高速加工銑刀結構參數研究

王振宇 宋冬冬 蘇令華

（①無錫職業技術學院，江蘇無錫 214121;②山高刀具（上海）有限公司，上海 200233;③上海三一科技有限公司，上海 201200）

高速切削機床激振頻率遠遠超出“機床—刀具—工件”工藝系統的固有低頻范圍，高速銑削過程中產生的振動，會導致刀具的折斷、加工精度的降低等［1］。銑削過程中的振動，除了與其加工參數及工件材料性能有關外，還受其自身結構參數的影響［2］。銑刀結構參數對振動的影響體現在影響其結構的振動特性，即其結構的固有頻率和振型［3］。因此，研究銑刀結構參數對振動的影響，對減小加工振動、提高高速銑削效率及精度非常必要。

為了準確地研究高速銑削中的特性，有限元法被廣泛地使用。目前國內外對高速銑削特性的研究大多集中在切削參數和結構靜態性能等方面。文獻［4］通過有限元模態分析了硬質合金銑刀在不同懸伸條件下的振動特性;文獻［5］研究亞音速銑削的振動特性，并通過有限元模態分析優化了銑削工藝。但銑刀結構參數同樣影響高速銑削振動，目前還未得到重點研究。

本文通過建立不同齒數的銑刀模型，通過有限元模態分析，研究其結構的振動特性，分析不同齒數對銑削振動的影響。并對比銑刀受載荷條件下的振動模態，為減小刀具振動、提高加工質量提供參考與依據。

1 有限元模型

1．1 結構模型

通過UG建立直徑為φ20 mm、不同齒數的銑刀實體模型（圖1所示）。其詳細參數如表1所示。

表1 立銑刀結構參數

1．2 有限元力學模型

將不同齒數立銑刀的實體模型導入有限元軟件。單元類型為具有塑性、蠕變、應力強化、大變形和大應變能力的SOLID 185實體單元。銑刀材料為硬質合金，其材料參數如表2所示。劃分網格，如圖2所示，節點數量3齒為58 900，4齒為53 200，6齒為48 600。

表2 銑刀材料參數

邊界條件定義:刀具既不能在軸向和徑向發生竄動或跳動，也不能有沿軸向和徑向的轉動，所以就必須限制刀柄的所有自由度，這就是刀具的約束條件。根據銑刀實際裝夾情況，約束銑刀柄部軸向位移，柄部圓柱徑向、切向位移。

1．3 試驗設計

要研究銑刀結構參數對高速切削過程中振動的影響，需要研究其振動型態。本研究通過研究無切削載荷的振型與有切削載荷的振型，分析銑刀齒數對切削振動的影響機理及切削載荷對高速加工振動的影響，其中切削載荷加載方式如圖3所示，對端齒與周齒均施加載荷。

2 模態結果及分析

為了得到準確的結果和更經濟的計算方法，使用Block Lanczos法對銑刀結構參數進行模態分析，通過擴展模態，觀察完整的銑刀振型。從不同齒數的銑刀在0～20 000 Hz的范圍內輸出6階模態振型及頻率。以3齒銑刀為例，其不受載荷時的1～6階振型如圖4所示。不同齒數銑刀1～6階固有頻率如表3、4所示。

表3 不同齒數銑刀固有頻率 Hz

表4 切削載荷條件下的銑刀固有頻率 Hz

從圖4中3齒銑刀在0～20 000 Hz范圍內輸出的6階固有頻率以及相對應的模態振型可知，三階、四階和六階振型為強振型，最大振幅出現在刀刃端，銑刀均劇烈扭動呈S型;一階、二階和五階振型為弱振型，各節點的振幅都很小，振動形態比較平緩。

由表3可知，相同齒數下，一階和二階固有頻率很接近，是模態密集區;之后的三階、四階、五階乃至六階固有頻率相差較大;二階和三階固有頻率相差很大，為模態稀疏區;齒數為3齒、4齒和6齒時，其固有頻率的變化趨勢均呈由大到小變化。這說明刀具的齒數越多，刀具的固有頻率就越低，當刀具的固有頻率接近加工系統的激振頻率時，就有可能引起刀具共振、顫振的發生，即多齒銑刀在高速銑削時易發生振動。表4所示為有切削載荷條件下的不同齒數銑刀固有頻率，其數值與無載荷條件下的銑刀固有頻率基本相同。由表中數據可知切削載荷對銑刀固有頻率影響不大。

3 結語

齒數對立銑刀振動的影響較大，隨齒數的增加，其固有頻率降低，越接近加工系統的激振頻率，就越易引起刀具共振、顫振的發生。如3齒銑刀的三階強振型頻率為2 338 Hz，相應的4齒銑刀、6齒銑刀的三階強振型頻率為1 664 Hz，810．4 Hz。相同齒數條件下，銑刀的一階和二階固有頻率很接近，之后的三階～六階固有頻率相差很大。有無切削載荷對銑刀固有頻率影響不大。

［1］宋清華，艾興，萬熠．高速加工系統穩定性預測的關鍵技術研究［J］．制造技術與機床，2008（10）:59－63．

［2］Schulz H．High speed machining － some of the latest developments［J］．Metalworking World 1994（3）:32－36．

［3］Altintas Y，Eynian M，Onozuka H．Identification of dynamatic cutting force coefficients and chatter stability with process damping［J］．Annals of the CIRP，2008，57（1）:371 －374．

［4］石嵐，王成勇，秦哲．高速銑削立銑刀的有限元模態分析［J］．制造技術與機床，2008（7）:102 －105．

［5］KUO Kei－ Lin．Ultrasonic vibrating system design and tool analysis［J］．Trans．Nonferrous Met．Soc．China，2009，19:225 －231．