（机械制造及其自动化专业论文）整体硬质合金立铣刀的有限分析.pdf

l 西华大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：准殒 日期： 沙f 矿易- 牛 指导教师鲐氍趣 日期 砂么 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西 华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 学位论文作者签名：奔灞 日期： 矽7 矿，莎夕尹 指导教师戥啦拯 日期 加胗，多7 彬 西华大学硕士学位论文 摘要 由于整体硬质合金立铣刀形状结构复杂，传统的设计方法无法对刀具进行精确的强 度、刚度及应力分析。在硬质合金立铣刀c a d 中，采用有限元法对刀具进行分析计算， 从强度、刚度和应力观点研究刀具几何参数的合理性，在满足切削要求的前提下，以变 形最小、刚度最大为目标，获得最佳刀具几何参数，从而提高其切削性能。 本文从整体硬质合金立铣刀的几何模型着手，建立了一个适用于整体硬质合金立铣 刀铣削的三维铣削力模型，应用有限元软件a n s y s ，作为有限元分析的基础，对整体 硬质合金立铣刀进行静态和模态分析，研究在不同铣削条件下( 铣削深度、每齿进给量、 悬伸长度等) 整体硬质合金立铣刀的受力情况、固有振动频率和振型，分析和预测其变 化规律。 主要结论如下： 1 、引入s o l i d w o r k s 建立的整体硬质合金立铣刀仿真实体模型，进行有限元分析表 明：其它铣削条件不变时，铣削深度越大，整体硬质合金立铣刀变形量和应力都同时增 大，而且二者的增长幅度和增长趋势几乎相同，随着铣削深度和每齿进给量的增大，整 体硬质合金立铣刀刀具的最大等效应力和最大变形量也增大，几乎均呈直线上升趋势， 较大应力均位于铣刀悬臂处及刀刃处；当每齿进给量增加时，整体硬质合金立铣刀变形 量和应力都同时增大，但是二者的增长幅度不同，整体硬质合金立铣刀应力的增长更大 一些。 2 、对整体硬质合金立铣刀实体模型进行模态分析表明：相同悬伸长度的条件下， 整体硬质合金立铣刀一阶和二阶固有频率很接近、二阶和三阶固有频率相差很大、三阶 和四阶固有频率相差较大；不同悬伸长度下的刀具的一阶至四阶固有频率随着悬伸长度 l 的减少而增加。 关键词：整体硬质合金立铣刀；建模；有限元分析；静力分析；模态分析 西华大学硕士学位论文格式规范 a b s t r a c t b e c a u s eo fc o m p l e xs t r u c t u r e ，t r a d i t i o n a ld e s i g n i n gm e t h o d sc a nn o tb eu s e dt od o i n t e n s i t ya n a l y s i s ，s t i f f n e s sa n a l y s i sa n ds t r e s sa n a l y s i sp r e c i s e l yf o rs o l i dc a r b i d ee n dm i l l i n t h ep r o c e s so fc a df o rs o l i dc a r b i d ee n dm i l l ，t h et o o li sc a l c u l a t e db ym e a n so ff i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sm e t h o d ，a n dt h er e a s o n a b i l i t yo ft h et o o lg e o m e t r i cp a r a m e t e r si ss t u d i e di nt h ev i e w o fi n t e n s i t y ，s t i f f n e s sa n ds t r e s s w ew i l lg e tt h eo p t i m a lt o o lg e o m e t r i cp a r a m e t e r sa n d i m p r o v ec u t t i n gp e r f o r m a n c e ，m e a n w h i l em e e tt h er e q u i r e m e n to fc u t t i n ga n dt h eg o a lo f m i n i m u md e f o r m a t i o n , m a x i m u ms t i f f n e s s a3 dm i l l i n gf o r c em o d e lw h i c hi ss u i t a b l ef o rm i l l i n gw a se s t a b l i s h e db a s e do n g e o m e t r i cm o d e lo fs o l i dc a r b i d ee n dm i l l s t a t i ca n a l y s i sa n dm o d a la n a l y s i sf o rt h em o d e l w e r ec a r r i e do nb yf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s f o r c ec o n d i t i o n ，i n h e r e n t v i b r a t i o nf r e q u e n c ya n di n h e r e n tv i b r a t i o n a lm o d eo fs o l i dc a r b i d ee n dm i l lw e r es t u d i e d u n d e rd i f f e r e n tm i l l i n gc o n d i t i o n ( m i l l i n gd e p t h , f e e dp e rt o o t h ，o v e r h a n g i n gl e n g t h ) 。t h em a i nc o n c l u s i o n sa n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s f i r s t l y ，t h es o l i ds i m u l a t i o nm o d e lo fs o l i dc a r b i d ee n dm i l lw h i c hw a se s t a b l i s h e db y s o l i d w o r k sw a sa n a l y z e db yf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 1 n h er e s u l t ss h o wt h a tw i t ht h eo t h e r c o n d i t i o n su n c h a n g e d ，b o t ht h ed e f o r m a t i o na n ds t r e s so fs o l i dc a r b i d ee n dm i l li n c r e a s ew i t h t h ei n c r e a s i n go f m i l l i n gd e p t h ，a n dt h er a n ga n dt r e n da r eo ft h es a m en e a r l y n em a x i m u m e q u i v a l e n ts t r e s sa n dm a x i m u md e f o r m a t i o no fs o l i dc a r b i d ee n dm i l li n c r e a s el i n e a r l yw i t h t h ei n c r e a s i n go fm i l l i n gd e p t ha n df e e dp e rt o o t hn e a r l y ，t h er e l a t i v e l yl a r g e rs t r e s sp r e s e n ta t t h el o c a t i o no fc a n t i l e v e ra n de d g eo fm i l l i n gc u t t e r , b o t ht h ed e f o r m a t i o na n ds t r e s si n c r e a s e w i t ht h ei n c r e a s i n go ff e e dp e rt o o t hb yd i f f e r e n tr a n g , b e c a u s et h el a t e ri sl a r g e rt h a nt h e f o r m e r s e c o n d l y ，b ym o d a la n a l y s i sf o rs o l i dc a r b i d ee n dm i l ls o l i dm o d e l , t h er e s u l t ss h o wt h a t u n d e rt h ec o n d i t i o no fc o n s t a n to v e r h a n g i n gl e n g t h ，t h ef i r s to r d e ri n h e r e n t v i b r a t i o n f r e q u e n c yi sc l o s et ot h es e c o n do r d e ri n h e r e n tv i b r a t i o nf r e q u e n c yf o rs o l i dc a r b i d ee n dm i l l w h i l et h ed i f f e r e n c ef o rt h et h i r di n h e r e n tv i b r a t i o nf r e q u e n c ya n dt h ef o r t ho r d e ri n h e r e n t v i b r a t i o nf r e q u e n c yi sr e l a t i v e l yl a r g ea n dt h es e c o n do r d e ri n h e r e n tv i b r a t i o nf r e q u e n c yi s d i f f e r e n tt ot h et h i r do r d e ri n h e r e n tv i b r a t i o n f r e q u e n c yo b v i o u s l y u n d e rt h ed i f f e r e n t o v e r h a n g i n gl e n g t h ，i n h e r e n tv i b r a t i o nf r e q u e n c yf r o mt h ef i r s to r d e ri n h e r e n t v i b r a t i o n f r e q u e n c yt ot h ef o r t ho r d e ri n h e r e n tv i b r a t i o nf r e q u e n c yi n c r e a s ew i t ho v e r h a n g i n gl e n g t h d e c r e a s i n g 堕墼塑燮垡墼 k e yw o r d s ：s o l i dc a r b i d ee n dm i l l ；m o d e l i n g ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；s t a t i ca n a l y s i s ； m o d a la n a l y s i s 西华大学硕譬位论文格式规范 目录 摘! 要：l a b s t r a c t i i 1 绪论1 1 2 整体硬质合金立铣刀的优点l 1 3 整体硬质合金的发展状况2 1 4 主要内容、研究背景及意义3 2 整体硬质合金螺旋槽立铣刀模型建立5 2 1s o l i d w o r k s 软件优点5 2 2 建模技术：。6 2 3 整体硬质合金立铣刀的建模：7 2 3 1 利用端面廓形建模8 2 3 2 利用成形砂轮的轴向廓形建模9 3 有限元法基本理论1 4 3 1 有限元法的发展一1 4 3 2 有限元法的基本理论1 5 3 2 1 有限元法的基本思想1 5 3 2 2 有限元法的特点1 5 3 3 有限元的功能。1 6 3 4 有限元的分析流程。1 7 3 5 静力分析和模态分析1 7 3 5 1 结构静力分析1 7 3 5 2 模态分析1 9 4 整体硬质合金螺旋槽立铣刀静力分析。2 1 4 1 有限元法的典型步骤2 1 4 1 1 步骤之一：建立有限元模型2 1 4 1 2 步骤之二：加载和求解2 2 4 1 3 步骤之三：结果后处理2 3 4 2 整体硬质合金螺旋槽立铣刀e1 8 的模型2 4 4 2 1 整体硬质合金立铣刀的实体模型。2 4 西华大学硕士学位论文 4 2 2 整体硬质合金立铣刀的有限元模型2 5 4 2 3 力学模型。2 6 4 2 4 载荷计算2 7 4 2 5 整体硬质合金立铣刀位移边界条件的确定2 8 4 2 6 施加载荷2 8 4 3 铣削条件变化对整体硬质合金立铣刀的应力场的影响2 9 4 3 1 铣削深度对整体硬质合金立铣刀应力场的影响2 9 4 3 2 每齿进给量对整体硬质合金立铣刀应力场的影响3 5 5 整体硬质合金螺旋槽立铣刀模态分析3 7 5 1 模态分析基本知识3 7 5 1 1 模态分析的主要方法。3 7 5 1 2 模态分析的基本步骤“3 8 5 1 3 模态扩展4 1 5 1 4 后处理，观察结果4 1 5 1 5 模态分析的应用4 2 5 2 整体硬质合金立铣刀的模态分析4 2 5 2 1 整体硬质合金立铣刀的模态分析过程4 3 5 2 2 整体硬质合金立铣刀的模型4 3 5 2 3 不同悬伸长度的整体硬质合金立铣刀模态分析。4 6 1 i 论! ；：! 参考文献。5 3 攻读硕士学位期间学术论文及科研情况5 5 致 谢。5 6 v 西华大学硕士学位论文 1绪论 1 1 整体硬质合金立铣刀的优点 硬质合金是由难熔金属硬质化合物和金属粘结剂，经粉末冶金方法而制成的，它的 硬度为h r a ( 8 9 9 4 ) ，远远高于高速钢；在5 4 0 0 c 时为8 2 h r a 8 7 h r a ，与高速钢常温 时硬度相当，并且它还具有化学稳定性好、耐热性好等优点。由于硬质合金具有很高的 硬度、耐磨损、耐高温、线膨胀率小等一系列优点，因此被用作刀具的主要材料【3 l 。硬 质合金的牌号很多，据报道，有的国家5 5 以上的铣刀都采用硬质合金制造。我国常用的 硬质合金为碳化钨( w c ) 基硬质合金。近些年又出现了碳化钛( t i c ) 基硬质合金、超 细晶粒硬质合金、表面涂层硬质合金等新品种。 整体硬质合金立铣刀和高速钢立铣刀相比较，高速钢立铣刀的推荐铣削速度只有硬 质合金立铣刀相应值的1 4 怕。整体硬质合金立铣刀其加工费用可节约6 2 以上，刀 具使用寿命与普通钴高速钢立铣刀相比较提高2 0 倍以上【5 1 。有文献报导，硬质合金立铣 刀的金属切除率可比高速钢金立铣刀的高5 1 0 倍。硬质合金立铣刀主要由整体式和可 转位两种构成，我国的硬质合金立铣刀还在起步阶段，2 0 0 2 年的产值和产量仅达4 0 0 万美元2 0 万件，整体硬质合金立铣刀的生产更为稀缺。精密的整体硬质合金立铣刀国 外用6 轴联动c n c 工具磨床制造，采用多片砂轮在一次装夹中磨成全部刃部几何形状。 上述机床主要靠进口，价格昂贵，限制了国产整体硬质合金立铣刀的发展。c n c 立式 铣床主轴有足够的功率、机床刚性好、定位精度高，可以实现整体硬质合金立铣刀的加 工。 由于本文用到的硬质合金立铣刀是经过表面涂层加工，所以简单介绍一下涂层硬质 合金刀具的一些优点。 涂层硬质合金刀具具有以下优点： ( 1 ) 表层的涂层材料具有极高的硬度和耐磨性，若与无涂层的硬质合金相比，涂 层硬质合金允许采用较高的铣削速度，从而提高了加工效率，或能在同样的铣削速度下 大幅度地提高刀具寿命。 ( 2 ) 涂层材料与被加工材料之间的摩擦系数小，若与无涂层的硬质合金相比，涂 层硬质合金的铣削力有一定降低，已加工表面质量较好。 ( 3 ) 由于综合性能好，涂层硬质合金具有较好的通用性和较宽的适用范引6 】。 床市场。 整体硬质合金刀良好的发展趋势1 4 j ： ( 1 ) 整体硬质合金刀具有着良好的增长趋势 硬质合金整体刀具是各种切削刀具中发展势头最好的产品。以日本为例，1 9 9 6 年高 速钢立铣刀与整体硬质合立金铣刀的比例为6 2 ：3 8 ，2 0 0 3 年则改变为2 5 ：7 5 。有关行业 的专题报告指出：2 0 0 3 年世界可转位刀具的销售额下将了7 而整体刀具的销售额却增 加了2 3 ，而且这种势头还将延续下去。 ( 2 ) 新材质研究仍然是整体硬质合金刀具发展的亮点 在各种刀具材料的发展中，硬质合金起着主导作用，硬质合金的性能不断改进，应 用面不断扩大，成为切削加工的主要刀具材料，对推动切削效率的提高起到了重要作用。 2 西华大学硕士学位论文 ( 3 ) 结构优化是整体硬质合金刀具发展的中心主题 材质和刀具结构的优化组合是研究的永恒主题，不同的加工对象不仅需要选用不同 的刀具材料，而且要选用不同的刀具结构。对材料可加工性研究的结果表明，刀具结构 的优化甚至比材料优化更重要。优化的重点集中体现在二个方面。一是通用化刀具切削 部分的几何形状、参数和结构采用多样化的、充分体现切削过程内在规律的创新设计， 使其潜力得到充分挖掘，将对切削加工全面进入高速切削、硬切削、干切削阶段起到十 分重要的作用。二是专用刀具更具特色，根据其适用范围不同。做到每一种刀具的材质 不同、涂层不同、结构不同、异曲同工，效果最佳。国际上最新推出的不等螺旋角立铣 刀、前波形刃立铣刀、双棱带麻花钻、多功能螺纹铣刀就是刀具优化的典范。 整体硬质合金螺旋刀具是二十世纪8 0 年代以来高新技术发展对合金机械制造业产 生了重大影响，欧洲、北美和东亚是整体硬质合金制造和应用的主战场。r r 产业、机械 制造业作为中国的支柱产业，蓬勃发展。 1 3 主要内容、研究背景及意义 ： 本文的主要工作是，应用有限元软件a n s y s ，通过计算机仿真，分析在不同高速 加工条件下，加工碳钢时刀具的内部应力、变形随加工参数( 轴向切削深度a d 、每齿 进给量亿) 变化而变化的规律：应用有限元模态分析方法计算立铣刀的固有振动频率和 振型，并分析当刀具的悬伸长度变化时，立铣刀固有的振动频率、振型的变化规律以及 对立铣刀振动的影响。通过分析和预测，为优选加工工艺参数，减少刀具磨损、改善工 件表面粗糙度、采用适应高速加工的编程策略等提供参考，同时解释一些加工现象。 主要研究内容如下： ( 1 ) 从整体硬质合金的立铣刀的几何模型着手，应用s o l i d w o r k s 绘图软件，建立 了整体硬质合金立铣刀三维模型。 ( 2 ) 利用有限元软件a n s y s ，把整体硬质合金立铣刀的刀具几何参数的变化对 切削力的影响，作为有限元分析的基础，对立铣刀进行静力分析，研究其应力和变形的 特点。 ( 3 ) 应用有限元模态分析方法，计算立铣刀的固有振动频率和振型，并分析当刀 具的悬伸长度变化时整体硬质合金立铣刀的固有频率、振型的变化规律以及对立铣刀振 动的影响。 全文共分五章，第一章是绪论部分，第二章到五章是主要研究内容，包括立铣刀的 结构设计，铣削力的经验公式建立，立铣刀的有限元静力分析和模态分析。最后为本文 的结论和工作展望。 高速整体硬质合金立铣刀的有限元分析 本课题是应自贡硬质合金有限公司成都分公司刀具分厂委托，开发自贡硬质合金 有限公司g 缸籼p 软件应用系统的后续工作。针对整体硬质合金刀具的特点( 钻 头、铣刀、铰刀、丝锥、拉刀等几个产品大类) ，刀具的几何拓扑结构相似，结合公司 标准和德国、日本等相应刀具标准( 柄部和其它规格参数可选择使用厂标或其它相关标 准) ，可以充分利用现行成熟的三维c a d 技术，通过二次开发的参数化设计构造出三 维立体的刀具模型，并进一步生成刀具的二维工程图，实现工程图的设计自动化。 4 西华大学硕士学位论文 2 整体硬质合金螺旋槽立铣刀模型建立 对立铣刀的三维模型建立，可利用多种软件如a u t o c a d 、s o l i d w o r k s 、p r o e 等进 行设计。而在这些设计软件中，s o l i d w o r k s 拥有功能强大的的机械c a d 模块，且有较 好的零件连接性能，还拥有更全面性的工具，可以推动产品的创新，以及通过i n t e m e t 与人员和信息实现互通功能。因此，本文利用s o l i d w o r k s 对整体硬质合金立铣刀进行三 维建模。 2 1s o li d w o r k s 软件优点 s o l i d w o r k s 是w i n d o w s 原创的三维设计软件。其易用和友好的界面，能够在整个 产品设计的工作中，s o l i d w o r k s 完全自动捕捉设计意图和引导设计修改。在s o l i d w o r k s 的装配设计中可以直接参照已有的零件生成新的零件。不论设计用“自顶而下 方法还 是“自底而上 的方法进行装配设计，s o l i d w o r k s 都将以其易用的操作大幅度地提高设 计的效率。s o l i d w o r k s 有全面的零件实体建模功能，其丰富程度有时会出乎设计者的 期望。用s o l i d w o r k s 的标注和细节绘制工具，能快捷地生成完整的、符合实际产品表 示的工程图纸。s o l i d w o r k s 软件容易掌握和使用，适合于工程技术人员的使用，该软 件除具备一般p c 级c a d 软件的功能之外，在以下几个方面也非常有特色【7 1 。 ( 1 ) 软件的技术背景 s o l i d w o r k s 软件是完全基于w i n d o w s 的c ad a e c a m p d m 桌面集成系统。公司 的创始人是c v 公司和p t c 公司的两位前副总裁，s o l i d w o r k s 软件开发的核心人物就是 八十年代主持开发p r o e n g i n e e r 软件的技术副总裁，s o l i d w o r k s 软件采用了与 u n i g r a p h i c s 相同的先进的底层图形核心p a r a s o l i d ，它的核心技术是在w i n d o w s 环境下 生成的，充分利用和发挥了w i n d o w s 的强大威力和o l e 技术。 ( 2 ) 友好的界面 s o l i d w o r k s 软件的菜单非常少，一共只有六十几个命令，其余所有的命令与 w i n d o w s 的命令是相同的；下拉菜单一般只有二层( 有三层的不超过五个) ：图形菜单 设计简单明快，非常形象化，一看即知。 ( 3 ) 数据转换接口 由于c a d 技术的不断普及应用，许多企业都使用了多种叫c 觚c a m p d m 软 件，而各种c a d 软件之间的数据转换传送始终是个令技术人员头疼的问题，尽管许多 软件都提供各种各样的接口，但传送的结果总是难尽人意；而s o l i d w o r k s 在这方面可 5 高速整体硬质合金立铣刀的有限元分析 以说具有大家风范。 2 2 建模技术 利用a u t o c a d 绘图把原来设计的图板变成计算机屏幕，制图方便快捷，业界有目 共睹。然而从设计思维上，设计者把代表设计意图的三维零件实体按照投影关系变成二 维的工程图，制造时工艺人员再把二维的工程图在头脑中还原成三维实体，弄清几何关 系后才制定合理的工艺路线进行加工。这样无论设计者还是制造者在从二维到三维的转 化中容易出错，同时难以表达复杂的曲面，比如叶片、犁面等。 产品的设计是十分复杂的过程，需要综合运用设计绘图、分析仿真、工艺设计和制 造等知识。三维模型具有相对丰富的属性，能方便地将设计与分析、工艺和制造相联系 成为集成以c a d q 心例：删c a p p 的基础。同时，零件的三维模型较之二维图含有更丰 富、更完整的产品零件信息，包括结构形状、尺寸、精度，表面粗糙度、热处理等，可 以提供完备的几何数据和信息库为其它应用所用，特别是零件的几何信息和拓扑信息， 这些都是以删c a p p 等c a d 工程所必须的。鉴于上述原因三维c a d 及三维建模是 现代创新设计的关键。它可以进行结构设计、强度设计以及优化设计，同时缩短设计周 期降低开发成本，是企业信息化的基础工程。 从三维造型的发展历程看，主要有三种建模模式【9 l ： ( 1 ) 线框建模 线框模型应用最早，它采用空间的点、线、圆弧描述形体的外形轮廓。对线框模型 进行视图变换，可以获得形体的正投影图。 ( 2 ) 表面建模 表面模型是以平面多边形为基础来描述形体的。在线框模型的基础上再增加形体的 面，即可得到表面模型。因为线框模型只有顶点和边的信息，而没有面的信息；所以不 能进行消除隐藏线和布尔运算，但所占存储空间较小。对表面模型可以进行消除隐藏线 的运算，但不能进行布尔运算。因此表面模型多用于以外形为主的设计场合。 ( 3 ) 实体建模 实体模型不像表面模型那样只考虑形体的表面，它还要考虑形体的内部。在表面模 型的基础上明确表面的哪一侧存在实体，即可将表面模型发展为实体模型。对实体模型 既可以进行消除隐藏线的运算，也可以进行布尔运算。因此实体模型是目前最流行、应 用最广的几何造型模式。 ( 4 ) 特征建模 6 两华大学硕士学位论文 特征建模是建立在实体建模的基础上，加入了包含实体的精度信息、材料信息、技 术要求和其它有关信息。另外还包含一些动态信息，如零件加工过程中工序图的生成、 工序尺寸的确定等信息，以完整地表达实体信息。特征是一种综合概念，它是实体信息 的载体，特征信息是与设计、制造过程有关的，具有工程意义。特征建模技术近几年发 展很快，p d e s s t e p 标准已将部分特征信息( 形状特征、公差特征等) 引入产品信息 模型。现也有一些c a d c a m 系统如p r o e 、u g 、s o l i d w o r k s 等己开始采用了特征建模 技术。目l i 特征建模的方法有交互式特征定义、特征识别、基于特征识别的设计三种。 其中应用最广的c a d 系统就是基于特征的设计系统，它是利用系统内部已预定义的特 征库对产品进行特征建模，也就是设计者直接从特征库中提取特征的布尔运算，最后形 成零件模型的设计与定义。 硬质合金刀具c a d 系统就是借助s o l i d w o r k s 软件的三维平台，将特征建模技术和 程序参数化方法相结合，利用其本身的参数化建模功能或二次开发接口，定义刀具产品 的实体模型。 2 3 整体硬质合金立铣刀的建模 s o l i d w o r k s 的零件建模过程【1 0 l ，实际就是构建许多个简单的特征，它们之间相互叠 加、切割或者相交的过程。根据特征的创建，一个零件的建模过程可以分成如下几个步 骤来完成： ( 1 ) 进入零件的创建界面。 ( 2 ) 分析零件，确定零件的创建顺序。 ( 3 ) 画出零件草图，创建和修改零件的基本特征。 ( 4 ) 创建和修改零件的其他辅助特征。 ( 5 ) 完成零件所有的特征，保存零件的造型。 本文是以螺旋槽整体硬质合金立铣刀为例，所进行的有限元分析。在s o l i d w o r k s 中，螺旋槽刀具有两种建模方法，一种是像直槽刀具一样，先假设螺旋槽刀具没有螺旋 角( 或螺旋角是o 。) ，这样就可以用直槽刀具的建模方法，完成以后，在对其进行扭 转特征操作，但是必须保证扭转完成后是要求的螺旋角度，简称扭转法；另一种是利用 s o l i d w o r k s 2 0 0 8 的新功能实体切除，先建立起砂轮的实体模型，模拟刀具的加工， 利用砂轮来对棒料进行螺旋干涉，完成刀具的螺旋槽部分，其余部分按直槽刀具方法来 处理，简称实体切除法。以上两种方法建模思想不同，各有优缺点。 整体硬质合金立铣刀的实体建模，关键是在于利用s o l i d w o r k s 实现其圆柱螺旋面的 三维建模过程。s o l i d w o r k s 是一款基于特征的三维c a d 工程软件，通过在图形轮廓基 7 高速整体硬质合金立铣刀的有限元分析一一 础上进行特征建模。利用s o l i d w o r k s 中的轮廓和实体扫描两种特征生成方式，根据整体 硬质合金立铣刀的特点，进行相应的设置，就可以实现其三维建模过程。在生成过程中， 需要对螺旋线路径的要素进行定义和选择，如定义方式( 高度和螺距、螺距和圈数、高 度和圈数) ，左右旋向以及生成的方向【l l l 。 2 3 1 利用端面廓形建模 如图2 1 所示为整体硬质合金四刃立铣刀的端面廓形，其中的圆弧与芯圆相切。取 刃径中= 8 m m ，芯厚妒= 4 9 6 m m ，棱宽f _ o 4 m m ，周刃前角) ，= 1 2 0 ；螺旋角= 3 0 0 ，刃 长z = 1 0 m m ，导程p = 加t a n 卢t 4 3 5 3 m m 。 图2 1四刃整体硬质合金立铣刀端面廓形 f i g 2 1 t h ee n d p r o f i l eo fe n d m i l l 用垂直于轴线的平面截开整体硬质合金立铣刀，就得到了螺旋槽的垂截面。整体硬 质合金立铣刀的螺旋实体部分，可以看作是由螺旋槽的垂截面沿螺旋线的路径扫描切除 而得到的。 以螺旋槽的垂截面作为轮廓进行扫描切除，关键在于退刀槽的建模，这里利用组合 曲线将螺旋线与一段相切的直线合并来进行扫描切除，从而形成完整的螺旋槽。如图2 2 所示 建模步骤如下： ( 1 ) 用拉伸特征生成直径为8 m m ，长度为3 0 m m 的圆柱体。 ( 2 ) 在圆柱面上生成螺距为4 3 5 3 r a m ，高度为1 0 r a m 的螺旋线。 ( 3 ) 插入3 d 草图，生成一段直线，要求该直线与螺旋线相切，且起始点与螺旋 线的末尾点重合。 ( 4 ) 利用组合曲线工具将螺旋线与直线合并。 ( 5 ) 在前视基准面上作出整体硬质合金立铣刀的垂截面轮廓。 8 两华人学硕十学位论文 ( 6 ) 利用扫描切除特征命令，选择轮廓扫描，以整体硬质合金立铣刀的垂截面轮 廓为扫描轮廓，组合曲线为扫描路径，生成螺旋面的三维建模。 蠢棚_ 黼肇苎苎璧丝苎璧璧嬲嬲黧塑苎! 墼：蛾o ，“。 毋。 。一五一 。，嚼、毒：r o j o 口国，3q 翟髫移鬈西弗罐0 ；jj ：茹。- r 、 t * ? h p 矿，一o “ 莲藩莎t 母劳移 囡? o 鼍： 韶 “：? l ：u l m 。j ? ? ：渔一 图2 2 利用端面廓形建模 f i g 2 2m o d e l i n gt h r o u g ht h ee n dp r o f i l e 2 3 2 利用成形砂轮的轴向廓形建模 整体硬质合金立铣刀是利用成型砂轮加工的圆柱螺旋面，利用成形砂轮的轴向廓形 建模，则需要从螺旋面加工的基本原理出发，由整体硬质合金立铣刀的端面廓形计算出 成形砂轮的轴向廓形l l ，到。 ( 1 ) 成形砂轮轴向廓形的计算 在用成形砂轮加工螺旋面时，成形砂轮的表面是一个回转面，这个回转面和工件螺 旋面的所有接触点的公法线与砂轮的轴线相交，即螺旋面在任意点的法线与砂轮回转面 在同一点的法线互相重合，因此砂轮回转面上任意点的法线，必须通过砂轮的轴线。按 照这个原理反推，由工件螺旋面上的法线与砂轮轴线相交的条件，就可以求出所有的接 触点，将这些接触点连接成一条空间的接触线；再将此接触线绕砂轮轴线回转，就可以 得到砂轮的回转面，最后用过轴线的平面剖开回转面，即可得到砂轮的轴向廓形。 如图2 3 所示，工件在o - x y z 坐标系中，砂轮在0 一x y z 坐标系中，砂轮轴线和工 件轴线之间的夹角为，两轴线问的最短距离为口。 9 高速整体硬质合金立铣刀的有限元分析 图2 3 成形砂轮加：i ：螺旋面 f i g 2 3p r o c e s s i n gb yg r i n d i n gw h e e l 已知工件端面廓形( 一般由直线段和圆弧构成) 和螺旋参数，可导出工件的螺旋面 方程。把已知的工件螺旋面方程和接触线条件式联立起来，可以求得螺旋面上的接触线，一 它是以( x ，y ，z ) 表示的。让接触线绕砂轮轴线回转，就可以得到待求的砂轮回转面。 建立端面廓形的参数方程为： j 。而 ? ( 2 1 ) i y ot ) ，o q ) 式中，“为参数；( x o ，y 。) 为廓形上的点。 建立螺旋面方程为： p 一c o s o - y o s i n 0 y zo s i n 0 + ) ，o c o s 0 ( 2 2 ) 【z 一卵 式中，( x ，y ，z ) 为螺旋面上的点；s 。p 打：p 为螺旋面的导程。 建立接触线方程为： e x f a t a n o j g ( a x + s t a n t o ) 一0 1 0 西华人学硕士学位论文 e 。sa y 一工兰i 三 f ；和堕一y 一0 z ( 2 4 ) g 。z 堕+ y o y ( 2 5 ) 参数“已知，由接触线方程可解出0 ，由 ，口) 可解出( x , y ，z ) 。 僻x - x 篙- a 三= 乙 旺6 ， 将( z ，y ，z ) 代入，即可求解出砂轮的轮廓点( x ，y ，z ) 。 1r 。厅万 q j 将( x ，y ，z ) 代入，即可求得砂轮的轴向廓形。 其中，砂轮轴向宽为4 5 5 m m ，砂轮半径为5 m m ，前刀面圆弧半径为1 4 2 m m ，后刀面 圆弧半径为1 1 3 6 r a m ，点a 为前刀面圆弧与后刀面圆弧过渡点在砂轮轴线上的投影，点 高速整体硬质合金立铣刀的有限元分析 图2 4 成形砂轮的轴向廓形 f i g 2 4 t h es e c t i o np r o f i l eo fg r i n d i n gw h e e l ( 2 ) 利用成形砂轮的轴向廓形建模 在用成形砂轮加工整体硬质合金立铣刀螺旋槽的成形表面时，砂轮轴线与工件轴线 的夹角应为s ，即工作台旋转角( 卢一9 0 一，芦角为整体硬质合金立铣刀的螺旋角) ， 同时两轴线之间的最短距离口为芯圆半径与砂轮半径之和，以保证砂轮的安装高度。在 加工过程中工件做螺旋运动，每旋转一周时，工作台也相应地沿轴向移动一个导程的距 离，砂轮回转面相对于工件做螺旋运动时的包络面就形成了工件的螺旋槽成形表面。 从加工原理出发，利用扫描切除( 实体扫描) 特征命令，由砂轮的轴向廓形旋转生 成砂轮三维实体，通过合理设置以螺旋线为扫描路径包络形成螺旋面的建模。如图2 5 所示。 建模步骤如下： 用拉伸特征生成直径为8 r a m ，长度为3 0 m m 的圆柱体。 建立基准面1 ，与圆柱体前视基准面平行，且间距为一个导程。 建立基准面2 ，与圆柱体上视基准面平行，且间距为芯圆半径与砂轮半径之和 7 4 8 r a m 。 在基准面2 上绘制砂轮的轴向廓形，如图2 5 所示，要求点a 在基准面1 内，且 与圆柱基体轴线重合，同时要求砂轮回转轴线与圆柱体轴线夹角y = 6 0 。 z - d 用旋转特征命令，生成砂轮实体。 两华人学硕士学位论文 在基准面1 上绘圆，生成螺距为4 3 5 3 r a m ，高度为5 3 5 3 m m 的螺旋线，要求螺 旋线为零起始角度，且起始点位于砂轮实体内。 用扫描切除特征命令，选择实体扫描，以砂轮为扫描实体，螺旋线为扫描路径， 生成螺旋面的三维建模囊 够_ - 船盘型曼_ ! 苎坠塑魄曼蹩：型唆誓苎熬，曼! ! 塞龟j 。瓿砷- ， ，9 t 柏咎。；。j 0 0 瞎j 罩。 譬母g 菇菇髫0 j j0 j 一 4 l i t , r ho a i l 麓耪：簪铲， l 盈，：。 f 口 。 鲁 o o 乙 皇 ，+ 。：二，一# _ r 蛐。乳。擘， 图2 5 利川成形砂轮建模 f i g 2 5m o d e l i n gt h r o u g ht h eg r i n d i n gw h e e l 以上两种方法均可以实现整体硬质合金立铣刀螺旋面的三维建模。但是相对于前 者，后者建模的步骤较多，而且涉及到更多的特征以及参数，模型的驱动更新需要更 长的时间，这在一定程度上影响了系统运行的速度；同时，用砂轮实体形成的螺旋 面，在模型驱动更新之后容易出现干涉变形的情况，软件实体扫描的曲面造型有待于 进一步的完善。综合考虑之后，我们推荐采用前者的方法来对螺旋面进行三维建模。 接下来还需要完成的建模依次有：整体硬质合金立铣刀周刃后角、端刃后角以及容屑 槽等，通过合理的设置及运用切除扫描特征，即可实现，在此省略了具体步骤的赘 述。 一秘 v。论。 c 罾慧嘬一 高速整体硬质合金立铣刀的有限元分析二 3 有限元法基本理论 有限元技术是随着计算机技术的迅猛发展而进入工业实用化的。近半个世纪的发 展，有限单元法的应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，有静力平衡 问题扩展到稳定性问题、动力问题和波动问题，分析的对象从弹性材料扩展到塑性、黏 弹性、黏塑性和复合材料等，从固体力学扩展到流体力学、传热学及电磁学等领域i l 引。 目前，国际上较大型的面向工程的有限元通用程序已达到几百种。而a n s y s 程序是一 个功能强大的设计分析及优化软件包，与其他有限元分析软件如s a p 或n a s t r a n 等 相比，有以下特点： ( 1 ) a n s y s 是完全的w i n d o w s 程序，从而使应用更加方便。 ( 2 ) 产品系列由一整套可扩展的、灵活集成的各模块组成，因而能满足各行各业 的工程需要。 ( 3 ) 它不仅可以进行线性分析，还可以进行各类非线性分析。 ( 4 ) 它是一个综合的多物理场耦合分析软件，用户不但可用其进行诸如结构、热、 流体流动、电磁等的单元研究，还可以进行这些分析的相互影响研究等【l 引。 3 1 有限元法的发展 以有限