刀体进行更全面的分析,更好的掌握其性能,达到提高起铣削性能的目的。更多还原

【Abstract】 Today’s demand for quality products at low cost requires a closer look at manufacturing operations. High speed machining is a relatively new production technology;milling is one of the most versatile metal cutting processes of modern time and the milling cutter body plays a great influence in the process overall efficiency. According to the related literature, the performance of the milling cutter is not yet well explored though many efforts have been done.This paper presents an analytical study on milling cutter body; two methods of milling are introduced. The major cutting tools materials, their structures and areas of application are presented; a literature of some research works in relation with the present topic is reviewed.The current research and development of high speed cutting technology in some developed countries and china are explored, the issues faced by Chinese manufacturing industry and efforts made in the area by many high academic institutions and research centers are emphasized.Three milling insert geometries have been studied and compared, three types of milling insert clamp methods and their criteria of selection are analyzed.The fundamental of finite element method procedure is outlined, a face milling force model, the expression of the maximum and average chip thickness, chip width and cutting area are established.A face milling cutter model with 7 cutting teeth is proposed to find the maximum number of teeth in simultaneous cut with their respective cutting angles; the corresponding cutting force components are computed. In the process of determining the cutting angles, two milling operation cases of different workpiece cutting width to cutter diameter ratios are proposed. In the first case, the ratio is equal to 1 while in the second case it is 2/3; these represent conditions of severe and good cutting process, respectively.The concept of contact analysis and contact classification is introduced; the contact capabilities of ANSYS are outlined.ANSYS was used to perform finite element analyses of the proposed model. Nodal solution results indicated that the cutter body, cutting insert and the screw react differently to the applied loads. It was found that, for the same loads and considering the individual component, the screw experienced the highest deformation compared to the cutting insert and cutter body. Results of the two cases compared show that, the cutting process with ratio equal to 1 experienced the highest deformation; these results are valid for both single body and assembly.Stress analysis results solely focused on the cutter body show that relatively low compression stresses apply on the cutting insert seat internal diameter peripheral edge.With regards to the above results and simulation conditions, it can be deducted first, that the values are consistent with the theoretically computed forces and second, they permitted to locate the weakest sections of each component through assessment of the individual reactions.更多还原