铣削γ-TiAl球头立铣刀几何角度优化设计.pdf
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1、 毕煌圣,熊良山,黄若峰,等 基于有限元仿真结果和车削实验的刀屑平均摩擦因数估计方法 中国机械工程,():,王飞杰,郭文亮,刘润爱,等 高压冷却条件下刀具摩擦性能的仿真研究 机械设计与制造,():,():第一作者:李金乐,工程师,株洲钻石切削刀具股份有限公司,湖南省株洲市 :,收稿日期:年 月铣削 球头立铣刀几何角度优化设计郝涛,汪振华,胡宏宇南京理工大学机械工程学院摘要:钛铝合金具有良好的物理和力学性能,在航空航天及汽车领域具有广泛的应用前景。由于其高温强度高、导热率低及室温脆性等特性,加工时存在切削力较大、切削温度高等问题,是一种典型的难加工材料,因此开发一款针对该种材料加工的球头立铣刀具
2、有十分重要的意义。本文通过三维有限元仿真技术,以降低铣削力和铣削温度为优化目标,求得球头铣刀前角、螺旋角和后角三个几何参数的最优组合;分析这三个几何参数对切削力和切削温度的影响,实现刀具几何参数的优化设计。关键词:球头立铣刀;几何参数优化;切削力;切削温度中图分类号:;文献标志码:,:,:;?引言目前,航空航天领域使用的热端零件大多采用高温钛合金及镍基高温合金 ,但随着现代航空发动机对推重比及燃油经济性要求的提高,这两种传统高温结构材料的使用性能已趋近极限水平 。合金作为一种新型高温结构材料,具有密度低、弹性模量大以及抗高温氧化等特点,在一些领域有取代镍基高温合金等传统高温材料的潜力 。尽管
3、性能优异,但是其高温强度高、导热率低和室温脆性等特性,在加工时切削力较大,切削温度高,加工表面摩擦力大,是一种典型的难加工材料。这使加工 的刀具存在磨损严重以及刀具寿命低等问题 ,目前仍缺乏一款针对 加工的球头铣刀。优化刀具几何参数是改善 切削加工性能的一种相对有效方法,通过分析切削仿真过程中的切削力和切削温度等因素可以间接评价刀具的切削性能。对此,很多学者开展了大量相关的仿真与工 具 技 术试验研究。等 基于 软件建立平头铣刀的三维有限元模型,对加工 平头铣刀的螺旋角、前角以及刃数进行优化;等 利用有限元技术对硬质合金立铣刀的后刀面进行优化,结果表明,优化后的立铣刀在加工 以及 时刀具寿命均
4、显著提升。等 通过仿真研究仿生球头铣刀铣削过程中的铣削力和应力发现,具有仿生结构铣刀的最大等效应力比普通铣刀低 ,并且切削力更加平稳;等 基于仿生学设计了一种新的刀具结构,并基于 软件对立铣刀的齿数和切削刃的微结构进行了优化;齐彪等 分析刀具切削 时的特点,以铣削温度、铣削力以及铣削过程中最大正应力最低为优化目标,选出了针对切削钛合金的刀具几何参数;黑大全等 建立了铣削力与选定几何角度的三元二次非线性回归模型,得到铣削力最小时的前角、螺旋角和一次后角,优化效果显著。?建立球头铣刀铣削?仿真模型?本构模型为确定物体在外部因素作用下的响应,除必须知道反映质量守恒、动量平衡、动量矩平衡和能量守恒等自
5、然界普遍规律的基本方程外,还须知道描述构成物体物质属性所特有的本构方程。采用引入 因子的 方程,建立合金的本构方程为 ()()()因子为 ()()式中,为应变率();为应力();为表面激活能();为试验热力学温度();为气体常数();,为材料常数;为应力指数。仿真材料的本构模型参数见表 。表 钛铝合金材料参数()()?对象间接触关系及摩擦模型在 仿真软件中,在对象间接触关系及摩擦模型设定界面中,有 (剪切应力)、(库伦应力)和 (混合应力)摩擦模型。考虑到仿真过程中同时存在两种摩擦类型,因此采用 摩擦模型,即 (),(滑动区),(黏结区)()式中,为剪切应力;()为工件与模具正应力;为滑移摩擦
6、系数取 ;为剪切摩擦因子取 ;为材料的剪切流动应力;为黏结区长度;为刀屑接触长度。?设置切削有限元模型与切削参数图 为球头立铣刀的三维铣削仿真模型。为避免铣削过程中球头中点参与铣削,铣削平面为倾斜面。其中刀具选用硬质合金材料,为简化仿真模型,刀具模型仅截取铣刀带有切削刃的部分,使用的铣削参数见表 ,铣削方式为顺铣。网格划分对有限元仿真的结果具有重要影响,为提高仿真精度,网格主要集中在工件与刀具接触部分,其余部分占网格总数的 。其中工件网格总数为 ,刀具网格总数为 。图 球头立铣刀的三维铣削仿真模型表 铣削参数铣削参数铣削速度()每齿进给量()切削深度()参数值?优选分析球头铣刀几何参数利用已建
7、立的三维铣削仿真模型对三向铣削力和铣削温度进行模拟,通过分析切削仿真过程中切削力和切削温度等因素优化刀具的几何角度。?优化球头铣刀前角前角的大小对切削力、切削温度以及刀具寿命有重要影响。为了保证刀具强度,同时获得较好的刀具性能,前角选择 。表为球头铣刀前角优化试验的参数设置。表 球头铣刀前角优化试验的参数设置刀具几何参数前角()后角()螺旋角()直径()齿数参数值,图 为不同的刀具前角对应的各向铣削力平均 年第 卷 值。随着前角增大,切削刃越来越锋利,剪切阻力减小,因此当前角角度在 时,随着前角增大,各方向的铣削力平均值下降较为明显。而随着前角继续增大,切削刃导热面积变小,刀具切削性能变差。因
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