高速面銑刀模態(tài)參數(shù)及其對切削性能影響分析

莫玉梅

摘 要：模態(tài)分析高速面銑刀，得到面銑刀模態(tài)參數(shù)，高速面銑刀的動態(tài)特性與其切削構(gòu)建起來，確保面銑刀銑削良好的穩(wěn)定性，提升工件表面質(zhì)量，這是研究的主要內(nèi)容。分析了ABAQUS模態(tài)分析功能及其模態(tài)分析過程、得出有限元模態(tài)分析結(jié)果，并進(jìn)行討論。

關(guān)鍵詞：面銑刀；模態(tài)參數(shù)；切削性能；影響

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.03.008

在國內(nèi)外研究文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，吸收高速面統(tǒng)刀在洗削安全穩(wěn)定性和工件表面質(zhì)量等方面的優(yōu)勢，針對研究存在的缺陷，確定了最終研究目的，也就是本次課題研究的產(chǎn)生及主要內(nèi)容等。針對高速面銑刀模態(tài)參數(shù)及其對切削性能影響，從三個方面進(jìn)行論述：ABAQUS模態(tài)分析功能、面銑刀有限元模態(tài)分析過程、有限元模態(tài)分析結(jié)果與討論。

1 ABAQUS模態(tài)分析功能

1.1 ABAQUS的選擇依據(jù)

高速面銑刀的構(gòu)成包括刀體、刀片螺釘與楔塊等。所以，將面銑刀用作裝配體進(jìn)行處置，與實際情況保持接近。一般ABAQUS與ANSYS是較為常用的模態(tài)分析功能的有限元軟件，上述兩種軟件均能解決常規(guī)線性問題，模型規(guī)模限制與計算時間等比較靠近，而ABAQUS具有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析能力，接觸建模功迎合了銑刀模態(tài)分析的需求，得出的模態(tài)參數(shù)較為準(zhǔn)確，獲得面銑刀有限元模型比較精確，基于此，進(jìn)行應(yīng)力及振動響應(yīng)的分析，獲得的結(jié)論更加客觀。

1.2 ABAQUS的相關(guān)模塊功能

ABAQUS的功能模塊較多，和面銑刀模態(tài)分析有關(guān)的包括三個功能模塊，分別為STANDARD、CAE、EXPLICIT。ABAQUS/CAE用戶界面模塊的圖形環(huán)境相互交互，被應(yīng)用于建模與分析中，可產(chǎn)生待分析的模型，分解模型結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，材料屬性與載荷等被設(shè)置后，接著監(jiān)視等，將分析結(jié)果可視化呈現(xiàn)。由于高速面統(tǒng)刀的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，可以先在Pro/E、UG等三維造型軟件中繪制三維實體模型，再導(dǎo)入ABAQUS/CAE，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，使得高速面銑刀的有限元等效模型盡可能地接近其真實結(jié)構(gòu)，提高有限元模態(tài)分析的準(zhǔn)確程度。ABAQUS求解器中ABAQUS/EXPLICIT模塊僅用作暫時事件的模擬中；ABAQUS求解器中的BAQUS/STANDARD是一個常用的分析模塊，可解決寬廣領(lǐng)域中線性問題與非線性問題。

2 面銑刀有限元模態(tài)的分析過程

2.1 銑刀的材料選用

高速切削刀具為高速切削技術(shù)提供了基礎(chǔ)保障。在有限元模型構(gòu)建構(gòu)成中，將結(jié)構(gòu)材料屬性值輸入其中，在面銑刀中，刀體具有較大的尺寸，其材料屬性值很大程上影響整體面銑刀的動態(tài)度特性與靜態(tài)特性。結(jié)合銑刀工作穩(wěn)定性與安全性等，高速切削的面銑刀刀體選用材質(zhì)要具有較大的強(qiáng)度；刀體表面確保一定的硬度與耐磨性，以防被切屑劃傷，鋼質(zhì)材料刀體一般使用45#鋼、合金工具鋼。表面處理技術(shù)與材料科學(xué)不斷進(jìn)步，復(fù)核材料性能出眾，可用作高低速面銑刀體材料，相比鈦合金更加出眾，完善刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)，加速復(fù)合材料切削，提高加工質(zhì)量，而鈦合金對切口裂紋具有敏感性，只在特殊情況下使用[1]。

2.2 模型檢查與接觸面定義

PRO/E構(gòu)建起來的幾何模型，植入Abaqus/CAE，為確保裝配體模型的幾何協(xié)調(diào)拓?fù)?，需開展各項模型檢測。先定義接觸對，才能解決在Abaqus/Standard處置面銑刀裝配體接觸中的問題，以“主/從”公式進(jìn)行細(xì)致計算，確保屬于表面的節(jié)點(diǎn)被阻擋在主控表面外，通常接觸方向為主面法向，順著主面法向，對接觸狀態(tài)進(jìn)行檢查，促使法向接觸力，借助法向，實現(xiàn)傳遞，借助接觸面的切向，摩擦力得以傳遞[2]。

2.3 模型網(wǎng)格的劃分

定義單元類型與材料屬性等，單元類型的設(shè)置對模型能否劃分產(chǎn)生影響，對單元形狀，自由網(wǎng)格沒有限制，也缺少專門的準(zhǔn)則；設(shè)置網(wǎng)格需要的參數(shù)，設(shè)置網(wǎng)格所需參數(shù)對網(wǎng)絡(luò)形狀及大小產(chǎn)生很大影響，網(wǎng)格細(xì)密會使用計算結(jié)構(gòu)更為精確，而網(wǎng)格太細(xì)將擠占過多分析時間，在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中，過細(xì)的網(wǎng)格會產(chǎn)生各種網(wǎng)絡(luò)連接困難，通過上述兩點(diǎn)，為確保高速洗刀良好的有限元分析精度及加速分析，將自由網(wǎng)格法應(yīng)用于面銑刀裝配體模型中，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)的劃分。

3 有限元模態(tài)分析的結(jié)果與討論

3.1 刀體材料影響振型

對40CrMo刀體材料六齒刀，僅有第一階段為繞面銑到Z軸變形，其余階段除了這種變形外，還包含了沿著刀具徑向的彎曲。通常銑刀幾何結(jié)構(gòu)都是一些對稱結(jié)構(gòu)，從理論上看，會出現(xiàn)變形，從每一階段出現(xiàn)的固有頻率看，二三階段的固有頻率非常接近，四五階段的固有頻率較為接近，從中可看出，幾何對象具有對稱特性。二階振型的彎曲繞著Y軸，在負(fù)Y軸方向上產(chǎn)生彎曲變形，三階段震型繞著X軸與Y軸正方向的象限平分線方向出現(xiàn)彎曲變形，二三階段振型彎曲變形盡管方向不同，而彎曲變形相似，四階段順著X、Y軸正方向的象限平分線產(chǎn)生彎曲變形，五階段順著X軸正方向與Y軸負(fù)方向象限平分線產(chǎn)生彎曲變形，四、五階段具有相似的振型，然而方向并不相同，六階段順著Y軸正方向與Z軸正方向的象限平分線出現(xiàn)彎曲變形。

3.2 刀齒密度影響固有頻率

面銑刀刀體直徑與高度等全部呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，其中，刀齒密度、刀齒分布等是最主要的可變因素，刀齒密度變化影響銑刀質(zhì)量、容屑槽形狀與體積。這需要重點(diǎn)研究刀齒密度對面銑刀固有頻率構(gòu)成的影響，每齒進(jìn)給量不變條件下，通過刀齒密度的增加，使每轉(zhuǎn)進(jìn)給量增加，以加速生產(chǎn)。刀齒密度增大時，切削齒數(shù)隨之增多，銑削力變大時，削弱了統(tǒng)削穩(wěn)定性；相對而言，容屑把縮小了空間，適合銑削短切屑材料工件，對要求較大寬加工面及較大統(tǒng)削余量的長切肩材料，并不適用。相反，齒面洗刀拓寬容屑槽空間，可適用于粗、精銑、長切屑的工件。

4 結(jié)束語

在分析高速面銑刀模態(tài)參數(shù)對切削性能影響方面，文中僅從上述幾個層面進(jìn)行闡述，以期從局部對整體研究進(jìn)行分析，因為篇幅限制，研究難免存有不足之處，后續(xù)研究還需深入與充分，促使相關(guān)研究趨于成熟。

參考文獻(xiàn)：

[1]李曉峰，李研，霍琰，張詠梅.加工復(fù)合材料銑刀的研制[J].裝備制造技術(shù)，2011（04）：162-164.

[2]劉魯寧.高速面銑刀模態(tài)參數(shù)及其對切削性能影響研究[D].山東大學(xué)，2013.