热力耦合条件下五轴加工中心刀具变形机理研究

论文摘要

球头铣刀目前广泛应用于五轴加工中心等数控机床,是汽车、航空零部件和模具制造中不可或缺的重要工具。因为它的刃形形状较复杂,球头部分切削条件复杂,刀具承受的轴向力较大,铣削力,铣削温度和铣削振动难以精确建模,因此球头立铣刀铣削过程仿真研究受到了工程界的极大关注。目前,加工过程中的刀具形变及振动分析成为了研究的重点。本文主要通过金属切削理论及传热学理论,建立数学模型以求对有限元分析提供基础。通过分别计算球头铣刀在切削过程中铣刀剪切面、刀—屑接触面和铣刀后刀面—工接触面的热流密度,为以后仿真球头铣刀的温度分布及热力耦合提供理论依据。从球头铣刀的模型入手并将其简化,应用理论公式得出在球头铣刀切削过程中的刀尖偏移量和切削厚度的变化。通过有限元软件ANSYS对球头铣刀进行温度分布、受力变形及热力耦合仿真,以得出在特定参数下的球头铣刀变形图,从而为以后实际加工做出重要参考。并提供了应用有限元方法来分析刀具系统振动的方法,为以后振动分析或其他有限元奠定基础。通过仿真得出振型及固有频率,以确定切削参数是否引起刀具共振,改善系统动态性能。通过应用VMC650五轴加工中心对球头铣刀切削典型工件和复杂工件进行实时测量。测量在加工过程中的切削温度,得到完整的刀杆、工件及刀尖点温度变化趋势,从而对有限元分析提供实际依据。通过对球头铣刀的热力耦合变形及模态分析分析,得出切削参数对球头铣刀变形及工件精度的影响,从而为实际生产加工提出依据,提高加工质量及刀具使用寿命,使经济利益最大化。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 高速切削技术的发展概况
• 1.2 球头铣刀的研究现状
• 1.2.1 国外球头铣刀的研究现状
• 1.2.2 国内球头铣刀的研究现状
• 1.3 热力耦合仿真技术的应用现状
• 1.4 本课题主要研究的内容
• 第2章 球头铣刀温度分布及受力变形建模
• 2.1 球头铣刀温度分布建模
• 2.1.1 切削温度的研究方法
• 2.1.2 高速铣削温度场模型的建立
• 2.2 刀具切削力及变形的理论计算
• 2.2.1 瞬时切削力中心
• 2.2.2 刀具变形
• 2.2.3 基于刀具变形切削厚度数学表示
• 2.3 本章小结
• 第3章 球头铣刀热力耦合变形仿真
• 3.1 有限元法概述
• 3.1.1 ANSYS软件介绍
• 3.1.2 ANSYS模块与分析过程
• 3.2 ANSYS热分析基础知识
• 3.3 切削温度场仿真
• 3.3.1 球头铣刀的建模
• 3.3.2 有限元模型的网格划分
• 3.3.3 有限元的加载与求解
• 3.3.4 温度分布与时间分布的关系
• 3.3.5 切削参数对切削温度的影响
• 3.4 球头铣刀受力变形仿真
• 3.4.1 球头铣刀受力变形前处理及求解
• 3.4.2 切削参数变化对球头铣刀应力场及变形的影响
• 3.4.3 切削力实验研究
• 3.5 热力耦合条件下球头铣刀变形仿真
• 3.5.1 耦合场分析的定义
• 3.5.2 刀具热力耦合变形仿真
• 3.5.3 刀具变形仿影响工件表面粗糙度实验研究
• 3.6 本章小结
• 第4章 球头铣刀模态分析及仿真
• 4.1 切削振动的研究意义
• 4.2 球头铣刀模态分析
• 4.3 球头铣刀模态仿真
• 4.4 本章小结
• 第5章 五轴加工中心切削温度实验研究
• 5.1 典型几何要素加工实验
• 5.1.1 切削温度的实验条件
• 5.1.2 实验结果及分析
• 5.2 复杂曲面加工实验
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢