1、龍巖學院畢業論文（設計）題目：立銃刀三維建模及有限元分析專業：機械設計制造及其自動化作者：歐陽巧云指導教師（職稱）：翁劍成講師0一五年六月一日本文以立銃刀的三維建模為基礎，建立了一個適用于立銃刀銃削的立體模型，通過切削力指數經驗公式研究影響主切削力因素，以此作為有限元研究基礎。應用有限元的分析軟件，研究在不同條件銃削作用下（背吃刀量、每齒進給量、主軸轉速、懸伸長度等）立銃刀的應力應變情況。建立立銃刀真實三維模型，進行有限元分析得出結論表明，其他銃削條件保持不變時，背吃刀量越大，立銃刀的應力、應變、位移都同時增大，而且三者增長幅度和增長趨勢幾乎相同但幅度不同，增長倍數為四倍，；當每齒進給量增加時

2、，立銃刀應力、應變、位移都同時增大，但是二者的增長幅度也是幾乎相同但幅度不同，增長倍數為2.3倍；切削速度越大，立銃刀應力、應變、位移會越小，三者的增長趨勢相同但是幅度不同，減小速度為0.78。由此可得出結論，背吃刀量的變化對主切削力影響最大。關鍵詞：立銃刀主切削力背吃刀量進給量切削速度AbstractInthisarticle,itbasedonthe3Dmodelingofendmillingcutterthatestablishedathree-dimensionalmodelissuitableforverticalmillingcuttermilling.Bycuttingforce

3、indexempiricalformularesearchthefactorsaffectingthemaincuttingforce,whileitasafiniteelementresearchfoundation.ByingFiniteelementanalysissoftwarethatweresearchedstressstrainoftheverticalmillingcutterunderdifferentconditionsofmilling,turningback,eachtoothfeeding,spindlespeed,overhanginglength,etc.Wind

4、millreal3Dmodelisestablished,thefiniteelementanalysisconclusionsshowthatothermillingconditionsremainunchanged,turningback.Thereisgreatertverticalstress,strainanddisplacementofthemillingcutterisincreasedatthesametime.Andthethreegrowthandgrowthtrendisalmostthesamebutdifferent.Thegrowthinmultiplesoffou

5、rtimes.Theverticalmillingcutterstressisgrowth,strainanddisplacementisincreasingatthesametimewheneachtoothfeedincreases.But,theincreaseisalmostthesamebutdifferent,multipleof2.3times.withtheCuttingspeedisincrease,thestressstrainanddisplacementwillbesmaller,meanwhile,thetrendofthesamebutdifferentamplit

6、ude.Thespeedofdecreaseis0.78.Thuscometotheconclusionthatthequantityofturningthebiggestinfluenceonthemaincuttingforce.Keywords:VerticalmillingcutterThemaincuttingforceTurningbackCuttingspeed目錄1緒論32立銃刀的三維建模42.1 立銃刀幾何參數42.2 立銃刀建模43立銃刀的有限元分析53.1 立銃刀模型材料屬性的確定53.2 立銃刀模型的網格劃分53.3 銃刀條件約束63.4 銃刀有限元分析步驟73.4.1

7、 背吃刀量對立銃刀應力應變位移的影響83.4.2 每齒進給量對立銃刀應力應變位移的影響93.4.3 切削速度對立銃刀應力應變位移場的影響10結論12致謝語12參考文獻12緒論立銃刀主要用于數控機床中立式銃床上加工階臺面、凹槽、溝槽，也能利用加工銃削精確一些成形表面。立銃刀主要是圓周運動進行銃削切削，銃刀端面與工件接觸應力較少，一般情況下我們都是讓銃刀做橫向銃削運動進行工作。立銃刀在銃削時直接工作沒有空程，銃削時速度相對較高，所以立銃刀一種效率高切削速度快的機床道具。在切削如不銹鋼、鍛鋼等難度系數較高的加工材料時，為了合理利用有限元方法有效分析立銃刀的刃部靜態應力應變和變形，則要通過建立較為精準

8、的三維模型。立銃刀的規格種類繁多，切削刀刃結構復雜，切削也是多方位，故在論文中只確定一種立銃刀規格尺寸在中建立三維模型，再而生成立銃刀工程圖，通過替換柄部或其他零部件的方式自動生成目標模型圖紙。這樣可以節省設計制圖繁瑣步驟，更高效率的分析立銃刀的參數變化，提高產品質量，降低成本，得出更有效的研究分析結果。機械從微觀上講，是人類在長期生產與實踐中創造出來的方便快捷容易快速的被人們在生活中利用并使用的技術裝置；從宏觀上講，一個國家與社會的發展和國防力量重要標志與先進的里程碑。而據統計，在機械制造業中的切削工藝在如今高速發展的社會中占有越來越重要的地位，特別是在面對如今人們追求的更復雜精確的機器時，

9、需要更為高效率的切削方式來進行零部件小型簡易成品加工。在早期18世紀中葉時蒸汽機的使用，就產生了第一次工業革命。而在進入20世紀初期時，機械制造業就在世界開啟了運動狂潮，隨著萊特兄弟第一架飛機和費希爾發明的洗衣機等的制造成功，就預示著機械在我們日常生活中占有不可被取代的地位，并標志著社會的進步與人民文明生活程度提高。伴隨著機械業的快速蓬勃發展，我們在現實生活追求更高效率，更低能源，更安全的機械品質，各個國家都凝聚大量的財力物力來發展機械行業，希望自己國家成為世界機械行業的領頭軍。如今，機械的發展程度為國家的工業技術水平高低的一個重要衡量標準，也是國家的工業技術發展的一個重要表現，因此，對于我們

10、現代學習機械或從事機械行業，學習和掌握研究機械中的優化是極為必需和有意義的。機械制造系統其中就包括，生產系統、制造系統、工藝系統等這三個系統，而工藝系統中，刀具夾具車床就可以組成一個相對的單一獨立系統。當在進行機械加工時，切削加工是一種的得到加工精度高，加工效率高，產品生產周期縮小。尺寸要素精確，形狀標準的機械零件常使用的加工方法。在數控銃床中，立銃刀作為主要的一種切削工具，一般采用硬度高、強度高、剛度高的材料，可以保證切削的精確性和道具軌跡的穩定。立銃刀是車輛工程、航空航空、模具制造等這些制造行業中必不可少的一種切削刀具。隨著現代社會發展與科技文化進步，對生成成品的精度和加工的高效性的要求不

11、斷提高，發明家設計了不同類別的立銃刀對原材料進行加工，在本文中我將要研究的是銃刀中的平頭銃刀。平頭銃刀它的刃部受力大，且主刃是進行切削圓周運動軸向方向受力隨之較大。因銃削運動是機械制造中常見研究類型，但是僅根據其應力應變建模難度較大，故銃削運動的研究是為尋求更高效更為精準的材料加工的一個研究方向。工件材料、切削速度、切削厚度在實際加工過程中會切削力造成影響，從而引發切削變形加大。工件材料強度系數高，切削過程的摩擦系數較小。而材料塑性相對較大，在切削過程中應力越大變形越大。切削速度越高，在沒有積屑瘤情況下，切削力越小，變形系數降低，反之升高。切削厚度增加，切削角度增大，摩擦系數會減小，切削力減小

12、，變形變小。切削力在銃削運動中對多方面條件性能都有重大影響。如，切削力大，則主切削刃受力大，導致道具磨損越大，從而引起道具壽命的大大剪短。最終在銃削加工過程中加大了加工成本，降低了生產時的安全性。故研究立銃刀切削力因素影響成為工業生產中一個必要過程，將立銃刀的三維建模作為研究基礎從而展開設計分析，這將對人類工業進步具有重大意義與探索價值。二立銃刀的三維建模2.1 立銃刀幾何參數通過查找機械設計手冊,確定立銃刀幾何參數如下表2.1:表2.1立銃刀基本幾何參數刃徑(D)柄部規格刃長(L)總長刃數(Z)倒角(C)刀柄倒角刀柄槽長刀柄槽寬20MW3612041.5O452013.222.2 立銃刀建模

13、主要三維建模方法有三種，分別是線框建模、曲面建模、實體建模。而現國際上三維實體建模方法很多，常見的模式有：邊界表示法(BR,Bred)、構造立體幾何法(CSG、混合模式(HybridModel)、空間單元表示法、半空間法。此文中我們需要建立的立銃刀模型則是需要實體建模。立銃刀的結構主要由柄部、頸部、刃部三部分組成，刃部是切削工件的主要接觸部分，也是立銃刀的主要工作部分。在建立三維模型主要步驟如下：(1)在拉伸的圓柱體上畫出刀刃輪廓曲線，選中輪廓拉伸切除(2)畫刀刃連接部分的頸部，在輪廓線上進行掃描切除(3)對刀刃輪廓執行扭曲命令(4)在刀刃端部畫出輪廓線再掃描切除，最后進行圓柱拉伸，柄部生成(

14、5)在柄部兩面進行切除-拉伸，整個刀具模型建立完成圖2.1立銃刀三維實體模型三立銃刀的有限元分析3.1立銃刀模型材料屬性的確定由于立銃刀在切削中會由于道具與工件的相對運動產生的摩擦力、沖擊力、振動等,所以立銃刀材料一般選取硬度較高、耐熱性能好、強度和硬度較高、工藝性能好不易的材料，與此同時我們還應該考慮生產實際的實用性與經濟性。在本文立銃刀有限元分析中的材料選取硬質合金鴇鉆（YG6,材料性能指標如下表3.1所示：表3.1材料屬性彈性模量210Mpa泊松比0.28質量密度7.6g/cmA3屈服力235Mpa3.2立銃刀模型的網格劃分有限元網格劃分是進行有限元分析中非常重要的一個環節。由于有限元分

15、析的本質是將連續離散復雜的數學問題轉變為相對簡單的有限單元分析方法。而網格的合理劃分也是進行進行精準有限元分析的前提。網格劃分的越精細，分析數據將會越準確，但同時數據冗余處理速度變慢。故網格的劃分直接影響了有限元分析的結果，我們為綜合合理的利用資源應采用經濟合適的網格劃分。Solid-worksSimulation提供了四種不同網格的類別劃分，分為一階四面體單元、一階三角形殼單元、二階四面體單元、二階三角形殼單元通過Solid-works軟件，從建立立銃刀三維幾何模型，材料屬性、單元類型確定之后，即可以對立銃刀劃分有限元網格。生成的有線網格，可以產生節點編號坐標和單元拓撲關系。網格的疏密程度根

16、據分析需要控制調整。網格實際劃分分為三步：評估幾何模型、處理邊界、創建網格。實際應用中，我們在Solid-works中只要在網格密度（粗糙-良好）中拉取選擇就可以選擇合適的網格密度。生成的網格最后得到的數據為，有545卯元，8133節點數。圖3.1立銃刀的網格圖3.3 銃刀條件約束在進行有限元分析時，必定需要對立銃刀刀刃進行載荷施加。在這之前必須先對立銃刀進行約束。模擬刀具切削工件時的，必須先要固定刀具的刀柄處，即在刀柄圓周出施加力約束。在Solid-works中即可通過夾具-固定對立銃刀刀柄施加約束力，以保證在對刃部施加力時保證刀具固定不會發生相對滑動。在立銃刀的網格圖上給刀柄施加力，得到立

17、銃刀的有限元模型，如圖3.2所示。圖3.2立銃刀載荷約束圖在軟件Solid-works中進行有限元分析時，對立銃刀刀刃施加載荷是必不可少的。網格劃分與有限元分析模型的約束條件確定之后，就可在有限元三維實體模型上施加載荷了。假定立銃刀用來銃削外輪廓，則它的主切削刃參與切削。這時，切削力將會根據切削情況分布在主切削刃上。在本文中，僅研究主切削面上的法向作用力，不作空間三力分析。圖3.3為加載法向銃削力示意圖。圖3.3施加載荷立銃刀承載的應力應變與位移，對立銃刀在在進行銃削加工工作過程中的穩定性、切削熱、切削溫度，立銃刀的磨損與使用壽命有著很大影響。影響立銃刀應力應變的因素很多，包括了材料、刀具螺旋

18、角、切削液等很多不同方面。其中，對立銃刀承載的應力應變與位移，主要影響因素是背吃刀量Ap、每齒進給量fz、切削速度Vc,則對研究銃削條件對應力應變位移影響有重大意義。3.4 銃刀載荷施加3.4.1 背吃刀量對立銃刀應力應變位移的影響根據立銃刀總長度L=120,刀具圓周M二20,刀刃數為4刃，立銃刀材料選取硬質合金鴇鉆（YG6,水平銃肖U合金鋼ob二為235MPa主軸轉速n=6000r/min,每齒進給量fz=0.1mnZz時，利用切削力經驗公式FcCFC.aFXFCYFCZFC.fVC.KFC式中Fc-主切削力（N）;Cfc-主切削力系數，其大小主要取決于銃削材料和切削條件的系數Xfc、yfo

19、zfc-分別為背吃刀量Ap、每齒進給量fz、切削速度Vc指數，KFc-實際加工外在條件，與經驗公式試驗的條件因素不相符合時，對主切削力的修正系數，如表3.2所示表3.2主切削力修正系數F/(mm/r)0.100.150.20.250.300.350.400.450.550.6&c1.181.111.061.0310.970.960.940.9250.9在以背吃刀量為變量時，為了方便計算確定仁0.30,故限=1,vc=50m/mi膜它系數通過查找機械設計手冊確定得：Cfc=270Xfc=1yfc=0.75zfc=-0.15確定以上變量后，則可以確定通過改變背吃刀量Ap來改變主切削刃上的切

20、削力，背吃刀量依次取1mm2mm3mm4mm計算出主切削力如下表3.3所示：表3.3背吃刀量不同情況下主切削力結果圖主切削力背吃刀量Ap1mm2mm3mm4mmFc60.9121.8182.7243.6利用之前載荷添加方式在立銃刀三維模型進行載荷施加和條件約束，進行運行求解。彈性模量每齒進給量fz=O.1mim/z,vc=50m/min,主軸轉速n=6000r/min時，背吃不同有限元計算結果立銃刀的最大應力應變位移分布如表3.4:表3.4背吃刀量不同情況下應力應變位移分布結果1mm2mm3mm4mmVON:vonMises應力(N/mA2)320.855Mpa640.917Mpa961.63

21、9Mpa1283.42MpaURES:合位移（mm）0.01760140.035171mm0.052771mm0.0704058ESTRN:對等應變0.0007606910.001519820.002280350.00304276由以上數據可得出結論，立銃刀的最大應力，應變，位移隨著背吃刀量的增大而增大，其增長速度都呈現相對穩定的近似等差數列遞增，同時都是以Imnfi個基數的數值成差數列遞增，三者的增長趨勢大抵相同。當立銃刀的背吃刀量由1mm曾大到4mnW,最大應力從3320.855Mpa2增大到1283.42Mpa,最大應變從0.000760691增加到0.00304276,最大合位移從0.

22、0176014增加到0.0704058,三者都增加了4倍。很明顯可以得出，立銃刀的應力應變位移隨著背吃刀量的增加而增加。由于主要重要數據結果都已有圖表表示，故有限元分析解析圖不再一一展現，只將圖3.4Ap=1mmfz=0.3mm/z,n=6000r/min時立銃刀變形量分布1.76。工ifrll.-HfiTi-OM1.I.D2Ta.-0D2_1理WQiUq.dqm-UHA=1mmfz=0.3mm/z,n=60007min時立銃刀變形量分布圖截取，具體可看圖3.4:pIi.IBTlQF?1.3.4.2 每齒進給量對立銃刀應力應變位移的影響在有限元元應力應變位移中改變每齒進給量，根據表1-1分別取

23、0.1mm/z、0.2mm/z、0.3mm/z、0.4mm/z,立銃刀約束條件保持不變，公式中的參數因前面已查表確定故不再改變。立銃刀仍采用直徑為20mr1»硬質合金鴇鉆立銃刀，刃數4刃，切削力為。b=235MPa的合金鋼，主軸轉速n=6000r/min,背吃刀量A=1mm當進給量分別取作0.1mm/z、p0.2mm/z、0.3mm/z、0.4mm/z時，計算得出主切削力如下表3.5所示表3.5進給量不同情況下主切削力計算結果主切削力進給量f0.1mm/z0.2mm/z0.3mm/z0.4mm/zFc31.547.660.972.5利用之前載荷添加方式在立銃刀三維模型進行載荷施加和條

24、件約束，進行運行求解。有限元分析求解結果如下表2-5所示：圖2-5為背吃刀量Ap=1mm每齒進給量分別為0.1mm/z、0.2mm/z、0.3mm/z、0.4mm/z,主軸轉速n=6000r/min時，：立銃刀的最大應變應力位移分布。進給量不同有限元計算結果如表3.6表3.6進給量不同情況下應力應變位移分布結果0.1mm/z0.2mm/z0.3mm/z0.4mm/zVON:vonMises應力(N/mA2)165.891Mpa251.157Mpa320.855Mpa382.915MpaURES:合位移（mm）0.009103420.0137604mm0.01760140.0209616ESTR

25、N:對等應變0.0003933790.0005944960.0007606910.000905625從有限元求解結果可以分析出：隨著迸給量fz的增大，立銃刀的應力應變和合位移都相應增大，但是增長的幅度會隨進給量增大而減少。且增長量不成等差、也不成等比、也不是指數的增加，是不規律增加。當立銃刀進給量從0.1mm/z至I0.4mm/z時，立銃刀的應力從165.891Mpa增力口至U382.915Mpa,應變從0.000393379增力口至U0.000905625,合位移從0.00910342增加到0.0209616,通過該數據可以得出立銃刀的應力應變位移在原值上增加了2.3倍。由此可知，進給量的成

26、等差數列的增加，對立銃刀應力應變位移影響要比改變背吃刀量的影響要小得多。17直peri1勾心蜜5品SEilaHwt先由力:圖3.5AD=1mm,fz=0.1mm/z,n=6000r/min時球頭立銃刀應力應變分布pM鼻方榭噂占由出曷黑S-ES胃必甘亶力度水1ML9Tfi.IIm3占班K-i.k.L3%Z+2.1.4-4.ILdi*J?,1J£.I.urn,Ma.r±i.«_feT&iSH.0LHZ.¥l?.2IR.DL6$.12iuO72.OJ9心土.餐口.4l472.tUDsr.Mv.4-q.PLl.«Z4.2LtG6.93.3.3切

27、削速度對立銃刀應力應變位移場的影響隨著機床主軸轉速的不斷提升，從而將會獲得更高的切削速度。較高切削速度可以加工效率、縮短工件加工周期、降低成本，但速度越高產生的切削熱就會越大，切削溫度理所的升高。故研究合適的切削速度對立銃刀應力應變位移狀態的影響也具有非常重要的現實生產意義。在有限元應力應變的計算求解中改變刀具切削速度，Vc它的值分別取：50m/min、100m/min、150m/min、200m/min時.其它加工條件仍保持不變，根據立銃刀總長度L=120cm刀具圓周D為二20,刀刃數為4刃，立銃刀材料選取硬質合金鴇鉆（YG6,水平銃削合金鋼仃b二為235MPa主軸轉速n=6000r/min

28、,每齒進給量fz=0.3mnZz,背吃刀量Ad二1mm當刀具切削速度分別取作50m/min、100m/min、150m/min、200m/min時,p計算得出立銃刀主切削力如下表3.7所示。表3.7切削力不同情況下切削力結果圖主切削力切削速度進給速度50m/min150m/min200m/min250m/minFc45.038.236.635.4利用之前載荷添加方式在立銃刀三維模型進行載荷施加和條件約束，進行運行求解。有限元分析求解結果如下表2-5所示：圖2-5為背吃刀量Ap=1mm切削速度分別為50m/min、100m/min、150m/min、200m/min,主軸轉速n=6000n/mi

29、n時，：立銃刀的大應變應力位移分布。切削速度不同有限元計算結果如下表3.8所示：表3.8切削速度不同情況下應力應變位移分布結果50m/min100m/min150m/min200m/minVON:vonMises應力(N/mA2)236.987Mpa201.259Mpa192.749Mpa186.429MpaURES:合位移（mm）0.01300490.01104060.01057730.0102305ESTRN:對等應變0.000561970.0004771490.0004570690.000442083由表3.8的數據結果可以得出，隨著切削Vc的增大，由此數據可以得出主切削力隨著切削速度的

30、增大而減小。從有限元求解結果可以分析出：立銃刀的應力應變和合位移都隨切削力增大相應減小。減小的幅度都不是很大，且減小量不成等差、也不成等比、也不是指數的減小，是不規律減小。當立銃刀切削速度從50m/min到200m/min時，立銃刀的應力從236.987Mpa減小至U186.429Mpa,應變從0.00056197減小至U0.000442083,合位移從0.0130049減小至I0.0102305，通過該數據可以得出立銃刀的應力應變位移在原值上減少了1.2倍。由此可知，切削vc的成等差數列的增加，對立銃刀應力應變位移影響要比改變背吃刀量與進給量的影響要小得多。郵京田口工立餐口WflL¥4«MLi*aETJ.加21G,為517H.29?,打T,G11"F.4l4.4-IT?,Title?Q_1%；ML1MQ.l$l.M3L2&0_.JBI,43JbJSGia現lM4$1*.1LT電ITS,344.sMe.Gae#叫“Lm.«1%ni,酊凱>F'lrtpiotflO4圖3.6A=1mmfZ=0.3mm/z,Vc=50m/min時的球頭立銃刀變形量分布結論本文