铣刀片的应力场分析

铣削加工 曲面残余应力有限元分析
曾红 ，韩笑 ，陈燕燕 ，王延 忠 ，吴林峰
（ １ ．辽 宁工业 大 学机械 工程及 自动 化 学院 ，辽 宁锦 州 １ ２ １ ０ ０ １ ； ２ ．北 京航 空航 天大 学机械 制造 及 自动化 学院 ，北京 １ ０ ０ １ ９ １ ）
摘要 ：基于 Ａ ｂ ａ ｑ ｕ ｓ 软件对椭圆球 面进行铣削加工仿真分析 ，通过热 一力耦合 的有 限元理论对 曲面 表面进行残余应力分 析 ，得到不同的加工参数下 ，表面残余应力 的分布规律及变化规律 ，并通过 正交试验 得出影响残余 应力的主要加工参数。
拉 应 力 。 在 刀／ 工 区，
切削层金属 沿着 刀刃钝 圆面流动 时受到 刀具 的
挤 压而 产 生 塑 性 流 动 ， 使 表 层 发 生 了 延 展 现
象 。而 里 层 金 属 发 生 弹
性 变形 ，对表层 的延 展 起 到 牵 制 作 用。之 后 ，
图 Ｉ 切 削 变 形 区
中加工参数对残余应力 的影 响 ，对于优化切 削过程 和 防止加 工零件过早疲劳破坏 ，是很有 必要 的。 目前的仿真分析多为采用有限元仿真方法对平面 进行 的二维切削仿真和简单 的平面三维仿真 ，通过对 切 削过程 的模拟 ，研究切 削用量 、刀具参数对 已加工 表 面残余应力 的影 响规律 。而 目前 尚无针对 曲面 的铣 削加工过程的低 应力加 工仿 真 ，因此有必要 开展 曲面 的低应力切削控制研究 。 １ 残余 应力 的产 生机 理 已加工表 面残余应力产生 的原 因 ，可 以概括为机 械应力和热应力引起 的塑性变形效应 。
ｖ ａ ｒ ｉ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ｒ ｅ ｓ ｉ ｄ ｕ ｌ ａ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｗ ｅ ｒ ｅ ｏ ｂ ｔ ａ ｉ ｎ ｅ ｄ ． Ｔ ｈ ｒ ｏ ｕ ｇ ｈ ｔ ｈ ｅ ｏ ｒ ｔ ｈ ｏ ｇ ｏ ｎ ａ ｌ ｔ ｅ ｓ ｔ ，ｔ ｈ ｅ ｍａ ｉ ｎ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ ｇ ｐ ａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ａ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｉ ｄ ｕ ｌ ａ

铣刀片的应力场分析作者：董丽华袁哲俊李振加严复钢1．引言铣削属断续切削，切削过程中刀片受力非常复杂，力的大小和方向随时变化，刀片的失效形式主要为冲击破损。

因此，采用有限元法对铣刀片应力场进行分析，以寻求减少刀片破损的刀具最佳几何角度，对于铣刀片槽型的开发具有指导意义。

2．面铣切削加工坐标系统的建立面铣切削加工坐标系统由刀体坐标系和刀片坐标系组成，如图1所示。

图1面铣切削加工坐标系统在刀体坐标系中，Y轴为铣刀轴线，X轴在基面内过刀尖与Y轴相交。

在刀片坐标系中，y1轴通过主切削刃，x1轴通过副切削刃，刀片前刀面在x1o1y1平面内。

铣刀半径为R=OO1，铣刀前角为γ0，刃倾角为λs，主偏角为K，法向前角为γn。

面铣刀无论具有何种几何角度，都可看作是由刀体坐标系经过一次平移和三次旋转而成，可用矩阵表示为其中A11=cosγn sinηr+sinγn sinλs cosηrA12=cosγn cosηr-sinγn sinλs sinηrA13=sinγn cosλsA21=-cosλs cosηrA22=cosλs sinηrA23=sinλsA31=-sinγn sinηr+cosγn sinλs cosηrA32=-sinγn cosηr-cosγn sinλs sinηrA33=cosγn cosλstgγn=tgγ0cosλs3．切入冲击力方向的确定铣削与车削的不同之处在于铣削为断续切削，存在着切入、切出过程，铣刀的破损主要是由机械冲击力引起的。

因此，首先要确定铣刀切入瞬间冲击力的作用方向。

铣削时，铣刀高速旋转，工件缓慢进给，若忽略进给运动(因进给运动速度仅为铣刀运动速度的约1/4)，铣刀切入冲击力的方向应该在刀具相对工件运动的切线方向上。

如图2所示。

图2 切入冲击力的方向由图1可知，切入冲击力方向为Z轴方向，力F分解到刀片坐标系中为式中A13、A23、A33取值见式(1)，代入具体参数得上式中，如果各分力值为正，则表示作用力沿坐标轴正方向；如果各分力值为负，则表示作用力沿坐标轴负方向。

铣刀盘激光熔覆修复过程的温度场与应力场有限元仿真舒林森;王家胜【摘要】为了判定铣刀盘激光熔覆修复过程是否会发生热致应力开裂的问题,对铣刀盘激光熔覆修复过程的三维温度场和应力场进行模拟.根据铣刀盘损伤特征建立铣刀盘的三维修复模型,利用结构化网格划分方法构建修复后的铣刀盘分析模型及边界,将单元生死技术和ANSYS APDL自编程序相结合,重现铣刀盘激光熔覆修复成形过程.研究表明,大温度梯度和几何约束限制使刀盘修复部位产生高的残余应力,最大值为384 MPa.实际应用表明,铣刀盘修复后未产生开裂缺陷,修复效果良好,验证了仿真的正确性.【期刊名称】《中国机械工程》【年(卷),期】2019(030)001【总页数】6页(P79-84)【关键词】铣刀盘;激光熔覆;修复;单元生死技术;ANSYS APDL自编程序【作者】舒林森;王家胜【作者单位】陕西理工大学机械工程学院,汉中,723001;陕西省工业自动化重点实验室,汉中,723001;陕西理工大学机械工程学院,汉中,723001【正文语种】中文【中图分类】TG4040 引言目前，数控铣床和铣削加工中心为了缩短换刀时间和保证切削质量，采用“刀片+盘刀”的组合结构替代整体式刀具，但金属高速切削过程产生的冲击、高温和高压等工况容易引起刀具破损失效。

刀具破损瞬间使刀具和刀盘上的载荷发生突变，通常会造成刀盘塑性变形而报废。

针对此情况，企业要么将损伤刀盘发往原产地维修，要么报废再重新购置新刀具产品。

近年来，高能量密度的激光熔覆技术在装备再制造工程中得到推广，激光熔覆对损伤刀盘的再造修复，不仅可实现高效、优质、低成本修复，而且还具有显著的绿色环保效果。

基于冶金熔合的激光修复工艺使损伤零件形状、尺寸以及性能得以复原，但也容易在修复部位产生较大的热应力，甚至导致修复部位开裂等问题,因此，铣刀盘激光熔覆修复过程的热-力耦合问题研究就具有重要的研究意义和工程价值。

铣刀盘激光熔覆修复成形机理非常复杂，若控制不当将影响修复后质量，甚至产生缺陷而不能使用。

铣削加工中的加工残余应力分析随着制造技术的发展，越来越多的工艺手段被应用到加工中。

在机械加工中，铣削是一种常见的加工方法。

尽管铣削加工具有高效、高精度和高重复性等优点，但是在铣削加工中会产生一定数量的应力。

这些应力会对零件的使用寿命和性能有很大影响。

因此，对铣削加工中的加工残余应力进行分析和研究，具有很大的实际意义。

铣削加工残余应力的来源铣削加工残余应力的来源有很多，主要有以下几个方面：1. 材料变形：在铣削过程中，由于材料的剪切变形、塑性变形和热变形等，会使材料内部形成一定的残余应力。

2. 外界作用：在铣削过程中，外界的切削力和压力会使工件内部产生应力。

3. 工艺参数：铣削加工中的工艺参数，如切削速度、进给量、切削深度等，会对铣削加工残余应力产生影响。

铣削加工残余应力的影响铣削加工残余应力对零件的使用寿命和性能有很大的影响。

具体表现在以下几个方面：1. 残余应力会使零件在使用中产生变形，从而降低其精度和稳定性。

2. 残余应力会影响零件的疲劳寿命，加速其疲劳破坏。

3. 残余应力会降低零件的耐蚀性能，从而影响其使用寿命。

4. 残余应力会影响零件的尺寸精度和形貌精度。

铣削加工残余应力的分析方法对铣削加工残余应力进行分析，主要有以下几种方法：1. 数值模拟法：利用有限元分析软件等工具，模拟加工过程，从而获取加工残余应力分布。

2. 试验方法：通过试验手段，测量零件内部残余应力。

3. 应力解析法：通过分析零件内部的应力分布规律，推测并确定应力的来源和分布。

铣削加工残余应力的控制方法为了控制铣削加工中的加工残余应力，可以采取以下措施：1. 合理选择刀具，降低切削温度和削屑，从而减少残余应力的产生。

2. 合理控制工艺参数，如切削速度、进给量、切削深度等，调整为较佳的加工参数，减少残余应力。

3. 采用合适的冷却润滑剂，如切削油、冷却剂等，降低切削温度，从而减少残余应力的产生。

4. 采用合适的工艺流程，如预加工、精加工等，以减少残余应力的产生。