切削用量和鈍圓半徑對銑削45號鋼的溫度研究

切削用量和鈍圓半徑對銑削45號鋼的溫度研究*

折小榮1，蘇明2，令狐克均3

(1. 貴州省標準化院,貴州貴陽550003；2. 貴州師范大學機械與控制仿真重點實驗室，貴州貴陽550014；3. 貴州大學機械工程學院，貴州貴陽550025)

摘要：在銑削加工過程中，刀具溫度的變化情況對刀具的性能和壽命有重要的影響。本論文運用有限元分析軟件AdvantEdge FEM分析了切削用量和鈍圓半徑對銑削45號鋼材料時刀具的溫度變化情況。得到切削用量和鈍圓半徑對切削溫度的影響規律，為銑削加工45號鋼材料時銑刀刃口鈍圓半徑的設計提供依據。

關鍵詞：銑削加工AdvantEdge FEM切削用量鈍圓半徑切削溫度

中圖分類號：TG501文獻標識碼：A

基金項目：黔科合人才團隊( [2014]4013號)、貴州省教育廳工程研究中心( [2014]223)。

作者簡介：折小榮(1963-)，男，山西太原人，高級工程師，主要從事機電產品檢測及標準化工作。

收稿日期：2015-05-21

Influence of cutting parameters and rounded edge radius on milling temperature of 45 steel

ZHE Xiaorong，SU Ming，LINGHU Kejun

Abstract:In the milling process, the temperature change has significant influence on the performance and life of the tool. In this paper, the finite element analysis software AdvantEdge FEM is employed to analyze how the cutting parameters and rounded edge radius influence the temperature of the tool when milling 45 steel. The law of cutting temperature is discovered, which provides a basis for future design of cutting edge radius.

Keywords:milling；AdvantEdge FEM；cutting parameters；rounded edge radius；cutting temperature

0引言

隨著加工要求的不斷提高，對金屬切削刀具的切削速度、加工精度、加工穩定性以及使用壽命等技術指標提出了更新和更高的要求[1]。在切削加工中，刀具是非常重要的加工工具之一[2]。提高刀具的切削加工性能和使用壽命，對提高產品的加工質量和降低生產成本具有很高的實際生產應用價值[3]。據統計，雖然刀具費用在制造成本中約占到2.4%~4%左右，但卻直接影響在制造成本中占20%的機床費用和占38%的人工費用[4]。刀具的切削刃在切削加工中負擔主要切削工作，但由于刀具的切削刃具有強度較低、散熱條件差等結構特點，使刀具的耐用度受到限制[5]。

在切削加工過程中，切削溫度影響刀具前刀面上的摩擦系數、積屑瘤的形成和消退、刀具的磨損以及工件材料的性能、工件加工精度和已加工表面質量等[6]。因此研究鈍圓半徑和切削用量對切削溫度的影響對提高加工質量和刀具壽命很有意義[7]。

本文以銑削材料為45號鋼時刀具切削刃刃口鈍圓半徑為研究對象，通過AdvantEdge 3D有限元仿真分析，以最低切削溫度為優化指標，對銑削45號鋼刀具的刃口鈍圓半徑進行優化；并通過對切削溫度的分析，研究了不同鈍圓半徑對銑削45號鋼加工過程的影響，為銑削45號鋼時銑刀刃口鈍圓半徑的設計提供依據。

1立銑刀三維模型

本論文采用三維軟件SolidWorks建立不同鈍圓半徑的立銑刀，立銑刀的前角為12°，后角為22°，切削刃寬度為1.6 mm，在AdvantEdge FEM5.5 3D軟件中刀具材料選硬質合金，工件材料為45號鋼，初始溫度設置為20℃，刀具轉動角度為90°，銑削加工參數如表1所示，模擬立銑刀逆銑的銑削過程，銑削加工分析模型如圖1所示。

表1

實驗因素水平表

圖1　銑削模型

2實驗方案確定

采用正交實驗法科學合理地安排實驗，在遵循“均衡搭配”原則的基礎上通過盡可能少的實驗次數，得出較優的實驗方案，運用方差分析法對實驗結果進行分析，得出銑削加工的可行性加工參數[8]。切削用量的定制，對加工生產率、加工成本和加工質量均有重要影響。主要切削參數：主軸轉速，每齒進給量，軸向切深，徑向切深，鈍圓半徑。每個因素選取四個水平，參考相關資料和現有設備的條件，選取得因素水平值如表1所示。正交試驗表和仿真結果如表2所示。

表2

實驗因素水平表

K1：491.493516.835527.693561.839748.346

K2：526.677553.200637.529501.295468.037

K3：514.372636.483529.160497.768524.709

K4：681.845507.868520.004653.494473.294

極差

R：190.352128.615117.524155.726280.309

因素主次E>A>D>B>C

A因素K4>K2>K3>K1

B因素K3>K2>K1>K4

C因素K2>K3>K1>K4

D因素K4>K1>K2>K3

E因素K1>K3>K4>K2

優化方案： A4B3C2D4E1

3仿真結果分析

通過仿真軟件的分析，獲得了刀具溫度變化情況，為了更直觀的分析鈍圓半徑和切削用量對切削溫度的影響，依據極差分析將給影響參數的影響規律曲線擬合。

(1)主軸轉速對溫度的影響規律

從圖2可以看出，銑削溫度隨著轉速的增大而增大。隨著轉速的增大，單位時間內金屬切削量也增加，切屑帶走的熱量增大，故溫度增加。

圖2　主軸轉速對銑削溫度的影響規律

(2)進給量對銑削溫度的影響規律

由圖3可以看出，隨著進給量增加，導致單位時間內金屬切削量成比例增加，溫度增加。此外隨著進給量增加變形系數減小，單位體積切削量的切削功下降，由切削所帶走的剪切熱和摩擦個熱增多，所以溫度呈下降趨勢。

圖3　每齒進給量對銑削溫度的影響規律

(3)軸向切深對銑削溫度影響規律

由圖4可以看出初始階段隨著軸向切深的增加，切削面積增大，導致切削溫度增大；但是隨著軸向切深的進一步增加，刀具與工件的接觸面積增大，工件和切屑帶走的熱量也增大，因此切削溫度有下降趨勢。

圖4　軸向切深對銑削溫度影響規律

(4)徑向切深對銑削溫度影響規律

由圖5可以看出隨著徑向切深的增加，切削面積增大，切削功率增大，切削溫度增加。

圖5　徑向切深對銑削溫度影響規律

(5)鈍圓半徑對銑削溫度的影響規律

從圖6可以看出，隨著鈍圓半徑增加，刀具-切屑、刀具-工件接觸面積也增大，相應的熱對流面積增大，刀具傳出的熱量增大，因此切削溫度降低。但是隨著鈍圓半徑增加等效負前角增加，所以溫度又有增加的趨勢。

圖6　鈍圓半徑對銑削溫度影響規律

4結論

本論文運用AdvantEdge FEM仿真分析了硬質合金刀具銑削45號鋼時，切削用量和鈍圓半徑對銑削溫度的影響規律進行分析，得到以下結論：

1)隨著主軸轉速的逐漸增加，銑削溫度增加。

2)隨著每齒進給量的增加，銑削溫度有一定程度的增加，但是隨著每齒進給量增加變形系數減小，單位體積切削量的切削功下降，切削所帶走的剪切熱和摩擦熱增多，所以溫度有下降的趨勢。

3)隨著軸向切深和徑向切深的增加，銑削溫度有一定的增加。

4)當刀具刃口鈍圓半徑為0.02 mm時，銑削溫度達到最小值。

參考文獻

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[2]王曉琴.鈦合金Ti6Al4V高效切削刀具摩擦磨損特性及刀具壽命研究 [D].山東大學博士論文，2009

[3]鄒浩波.高速切削加工表面粗糙度的研究 [D].昆明理工大學碩士學位論文.2006

[4]賈秀杰. 刀具鈍化對切削力及表面粗糙度的影響 [J].計算機集成制造系統，2011，17(7)：1431-1434

[5]桂育鵬,于啟勛.刀具刃口鈍化技術的探討 [J].機械工人冷加工.2004，6：43-44

[6]任庚.事半工倍的新工藝刀具鈍化 [J].金屬加工，2009,8:55-56

[7]汪浩. 硬質合金刀具刃口鈍化方法的研究 [D].寧波大學碩士學位論文，2011

[8]劉月萍.銑削Ti6Al4V刀具刃口鈍化研究 [D].山東大學碩士學位論文，2010

蘇明(1962-)，男，福建浦城人，教授/研究員，博士，主要從事機電傳動與控制的科研教學工作。