特殊类型立铣刀参数化建模及几何结构参数研究

摘要

立铣加工是高速切削最主要的加工形式，立铣刀结构参数对切削过程中的切削力和切削温度有着最直接的影响，是决定产品加工质量最重要的因素之一。传统的刀具设计采用基于经验的设计方法，需要反复地进行设计-试制-试切等流程，使得刀具研制周期长、成本高。
　　本文在特殊类型立铣刀参数化模型的基础上，以典型钛合金航空结构件槽腔精铣加工的整体硬质合金立铣刀为具体研究对象，通过切削物理仿真和模态分析，确定其合理的设计参数集。从而形成一套完整的基于动、静态特性分析获得特殊类型立铣刀合理设计参数的方法。本文的主要工作归纳如下:
　　(1)在分析立铣刀主要设计参数及不等齿间角、不等螺旋角和变槽深等特殊类型立铣刀结构特点的基础上，形成一套圆弧头立铣刀周齿螺旋刃线、端齿直线刃线、圆弧刃线及周齿端截形的数学建模方法并推导出其数学模型;以数学建模方法和数学模型为基础，采用面向对象的方法，构建了立铣刀刀齿特征类;基于多截面实体放样技术实现立铣刀各特征类的几何建模，利用几何图形集的布尔运算技术实现特征的融合，从而形成完整的立铣刀参数化几何模型。
　　(2)探讨了金属切削加工物理仿真的基础问题，包括切削加工有限单元法、材料本构模型、切屑与工件的分离、切屑与工件间的摩擦作用等相关理论及方法。以AdvantEdge FEM软件为平台，将建立的立铣刀几何模型导入AdvantEdge FEM软件，以钛合金Ti6Al4V的槽腔为被加工对象，设置符合实际加工的仿真边界条件，建立铣削加工物理仿真模型，通过求解，得到了三向切削力、刀具温度、刀具应力等物理量。最后选择与仿真模型同样的加工参数及刀具进行铣削加工实验，通过切削力对比对仿真模型和立铣刀几何模型进行了验证。
　　(3)在铣削加工物理仿真模型的基础上，针对钛合金Ti6Al4V的槽腔侧铣精加工，探讨了单个因素（螺旋角、前角、后角、齿数）对切削力和刀具温度的影响，以最小的切削力和刀具温度值为目标，得到了立铣刀螺旋角、前角、后角和齿数等的最优值。
　　(4)针对适合高速加工的不等齿间角、不等螺旋角和变槽深等特殊结构的立铣刀，分析了不同特殊结构参数对立铣刀动态特性的影响，分别得到了三种特殊结构对应的最优结构参数，进而对具有三种特殊结构的立铣刀进行分析获取其动态特性，为立铣刀加工时主轴转速的选择和建立适合的机床-刀具工艺系统提供参考。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 特殊结构立铣刀研究现状

1．2．2 立铣刀刀齿几何结构参数研究现状

1．2．3 铣削力预测方法研究现状

1．2．4 切削加工物理仿真应用研究现状

1．3 课题研究内容

第2章 立铣刀数学及几何建模

2．1 立铣刀的结构与性能关系分析

2．1．1 常规立铣刀的主要设计参数

2．1．2 特殊结构立铣刀的设计特点

2．2 立铣刀数学建模

2．2．1 立铣刀周齿螺旋刃线建模

2．2．2 立铣刀周齿端截形

2．2．3 立铣刀端齿刃线数学模型

2．3 立铣刀参数化建模

2．3．1 毛坯参数化建模

2．3．2 刀齿特征建模

2．3．3 特殊结构立铣刀几何模型

2．4 本章小结

第3章 立铣刀物理仿真建模及分析

3．1 AdvantEdge FEM铣削加工仿真基础

3．1．1 AdvantEdge FEM简介

3．1．2 铣削加工有限元方法

3．1．3 材料相关参数及模型

3．1．4 切屑与刀具间的摩擦

3．2 AdvantEdge FEM铣削物理仿真模型

3．2．1 铣削加工物理仿真建模

3．2．2 铣削加工物理仿真结果

3．3 铣削加工实验

3．4 本章小结

第4章 基于铣削物理仿真的立铣刀参数分析

4．1 立铣刀螺旋角分析

4．2 立铣刀前角分析

4．3 立铣刀后角分析

4．4 立铣刀齿数分析

4．5 本章小结

第5章 基于动态特性分析的立铣刀参数分析

5．1 结构模态分析基本理论

5．2 基于Abaqus的模态分析

5．2．1 立铣刀几何模型

5．2．2 模态分析前处理

5．2．3 模态分析后处理

5．3 立铣刀结构模态对比分析

5．3．1 不等齿间角立铣刀

5．3．2 不等螺旋角立铣刀

5．3．3 变槽深立铣刀

5．3．4 具有三种特殊结构立铣刀

5．4 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文和参与科研项目情况