曾林林*，周利平，廖世超

(西華大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，成都 610039)

刀具前角對(duì)螺紋銑刀銑削性能影響的仿真分析

曾林林*，周利平，廖世超

(西華大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，成都 610039)

為合理選擇刀具前角，提高刀具使用壽命和螺紋加工效率，對(duì)某可轉(zhuǎn)位螺紋銑刀銑削加工45號(hào)鋼進(jìn)行研究。借助金屬切削工藝有限元軟件AdvantEdge對(duì)銑削加工進(jìn)行模擬仿真，得到加工過(guò)程中切削力和溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系，對(duì)比分析了不同刀具前角對(duì)切削力和切削溫度的影響，進(jìn)而優(yōu)化選擇合理的銑刀前角，為實(shí)際螺紋銑削加工刀具前角的選擇提供參考。

切削力;切削溫度;螺紋銑刀;銑刀前角;AdvantEdge

螺紋加工在機(jī)械制造工藝過(guò)程中占據(jù)著重要的地位，而螺紋銑削作為近年來(lái)快速發(fā)展起來(lái)的一種新型螺紋加工方法，相對(duì)于傳統(tǒng)的螺紋加工方式，具有加工精度及效率極高、加工時(shí)不受螺紋結(jié)構(gòu)及旋向的限制等優(yōu)勢(shì)，在現(xiàn)代機(jī)械零件螺紋加工過(guò)程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛［1-2］。在螺紋銑削加工過(guò)程中，刀具前角將直接影響切削過(guò)程中的變形和摩擦，進(jìn)而影響切削力的大小和切削熱的產(chǎn)生;而合理選擇刀具前角能有效降低切削力和切削溫度，同時(shí)提高刀具壽命及被加工表面質(zhì)量［3］。李海濱、朱姍姍［4］、丁玎［5］等人通過(guò)論述螺紋銑刀的種類(lèi)，研究了螺紋銑刀的主要設(shè)計(jì)及加工等問(wèn)題，并對(duì)螺紋銑削的加工參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算;才衛(wèi)國(guó)［6］、藺小軍［7］等人對(duì)螺紋銑削加工技術(shù)進(jìn)行研究，分別闡述了利用G02、G03的螺旋插補(bǔ)功能進(jìn)行銑削螺紋的加工方法和螺紋銑削刀位軌跡以及走刀步長(zhǎng)的確定方法。由此可知，目前對(duì)螺紋銑削刀具本身的結(jié)構(gòu)研究相對(duì)較少;因此，本文以銑刀前角為研究對(duì)象，利用有限元分析軟件AdvantEdge對(duì)螺紋銑削加工過(guò)程進(jìn)行模擬仿真，得到不同刀具前角條件下，切削力和切削溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律，進(jìn)而得出較為合理的刀具前角。

1 螺紋銑削基礎(chǔ)

1.1 螺紋銑刀工作原理

圖1 螺紋銑削加工示意圖

螺紋銑削是通過(guò)主軸高速旋轉(zhuǎn)并做圓弧插補(bǔ)的方式進(jìn)行螺紋加工的［8］。螺紋銑刀加工工件時(shí)，刀具軸線(xiàn)(機(jī)床主軸)與被加工工件軸線(xiàn)相互平行;在數(shù)控機(jī)床上完成對(duì)刀后，螺紋銑刀隨主軸進(jìn)行自轉(zhuǎn)，同時(shí)繞工件軸線(xiàn)作公轉(zhuǎn)和軸向移動(dòng)，其中銑刀每公轉(zhuǎn)一圈沿工件軸線(xiàn)移動(dòng)一個(gè)螺距P;并通過(guò)銑刀的成形牙型切削工件形成螺紋。其加工軌跡示意圖如圖1所示。

1.2 螺紋銑刀的結(jié)構(gòu)

圖2 螺紋銑刀結(jié)構(gòu)

可轉(zhuǎn)位螺紋銑刀相對(duì)于整體式螺紋銑刀，具有刀片不需重磨(生產(chǎn)成本低)、不同牙型標(biāo)準(zhǔn)的刀片可在同一刀桿上的互換性加工(加工效率高)等優(yōu)勢(shì)，因而在實(shí)際加工生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用廣泛。本文以以色列瓦格斯(VARGUS)公司MiTM系列中ISO牙型標(biāo)準(zhǔn)的某一型號(hào)可轉(zhuǎn)位螺紋銑刀為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行了必要的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)與修改，得到如圖2所示的螺紋銑刀結(jié)構(gòu)。該螺紋銑刀是靠刀片本身的前角以及刀片裝夾在刀桿上橫向的一個(gè)偏心距離d來(lái)形成刀具的前角與后角;因此在刀具的設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以適當(dāng)?shù)馗淖兊镀敖且约罢{(diào)整偏心距離來(lái)改變最后刀具的前、后角。

1.3 刀具材料及其幾何角度確定

在實(shí)際加工過(guò)程中，可用作螺紋銑刀刀片材料的有高速鋼、硬質(zhì)合金、金剛石等，但考慮到加工成本和效率以及相關(guān)涂層技術(shù)，通常采用硬質(zhì)合金作為刀片材料，并進(jìn)行TiN和TiAlN涂層等;刀桿材料常采用高強(qiáng)度合金鋼(如42CrMo等)。本文選擇YT類(lèi)硬質(zhì)合金作為刀片材料，其力學(xué)性能［9］如表1所示。螺紋銑刀刀具幾何角度中前角(γo)、后角(αo)等2個(gè)角度對(duì)切削加工影響最大，本文參考《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》［10］，并結(jié)合成型銑刀刀具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)置銑刀前角 γo=0°、3°、6°、9°、11°，后角αo=12°。

表1 YT類(lèi)刀具材料性能

1.4 工件材料及切削用量的選擇

45號(hào)鋼具有較高的強(qiáng)度和良好的切削加工性，同時(shí)經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚砗蟊憧色@得不同的塑性、韌性以及耐磨性等，因而被廣泛應(yīng)用于軸類(lèi)零件和模具行業(yè)中，本次螺紋銑削加工研究的工件材料選擇45號(hào)鋼調(diào)質(zhì)處理，其力學(xué)性能如表2所示［11］。通過(guò)查閱《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》［10］，并結(jié)合ISO標(biāo)準(zhǔn)螺紋牙型的特點(diǎn)，設(shè)置銑削速度v=1 m/s、每齒進(jìn)給量fz=0.15 mm/z、背吃刀量ap=1 mm以及銑削寬度(徑向切寬)ac=0.7 mm。

表2 45號(hào)鋼材料力學(xué)性能

2 銑削過(guò)程有限元仿真

2.1 仿真與工件模型建立

AdvantEdge FEM是由美國(guó)Third Wave Systems公司開(kāi)發(fā)研制的一款專(zhuān)門(mén)用于優(yōu)化金屬切削加工工藝參數(shù)的CAE軟件;本文考慮到加工仿真的效率以及軟件條件的限制，采用二維銑削方式進(jìn)行加工仿真，并建立2D銑削仿真如圖3所示;采用標(biāo)準(zhǔn)建模方式建立工件模型，如圖4所示，并選擇工件材料為45號(hào)鋼(美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)鋼號(hào)為1045)。銑削過(guò)程中軸向進(jìn)給方向?yàn)閆向，X和Y方向分別為切削速度方向和徑向進(jìn)給方向。

圖3 2D銑削仿真 圖4 工件模型建立 圖5 刀具模型建立 圖6 刀具網(wǎng)格劃分

2.2 刀具模型建立與網(wǎng)格劃分

采用標(biāo)準(zhǔn)建模方式與自定義功能建立銑刀模型如圖5所示，其中刀具前角與后角按照之前確定的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。網(wǎng)格的劃分直接影響到仿真結(jié)果的精確程度，為了得到最優(yōu)網(wǎng)格，本次研究采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分和網(wǎng)格重劃分技術(shù)，進(jìn)行刀具網(wǎng)格劃分參數(shù)設(shè)置如圖6所示:最大單元尺寸0.1 mm，最小單元尺寸0.02 mm，網(wǎng)格劃分等級(jí)0.4;其中刀具和工件接觸區(qū)域的網(wǎng)格劃分得更密一些，切削刃的網(wǎng)格最小值為0.026 42 mm。

2.3 參數(shù)設(shè)置及仿真分析

選擇仿真模型為Standard模式，并設(shè)置初始環(huán)境溫度為20℃;其余切削參數(shù)的設(shè)置按照1.4節(jié)中確定數(shù)據(jù)進(jìn)行。參數(shù)設(shè)置完成并檢查無(wú)誤后在模擬器中分組進(jìn)行仿真分析，計(jì)算完成后，進(jìn)行相應(yīng)的后處理，即可觀(guān)察到切削力、切削溫度等變化。

3 仿真結(jié)果及分析

運(yùn)用Advantedeg FEM軟件進(jìn)行仿真分析，得到不同刀具前角(γo)條件下，螺紋銑刀銑削過(guò)程中切削力和切削溫度的變化情況［12］。

3.1 刀具前角對(duì)切削力的影響分析

刀具前角分別取γo=0°、3°、6°、9°、11°，后角αo=12°時(shí)。得到X(主切削力)、Y(切深抗力)方向切削力的變化情況如圖7～11所示。

圖7 γo=0°時(shí)切削力

圖8 γo=3°時(shí)切削力

圖9 γo=6°時(shí)切削力

圖10 γo=9°時(shí)切削力

圖11 γo=11°時(shí)切削力

從圖7～11中可以看出，刀具切入工件過(guò)程中X(主切削力)方向力從零迅速增大到180 N左右，隨后便逐漸降低;而Y(切深抗力)方向力均一直保持在50～100 N范圍內(nèi)波動(dòng)。圖12和圖13分別為刀具前角取不同值時(shí)X和Y方向切削力變化的對(duì)比曲線(xiàn)圖，從中可知X和Y方向的瞬時(shí)切削力均隨前角的增大而減小，出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是:被切材料金屬層的變形量在前角增大時(shí)有所減少、變形系數(shù)減小，前刀面的摩擦力隨之逐漸降低，因而產(chǎn)生的切削力緩慢減小。

圖12 前角對(duì)X方向切削力變化的對(duì)比圖

圖13 前角對(duì)Y方向切削力變化的對(duì)比圖

為了降低切削力并提高刀具壽命，應(yīng)該選擇較大的刀具前角;但考慮到前角增大時(shí)，成型螺紋銑刀所切出螺紋的牙形角誤差變大，刀具強(qiáng)度也隨之降低，因此實(shí)際加工中刀具前角取值較小。同時(shí)從對(duì)比關(guān)系圖中可以看出刀具前角取3°時(shí)，切削力的波動(dòng)范圍較小、切削加工過(guò)程也相對(duì)比較平穩(wěn)，因此本文推薦螺紋銑刀刀具前角取為3°。

3.2 刀具前角對(duì)切削溫度的影響分析

圖14 γo=0°時(shí)切削溫度

圖15 γo=3°時(shí)切削溫度

圖16 γo=6°時(shí)切削溫度

圖17 γo=9°時(shí)切削溫度

圖18 γo=11°時(shí)切削溫度

刀具前角分別取γo=0°、3°、6°、9°、11°，后角αo=12°時(shí)，得到切削溫度的變化情況如圖14～18所示。

由圖14～18可知，切削加工過(guò)程中形成的切削熱大部分通過(guò)產(chǎn)生的切屑帶走，其余部分傳遞到刀具及工件中，刀尖處的溫度最高;隨著刀具前角的增大，傳入刀具的熱量在緩慢減少。通過(guò)對(duì)比分析銑削溫度云圖可知，切削過(guò)程中切削溫度均從20℃迅速增大到650℃左右，之后便在600～700℃之間波動(dòng);隨著刀具前角的增大，切削溫度的瞬時(shí)最大值緩慢下降，這是由于前刀面與切屑的摩擦作用以及切屑本身的變形均在前角增大的過(guò)程中減小，從而單位切削力下降、產(chǎn)生的切削熱減少;但其降低過(guò)程并不明顯，因此考慮到實(shí)際加工中刀尖散熱條件及其強(qiáng)度等因素，推薦刀具前角取3°。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)螺紋銑刀銑削加工45號(hào)鋼為研究對(duì)象，運(yùn)用有限元分析軟件AdvantEdge對(duì)其加工過(guò)程進(jìn)行模擬仿真;通過(guò)對(duì)比分析不同刀具前角的選擇，對(duì)螺紋銑削切削力和切削溫度等性能參數(shù)的影響，得出螺紋銑刀加工45號(hào)鋼的刀具前角推薦值(γo=3°);為實(shí)際螺紋銑削加工刀具前角的選擇及螺紋銑刀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供參考。

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Simulation Analysis of the Influence of Rake Angle on Thread Milling Performance

ZENG Linlin* ，ZHOU Liping，LIAO Shichao
(School of Mechanical Engineering and Automation，Xihua University，Chengdu 610039，China)

Cutting force and cutting heat are two important factors influencing tool life and machined surface quality in thread milling process，and the rake angle of the tool has a great impact on metal cutting process of chip formation，cutting force and cutting temperature.Therefore，the choice of a reasonable rake angle is essential for improving tool life and thread machining efficiency.First，a metal cutting finite element software AdvantEdge is used to simulate the thread milling on steel 45#，to obtain the relationship of cutting force and cutting temperature with time.Then，comparative analysis of effect of different rake angles on cutting force and cutting temperature is conducted，and the optimal rake angle for the milling cutter is selected.The analysis results provide a reference for the choice of rake angle of a thread milling cutter.

cutting force;cutting temperature;thread milling cutter;milling cutter rake angle;AdvantEdge

TG62;TH164

A

2095-5383(2014)02-0033-04

10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2014.02.011

2014-03-24

省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目“葉輪類(lèi)零件加工過(guò)程的數(shù)值仿真技術(shù)研究”(SBZDPY-11-22);四川省教育廳重點(diǎn)科研項(xiàng)目“基于數(shù)值分析的數(shù)控刀具切削力預(yù)報(bào)研究”(2004A111)

曾林林(1989-)，男(漢族)，四川內(nèi)江人，在讀碩士研究生，研究方向:金屬切削原理及刀具應(yīng)用，通信作者郵箱:zeng_lin_lin@163.com。

周利平(1964-)，男(漢族)，四川達(dá)州人，教授，碩士，研究方向:制造過(guò)程的數(shù)值仿真技術(shù)、數(shù)控加工技術(shù)等。