基于ANSYS的高速五轴数控加工中心球头铣刀切削温度仿真研究.pdf

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1、精密制造与自动化2012年第1期基于ANSYS的高速五轴数控加工中心球头铣刀切削温度仿真研究术刘明贺张国军修世超(东北大学机械工程与自动化学院沈阳110044)摘要以VMC656高速五轴数控加工中心为研究对象，研究了采用球头铣刀进行切削时，切削热所产生的温度对工件加工精度的影响。基于传热学和金属切削理论，建立了数控加工中心高速切削铝材时球头铣刀温度场数学模型，利用有限元软件ANSYS，仿真分析了球头铣刀在典型工况不同切削参数条件下温度场分布及变化规律，以及切削速度、切削厚度、进给量等参数对切削温度的影响。研究结果表明，在金属切削过程中，切削温度对刀具

2、寿命和工件加工精度都有很大影响，因此必须采取措施，降低切削温度，有助于提高刀具寿命和加工质量。关键词高速五轴数控加工中心球头铣刀热流密度切削温度有限元球头铣刀是五轴联动加工中心铣削加工各种曲接触区产生的热量一部分传给切屑，比例设为尺2，另面的主要刀具，球头铣刀是在立铣刀的基础上发展一部分传给刀具，比例为(1—。)，于是从热源传入起来的，主要用于加工模具型腔表面及其它成形表切屑的热流密度为R2g传入刀具的热流密度为面。由于球头铣刀的有效刀刃角度范围较大(可达(1-R2)qts。18O。)，因此可以加工有精准变化曲率的切削面和曲根据金属切削理论[2J，可

3、得到传入刀具的热流面。球头铣刀被广泛应用于制造业，特别是模具、密度g为：航空航天、汽车工业等领域的自由曲面加工，是复杂曲面半精加工和精加工的重要加工刀具之一。=与普通切削相比，在高速切削加工时，切削热和切削温度对刀具寿命和加工质量有着更显著的影式(1)中，为刀一屑接触长度，ram；a为切削宽响。现代高速切削理论及高速切削试验研究结果表度，mm。明，加工过程中切削热和切削温度是直接影响刀具根据文献[2]、[3]，铣刀前刀面上的摩擦力为：的磨损、使用寿命及工作可靠性的主要因素之一，因此研究切削热和切削温度的产生和变化规律，对于：一——————生—————

4、一×分析和提高高速五轴数控加工中心工艺可靠性具有2sin【cos(一7'0)一sin(一Fo)]重要工程意义。√3sincos(一o)3．92HB+4．55libCOS01r1切削温度模型√3sincos(一o)以VMC656高速五轴数控加工中心为研究对象，根据E．G．Loewen和M．C．Shaw[~1对计算剪切面(2)及前刀面接触区的平均温度方法的已经有了结果，忽略加工中心球头铣刀切削热对周围介质的传导，假定式(2)中，A。为切削层的截面积，mm；为刀切削区剪切面产生的热量一部分传给切屑，比例为具剪切角；o为刀具前角；HB为工件的布氏，一部分传给

5、工件，比例为(1-R1)；刀具前刀面硬度值。切削区剪切面产生的热量传给切屑的比例R。、刀国家高档数控机床与基础制造装备重大专项资助项目具前刀面接触区产生的热量传给切屑的比例R2与(编号：2009ZX04014．014)20刘明贺等基于ANSYS的高速五轴数控加工中心球头铣刀切削温度仿真研究载荷步时间，而不设置载荷子步。剪切面平均温度分别为针对不同切削参数条件加工中心球头铣刀的温度场逐一进行加载和求解，以仿真出不同切削参数R1=(3)对切削温度参数的影响。1+1．332．3切削区温度场的仿真以VMC656高速五轴数控加工中心典型工况为分析背景，工件材料

6、为铝合金6061，材料参数见FfvcA—一+Oo'表1。选用的刀具是前角31。，后角12。的球头铣aw刀。切削用量参数为n=5000r／min，ap=0-3mm，R=(4)厂=0．12mm／r。加载后进行不同切削参数的有限元仿真与求解。表1工件材料参数：acaclPlcostp-Fo)costC~-Fo密度硬度导热系数比热工件材料／(Kg／m)HBf

7、m·k／(J／kg·k)蒯中，面cos7。铝合金6061271O90177871S1nCOSI一1通过ANSYS进行铣刀不同接触齿数的温度分X=巾一丫4-8布仿真，如图1、图2所示。式(4)、式(5)中

8、，v。为切屑沿刀具表面流动速率；为与热源面积长与宽之比有关的一个无量纲的面积因子；为刀具初始温度；为刀具摩擦角。将切削区剪切面产生的热量传给切屑的比例1、刀具前刀面接触区产生的热量传给切屑的比例2及前刀面摩擦力代入式(1)，即可得到传入刀具的热流密度q及其相关参数。2切削温度场有限元分析2．1有限元模型的建立图1单齿切削温度分布图根据五轴数控加工中心铣削加工原理和实际加工要求选用Pro／E界面下球头铣刀的三维实体模型，在该模型中将参加切削的铣刀齿的前刀面与工件接触部分看成面热源，随着铣刀齿的切入切出该面热源周期性作用于工件表面，选取其中的某一周期利用

9、ANSYS在高速铣削条件下对球头立铣刀的切削温度场进行有限元仿真分析。2．2有限元模型的加载与求解对整个铣刀