刀具几何角度对高速铣削性能影响的有限元分析
目 录
1 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究意义 3
1.3 国内外研究现状 4
1.4 本课题主要工作 6
2 仿真方案 6
2.1 AdvantEdge软件介绍 6
2.2 工件材料及切削用量的确定 7
2.3 刀具材料和刀具几何角度的确定 7
3 仿真过程 8
3.1 建立新项目 8
3.2 定义单元类型 10
3.3 网格划分 11
3.3 参数设置及仿真分析 12
4 仿真结果及分析 12
4.1 刀具几何角度对切削力的影响分析 13
4.2 刀具几何角度对切削温度的影响分析 18
结 论 24
致 谢 25
参 考 文 献 26
1 绪论
1.1 研究背景
随着数控加工配置和高性能刀具加工技能的发展而变得日趋成熟，模具加工的速度提高，并且零件的加工工序也就跟着减少甚至消除了占用时间比较多的钳工修复工作。所以大大减少了了模具的生产周期。在模具加工中，高速加工技术的运用在为模具工业技术改造中越来越占很重要的地位。很多专家研究发现，高速加工技术占用时间越短，产品表面精度越高，从而可以获得精度较高，表面光滑的加工零件。能够有效的加工硬度材料,并且钳工的抛光打磨时间也减少了。大幅度提高刀具的使用寿命并且缩短了返修时间。另外电极的制造工作也不需要了。模具改型只需经过CAD/CAM软件，使改型加速。随着生活的快速发展，对于薄壁类模具工件在市场上的运用随处可见，高速加工能够又快并且又好的完成任务。而且在高速 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
铣削数控加工中心的模具只需要安装一次就可以完成很多道工序的处理。模具高速加工技术是先进的加工技术，不光是涉及到高速加工工艺。并且还囊括了高速加工机床、数控体系、高速切削刀具及CAD/CAM技术等。
当前在发达国家中，高速加工技术在模具制造技术的领域应用很是普遍。而国内的应用范围及应用水平还有着很大的发展空间。大力发展和推广利用高速加工切削技术，这是提高中国综合国力水平的力量之一，对于发展中国家既是机遇又是挑战。而高速加工技术中机床设备，刀具技术等之类的选取占着十分重要的地位。
在机械领域中，尤其在高速切削加工技术的领域中，刀具占据着不可磨灭的地位，因为各种刀具使用的长久性、刀具的几何角度例如（前角，后角，螺旋角）以及刀具的整体制造均是高速切削过程中研究刀具技术的重要方向。进行高速切削时，切削温度达到顶点时，要求刀具能够承受较大的应力并且能够承受因反复工作相互摩擦而使刀具寿命减少的能力。所以，在金属高速切削加工过程中，设置不同的几何角度参数值，切削用量等都可能使在切削过程形成的切屑，切削应力的大小发生变化。因此在实际生活应用中，设置刀具的不同几何角度必须考虑在节约成本的情况下，保证刀具足够的使用寿命以及其他常用特性。
国外著名高等院校从很久之前就已经对高速切削中所适用的材料特性的实验进行研究并探讨及原理。实验研究过程中发现，形成的切屑在某个数据范围内处于不间断的状态，而如果改变某些参数例如切削速度，形成的切削在一定范围是显示的是非连续状态。而且实验发现不仅受到切削速度的影响，不同的切削深度，进给量均是影响因素。从最早的实验研究发现，大部分专家在做高速切削实验时均采用铝合金材料。
高速切削加工过程中合理的参数设置相当重要，如刀具在切削过程中选择材料比较合适的工件，还要再选取相适应的刀具材料去切削毛坯,避免出现崩刀、跳刀现象而导致事故发生，只有在所有切削条件都合适的情况下才能获得最理想的切削结果。而在选取刀具材料时，要考虑在切削过程会发热而导致损坏刀具的情况。加工铝合金时，通过查询机械加工工艺手册可以得知作为使用刀具的材料有硬质合金类、陶瓷类、金属陶瓷类等等。
研究发现铝合金具有很好的物理性能，例如强度、弹塑性都是比较好的，以及密度是较低的。因此近几年广泛应用于航空航天、汽车零部件的制造、能源、高速动车还有环境等行业中。铝合金是实现轻量化、现代化的优良材料。例如美国制造的汽车整体重量会非常笨重并且十分耗油，而现在越来越多的人购买日本的汽车，原因之一就是汽车的整体的重量大大减少并且节约汽油减少开支，差别在于很多零部件使用了铝合金材料，这样生产商获得更高的效益。高速铣削是随着机床转速不断提高而发展起来的一种铝合金零件先进制造技术，然而铝合金薄壁零件在高速铣削加工过程中，由于切削力和切削温度影响会引起加工变形，这是国内外专家需要花大量时间去研究去解决。
1.2 研究意义
随着高速切削机床、刀具等相关设备的发展,作为先进制造技术的重要组成部分,国内外专家在进行切削实验时均选用高速切削加工。在高速切削加工过程中,由于反复工作摩擦而导致刀具上的刃口磨损严重，其与切削力和切削温度有着相当紧密的关系,所以切削力和切削温度的大小会随着刀具几何角度和切削参数的不同而不同,从而需要进行刀具几何角度对高速铣削性能影响的有限元分析。其中刀具几何角度在金属切削加工过程中对切 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
削的形成、切削力的大小以及其他因素影响很大。所以合理选用刀具几何角度对提高刀具使用寿命和生产效率，节约生产成本具有相当重要的意义。
因为本论文以铝合金高速铣削为研究对象，借助金属切削软件对铣削加工工艺进行模拟仿真。但是在零件的机械加工中，常常会因为内应力而变形，其中效果较为突出的是有色金属例如铝、镁合金的加工。内应力引起的翘曲、测弯和扭曲等形式的变化频繁出现，因此会严重影响产品的加工质量及加工效率，尤其是对于薄壁零件和薄板零件表现相当突出。由于铝合金高速铣削过程中，刀尖温度会在工件的反复过程中一直变化，切削力也随着变化，所以这使加工带来很大的困扰，这也是专家们一直探讨的问题。如何最大限度地减少或者说消除零件的变形，又保证产品的质量及生产效率，从古至今是科研人们一直研究的问题。
除此之外铝合金加工过程中还会存在其他常见问题：
（1）这种材料是质地较软，所以塑性变形能力比较差，另外加工表面很容易看到加工印迹，尤其在加工过程中，工件被夹在机床上当卸下来的时候很容易有凹痕，容易被刮坏，如果形成的切屑没有随着切削的过程及时排除，留下来的切屑会与已加工的好的表面粘在一块而破坏工件，零件的报废率就大大增加。
（2）在高速切削时，实验人员卸下铝合金材料的工件时会觉得烫手你，说明这种材料导热性能力较强。但是在切削过程中形成的切屑会随着刀具旋转散发热量，又因为其较小的弹性模量会产生较大的弹性变形，因此在切削过程中会引起切削面与已经加工好的表面产生摩擦，从而破坏了加工表面不能获得较高的加工精度。随之带来的就是破坏了刀具的使用并大大降低了使用寿命。
（3）另外铝合金材料在加工过程中，当温度较高时膨胀现象比较明显，理论来讲热胀冷缩的现象会对那些已加工好的零件产生不利影响，影响了产品的加工精度。
（4）在高速加工铝合金时，很容易会出现铣刀实际位置偏离所需要的位置，这样导致被加工的零件会产生较大的误差，产品精度降低或损坏而最后报废。
2.2 工件材料及切削用量的确定
本论文研究主要采用了具较强韧性、较高的焊接效率的7075-T651铝合金作为研究材料，是一种热处理型高强度的铝合金。从理论知识可以得知铣削跟车削最大的不同地方主要在于切削用量上，而铣削主要有4个参数：切削速度v、每齿进给量fz、轴向切削深度ap、和径向切削深度ac。通过金属切削原理知识可知高速铣削时规定铣削用量：轴向切削深度要尽可能小、每齿进给量适当、铣削宽度选择常用类型、切削速度尽可能高一些[17]。通过查阅《机械加工工艺手册》[18]可知加工铝合金工件时的铣削用量推荐值，选为v=10m/s，fz=0.1mm/z，ap=1mm,ac=4mm。
1 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究意义 3
1.3 国内外研究现状 4
1.4 本课题主要工作 6
2 仿真方案 6
2.1 AdvantEdge软件介绍 6
2.2 工件材料及切削用量的确定 7
2.3 刀具材料和刀具几何角度的确定 7
3 仿真过程 8
3.1 建立新项目 8
3.2 定义单元类型 10
3.3 网格划分 11
3.3 参数设置及仿真分析 12
4 仿真结果及分析 12
4.1 刀具几何角度对切削力的影响分析 13
4.2 刀具几何角度对切削温度的影响分析 18
结 论 24
致 谢 25
参 考 文 献 26
1 绪论
1.1 研究背景
随着数控加工配置和高性能刀具加工技能的发展而变得日趋成熟，模具加工的速度提高，并且零件的加工工序也就跟着减少甚至消除了占用时间比较多的钳工修复工作。所以大大减少了了模具的生产周期。在模具加工中，高速加工技术的运用在为模具工业技术改造中越来越占很重要的地位。很多专家研究发现，高速加工技术占用时间越短，产品表面精度越高，从而可以获得精度较高，表面光滑的加工零件。能够有效的加工硬度材料,并且钳工的抛光打磨时间也减少了。大幅度提高刀具的使用寿命并且缩短了返修时间。另外电极的制造工作也不需要了。模具改型只需经过CAD/CAM软件，使改型加速。随着生活的快速发展，对于薄壁类模具工件在市场上的运用随处可见，高速加工能够又快并且又好的完成任务。而且在高速 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
铣削数控加工中心的模具只需要安装一次就可以完成很多道工序的处理。模具高速加工技术是先进的加工技术，不光是涉及到高速加工工艺。并且还囊括了高速加工机床、数控体系、高速切削刀具及CAD/CAM技术等。
当前在发达国家中，高速加工技术在模具制造技术的领域应用很是普遍。而国内的应用范围及应用水平还有着很大的发展空间。大力发展和推广利用高速加工切削技术，这是提高中国综合国力水平的力量之一，对于发展中国家既是机遇又是挑战。而高速加工技术中机床设备，刀具技术等之类的选取占着十分重要的地位。
在机械领域中，尤其在高速切削加工技术的领域中，刀具占据着不可磨灭的地位，因为各种刀具使用的长久性、刀具的几何角度例如（前角，后角，螺旋角）以及刀具的整体制造均是高速切削过程中研究刀具技术的重要方向。进行高速切削时，切削温度达到顶点时，要求刀具能够承受较大的应力并且能够承受因反复工作相互摩擦而使刀具寿命减少的能力。所以，在金属高速切削加工过程中，设置不同的几何角度参数值，切削用量等都可能使在切削过程形成的切屑，切削应力的大小发生变化。因此在实际生活应用中，设置刀具的不同几何角度必须考虑在节约成本的情况下，保证刀具足够的使用寿命以及其他常用特性。
国外著名高等院校从很久之前就已经对高速切削中所适用的材料特性的实验进行研究并探讨及原理。实验研究过程中发现，形成的切屑在某个数据范围内处于不间断的状态，而如果改变某些参数例如切削速度，形成的切削在一定范围是显示的是非连续状态。而且实验发现不仅受到切削速度的影响，不同的切削深度，进给量均是影响因素。从最早的实验研究发现，大部分专家在做高速切削实验时均采用铝合金材料。
高速切削加工过程中合理的参数设置相当重要，如刀具在切削过程中选择材料比较合适的工件，还要再选取相适应的刀具材料去切削毛坯,避免出现崩刀、跳刀现象而导致事故发生，只有在所有切削条件都合适的情况下才能获得最理想的切削结果。而在选取刀具材料时，要考虑在切削过程会发热而导致损坏刀具的情况。加工铝合金时，通过查询机械加工工艺手册可以得知作为使用刀具的材料有硬质合金类、陶瓷类、金属陶瓷类等等。
研究发现铝合金具有很好的物理性能，例如强度、弹塑性都是比较好的，以及密度是较低的。因此近几年广泛应用于航空航天、汽车零部件的制造、能源、高速动车还有环境等行业中。铝合金是实现轻量化、现代化的优良材料。例如美国制造的汽车整体重量会非常笨重并且十分耗油，而现在越来越多的人购买日本的汽车，原因之一就是汽车的整体的重量大大减少并且节约汽油减少开支，差别在于很多零部件使用了铝合金材料，这样生产商获得更高的效益。高速铣削是随着机床转速不断提高而发展起来的一种铝合金零件先进制造技术，然而铝合金薄壁零件在高速铣削加工过程中，由于切削力和切削温度影响会引起加工变形，这是国内外专家需要花大量时间去研究去解决。
1.2 研究意义
随着高速切削机床、刀具等相关设备的发展,作为先进制造技术的重要组成部分,国内外专家在进行切削实验时均选用高速切削加工。在高速切削加工过程中,由于反复工作摩擦而导致刀具上的刃口磨损严重，其与切削力和切削温度有着相当紧密的关系,所以切削力和切削温度的大小会随着刀具几何角度和切削参数的不同而不同,从而需要进行刀具几何角度对高速铣削性能影响的有限元分析。其中刀具几何角度在金属切削加工过程中对切 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
削的形成、切削力的大小以及其他因素影响很大。所以合理选用刀具几何角度对提高刀具使用寿命和生产效率，节约生产成本具有相当重要的意义。
因为本论文以铝合金高速铣削为研究对象，借助金属切削软件对铣削加工工艺进行模拟仿真。但是在零件的机械加工中，常常会因为内应力而变形，其中效果较为突出的是有色金属例如铝、镁合金的加工。内应力引起的翘曲、测弯和扭曲等形式的变化频繁出现，因此会严重影响产品的加工质量及加工效率，尤其是对于薄壁零件和薄板零件表现相当突出。由于铝合金高速铣削过程中，刀尖温度会在工件的反复过程中一直变化，切削力也随着变化，所以这使加工带来很大的困扰，这也是专家们一直探讨的问题。如何最大限度地减少或者说消除零件的变形，又保证产品的质量及生产效率，从古至今是科研人们一直研究的问题。
除此之外铝合金加工过程中还会存在其他常见问题：
（1）这种材料是质地较软，所以塑性变形能力比较差，另外加工表面很容易看到加工印迹，尤其在加工过程中，工件被夹在机床上当卸下来的时候很容易有凹痕，容易被刮坏，如果形成的切屑没有随着切削的过程及时排除，留下来的切屑会与已加工的好的表面粘在一块而破坏工件，零件的报废率就大大增加。
（2）在高速切削时，实验人员卸下铝合金材料的工件时会觉得烫手你，说明这种材料导热性能力较强。但是在切削过程中形成的切屑会随着刀具旋转散发热量，又因为其较小的弹性模量会产生较大的弹性变形，因此在切削过程中会引起切削面与已经加工好的表面产生摩擦，从而破坏了加工表面不能获得较高的加工精度。随之带来的就是破坏了刀具的使用并大大降低了使用寿命。
（3）另外铝合金材料在加工过程中，当温度较高时膨胀现象比较明显，理论来讲热胀冷缩的现象会对那些已加工好的零件产生不利影响，影响了产品的加工精度。
（4）在高速加工铝合金时，很容易会出现铣刀实际位置偏离所需要的位置，这样导致被加工的零件会产生较大的误差，产品精度降低或损坏而最后报废。
2.2 工件材料及切削用量的确定
本论文研究主要采用了具较强韧性、较高的焊接效率的7075-T651铝合金作为研究材料，是一种热处理型高强度的铝合金。从理论知识可以得知铣削跟车削最大的不同地方主要在于切削用量上，而铣削主要有4个参数：切削速度v、每齿进给量fz、轴向切削深度ap、和径向切削深度ac。通过金属切削原理知识可知高速铣削时规定铣削用量：轴向切削深度要尽可能小、每齿进给量适当、铣削宽度选择常用类型、切削速度尽可能高一些[17]。通过查阅《机械加工工艺手册》[18]可知加工铝合金工件时的铣削用量推荐值，选为v=10m/s，fz=0.1mm/z，ap=1mm,ac=4mm。
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