1 前言

隨著加工機床和刀具材料的技術進步,高速切削技術得到了長足的發展。

目前,國際知名工具公司都擁有了鋁合金加工硬質合金高速立銑刀刀具產品。其中:Jabro Tools 公司、Fraisa公司產品較為成熟,系列全,品種多;另外Sandvik公司、OSG公司、三菱公司、Titex Plus公司、Guehing公司也都推出了鋁合金高速切削刀具。

我國的高速切削技術起步較晚,直到上個世紀八十年代末,國外高速加工技術大規模應用之時,我國才開始認識高速加工技術的巨大發展前景和應用潛力。1987年北京理工大學、同濟大學收集和整理了大量關于高速切削的技術資料并從事高速切削技術的研究,并陸續發表了一些研究文章,90年代以后,國家自然基金資助了一系列高速切削相關技術的研究工作,其中山東大學和北京理工大學在高速切削機理研究與刀具研制方面作了大量工作。但是目前國內還沒有成熟的產品系列,高速加工刀具大量依靠進口,研究高速加工設計機理,發展硬質合金高速刀具系列十分必要。

2 高速立銑刀的設計原則關系式

刀具失效有以下幾種形式,第一,在切削過程中,刀具在初始狀態就因為強度原因產生斷裂,刀具立即失效,這種刀具肯定是失敗的,這完全可用靜力分析來計算,這種分析可稱之為FA;第二,刀具在切削過程中由于刀具振動,使刀具壽命以及被加工件不能滿足實際要求,對刀具切削過程的振動分析稱之為FS;第三,刀具在切削過程中由于刀具前角和后刀面磨損太大或者由于刀具的微崩刃,使刀具不能滿足要求,這是由于刀具前刀面和后刀面承受切屑和已加工面壓力,產生摩擦,特別在高溫狀態下,刀具硬度降低,更容易磨損,這種分析稱之為FM。

一般的,在刀具設計中,刀具強度必須首先保證,其次為振動,最后才是FM。也就是說刀具設計存在以下關系式:

D={FA→FS→FM}

同時FA、FS、FM也不是孤立的,它們之間也相互聯系,隨著刀具的磨損,刀具角度發生變化,切削力也隨著提高,刀具發生振動和折斷的可能性增大,刀具振動增大,同時也在加速刀具的破損和折斷。

作為刀具的一個組成部分,高速立銑刀的設計原則同樣建立在此關系式的基礎上,按FA→FS→FM對刀具進行分析,獲得刀具參數,并進行論證。

3 有限元分析在高速立銑刀設計中的應用

從二十世紀七十年代開始,有限元法即被應用于切削加工的模擬,并取得了一些成績,經過幾十年的發展,無論是國外還是國內,都有相當的研究成果,有限元法逐漸應用于分析切削工藝,預測工件、刀具以及切屑中的溫度分布,分析整體立銑刀的彎曲變形,研究整體硬質合金立銑刀的應力分布及破壞形式等。

從這些研究成果來看,有限元分析開始用于切削的力學判定,包括切屑的形成以及內部應力應變情況,主要研究切削溫度場分布和系統的研究刀具振動和失效,總的趨勢是從機理研究過渡到應用

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