有限元在高速切削刀具中的研究及应用仪表计数器

有限元在高速切削刀具中的研究及应用

有限元在高速切削刀具中的研究及应用 2011： 刀具技术是实现高速切削加工的关键技术之一，刀具的耐用度、几何角度及其整体结构是高速切削刀具研究的重要方向。高速切削刀具材料要求在高温下既要有较高的硬度和耐磨性，又要有较高的强度和韧性[1-2]。因此，高速切削中切屑的形成过程、刀具的磨损机理及其温度分布，以及刀具的结构特性将是高速切削刀具研究中的重点。目前，高速切削刀具研究中理论研究和试验方法并重，理论研究主要集中在理论建模与计算以及有限元模拟2方面，而有限元模拟方法比较直观，更接近真实的切削过程，研究周期也较短，成本较低，因此近于材料的塑性变形和刀具与切屑、刀具后刀面与工件的摩擦。所不同的是圆弧刃刀具的最高切削温度在刃前区，而倒棱刀具的最高切削温度在切屑流经第一变形区之后，此种切削温度的分布情形是有利于刀具寿命和已加工表面完整性的。在刀具与切屑接触区，刀具上的温度略低于切屑的温度。

图1 倒圆刃刀具和工件上的温度分布

4 高速切削过程中刀具的结构特性分析杜小东[26]利用UG建立了立铣刀的实体模型，再导入ANSYS建立了相应的立铣刀有限元模型，然后提取前5阶固有频率，进行了立铣刀有限元模型的模态分析；并用阶跃响应的方法计算出立铣刀的基频和相应阻尼系数，进行了立铣刀有限元模型的瞬态动力分析。高速切削时, 由于刀具系统的转速很高, 离心力引起刀具系统的变形, 从而影响刀具的寿命, 谢黎明等[27]运用ANSYS软件对其进行了静力学分析, 并提出了改善刀具系统动平衡的技术方案。结束语本文介绍了高速切削刀具中常用的有限元软件，对目前切削过程仿真已取得的成果进行了论述。研究结果表明，应用有限元方法可以模拟带状切屑、锯齿状切屑和螺旋状切屑的形成过程，研究切削参数和刀具角度对切屑变形的影响，并由此对切削的形成机理进行分析。同时，可以对切削区的温度分布、刀具的破损和磨损过程进行模拟，并分析以上过程的主要影响因素。另外，还可对切削刀具的几何角度、材料结构及切削用量等进行结构特性上的综合分析。以上研究可对高速切削刀具材料和结构设计提供重要的理论支撑。参 考 文 献[1] 夏雪梅, 宋良煌. 刀具技术在航空结构件高速切削中的应用. 航空制造技术,2008(25): 82-84.[2] 刘瑞平, 邓福铭, 向兆兵.PCBN 刀具材料在高速硬态切削中的应用研究. 硬质合金, 2010，27(6): 365-369.[3] 梁明刚. 非线性有限元软件ABAQUS. 航空制造技术，2006(8)： 109-110.[4] 王慎平, 刘北英.ABAQUS 中的非线性模拟. 机械制造与研究,2006,35(2): 20-22.[5] 蔡玉俊, 段春争, 李园园, 等. 基于ABAQUS 的高速切削切屑形成过程的有限元模拟. 机械强度, 2009, 3(4): 693-696.[6] 陈火红, 杨剑, 薛小香, 等. 新编Marc 有限元实例教程. 北京：机械工业出版社,2007.[7] 李涛. 淬硬模具钢正交切削的力学建模与计算机仿真研究[D]. 南京：南京航空航天大学,2007.[8] ( 美) 库克著. 有限元分析的概念与应用( 第4 版) . 关正西, 强洪夫，译. 西安:西安交通大学出版社,2007.[9] 姜峰. 不同冷却润滑条件Ti6Al4V高速加工机理研究[D]. 济南：山东大学,2009.[10] 谢卿阳.4Cr5MoSiV1 淬硬钢高速切削的实验研究和有限元分析[D]. 南京：南京航空航天大学,2008.[11] Baker M. Finite element investigation of the flow stress dependence of chip formation.Journal of Materials Processing Technology(S0890-6955),2005,167(1):1-13.[12] Bäker M. The influence of plastic properties on chip formation. Computational Materials Science (S1616-6361), 2003,28(3-4):556-562.[13] Bäker M, Joachim R, Carsten S. The influence of thermal conductivity on segmented chip formation. Computational Materials Science(S1616-6361),2003,26:175-1 82.[14] Bäker M, Joachim R, Carsten S.A finite element model of high speed metalcutting, with adiabatic shearing. Computers and Structures(S0045-7949),2002,80(5-6): 495- 513.本文共有参考文献27篇，因篇幅所限，未能一一列出，读者如有需要，请向本刊编辑部索取。

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