高速面銑刀模態參數及其對切削性能影響分析

莫玉梅

摘 要：模態分析高速面銑刀，得到面銑刀模態參數，高速面銑刀的動態特性與其切削構建起來，確保面銑刀銑削良好的穩定性，提升工件表面質量，這是研究的主要內容。分析了ABAQUS模態分析功能及其模態分析過程、得出有限元模態分析結果，并進行討論。

關鍵詞：面銑刀；模態參數；切削性能；影響

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.03.008

在國內外研究文獻基礎上，吸收高速面統刀在洗削安全穩定性和工件表面質量等方面的優勢，針對研究存在的缺陷，確定了最終研究目的，也就是本次課題研究的產生及主要內容等。針對高速面銑刀模態參數及其對切削性能影響，從三個方面進行論述：ABAQUS模態分析功能、面銑刀有限元模態分析過程、有限元模態分析結果與討論。

1 ABAQUS模態分析功能

1.1 ABAQUS的選擇依據

高速面銑刀的構成包括刀體、刀片螺釘與楔塊等。所以，將面銑刀用作裝配體進行處置，與實際情況保持接近。一般ABAQUS與ANSYS是較為常用的模態分析功能的有限元軟件，上述兩種軟件均能解決常規線性問題，模型規模限制與計算時間等比較靠近，而ABAQUS具有較強的結構力學分析能力，接觸建模功迎合了銑刀模態分析的需求，得出的模態參數較為準確，獲得面銑刀有限元模型比較精確，基于此，進行應力及振動響應的分析，獲得的結論更加客觀。

1.2 ABAQUS的相關模塊功能

ABAQUS的功能模塊較多，和面銑刀模態分析有關的包括三個功能模塊，分別為STANDARD、CAE、EXPLICIT。ABAQUS/CAE用戶界面模塊的圖形環境相互交互，被應用于建模與分析中，可產生待分析的模型，分解模型結構網格，材料屬性與載荷等被設置后，接著監視等，將分析結果可視化呈現。由于高速面統刀的結構比較復雜，可以先在Pro/E、UG等三維造型軟件中繪制三維實體模型，再導入ABAQUS/CAE，進行網格劃分，使得高速面銑刀的有限元等效模型盡可能地接近其真實結構，提高有限元模態分析的準確程度。ABAQUS求解器中ABAQUS/EXPLICIT模塊僅用作暫時事件的模擬中；ABAQUS求解器中的BAQUS/STANDARD是一個常用的分析模塊，可解決寬廣領域中線性問題與非線性問題。

2 面銑刀有限元模態的分析過程

2.1 銑刀的材料選用

高速切削刀具為高速切削技術提供了基礎保障。在有限元模型構建構成中，將結構材料屬性值輸入其中，在面銑刀中，刀體具有較大的尺寸，其材料屬性值很大程上影響整體面銑刀的動態度特性與靜態特性。結合銑刀工作穩定性與安全性等，高速切削的面銑刀刀體選用材質要具有較大的強度；刀體表面確保一定的硬度與耐磨性，以防被切屑劃傷，鋼質材料刀體一般使用45#鋼、合金工具鋼。表面處理技術與材料科學不斷進步，復核材料性能出眾，可用作高低速面銑刀體材料，相比鈦合金更加出眾，完善刀具結構參數，加速復合材料切削，提高加工質量，而鈦合金對切口裂紋具有敏感性，只在特殊情況下使用[1]。

2.2 模型檢查與接觸面定義

PRO/E構建起來的幾何模型，植入Abaqus/CAE，為確保裝配體模型的幾何協調拓撲，需開展各項模型檢測。先定義接觸對，才能解決在Abaqus/Standard處置面銑刀裝配體接觸中的問題，以“主/從”公式進行細致計算，確保屬于表面的節點被阻擋在主控表面外，通常接觸方向為主面法向，順著主面法向，對接觸狀態進行檢查，促使法向接觸力，借助法向，實現傳遞，借助接觸面的切向，摩擦力得以傳遞[2]。

2.3 模型網格的劃分

定義單元類型與材料屬性等，單元類型的設置對模型能否劃分產生影響，對單元形狀，自由網格沒有限制，也缺少專門的準則；設置網格需要的參數，設置網格所需參數對網絡形狀及大小產生很大影響，網格細密會使用計算結構更為精確，而網格太細將擠占過多分析時間，在復雜結構中，過細的網格會產生各種網絡連接困難，通過上述兩點，為確保高速洗刀良好的有限元分析精度及加速分析，將自由網格法應用于面銑刀裝配體模型中，實現對網絡的劃分。

3 有限元模態分析的結果與討論

3.1 刀體材料影響振型

對40CrMo刀體材料六齒刀，僅有第一階段為繞面銑到Z軸變形，其余階段除了這種變形外，還包含了沿著刀具徑向的彎曲。通常銑刀幾何結構都是一些對稱結構，從理論上看，會出現變形，從每一階段出現的固有頻率看，二三階段的固有頻率非常接近，四五階段的固有頻率較為接近，從中可看出，幾何對象具有對稱特性。二階振型的彎曲繞著Y軸，在負Y軸方向上產生彎曲變形，三階段震型繞著X軸與Y軸正方向的象限平分線方向出現彎曲變形，二三階段振型彎曲變形盡管方向不同，而彎曲變形相似，四階段順著X、Y軸正方向的象限平分線產生彎曲變形，五階段順著X軸正方向與Y軸負方向象限平分線產生彎曲變形，四、五階段具有相似的振型，然而方向并不相同，六階段順著Y軸正方向與Z軸正方向的象限平分線出現彎曲變形。

3.2 刀齒密度影響固有頻率

面銑刀刀體直徑與高度等全部呈現標準化，其中，刀齒密度、刀齒分布等是最主要的可變因素，刀齒密度變化影響銑刀質量、容屑槽形狀與體積。這需要重點研究刀齒密度對面銑刀固有頻率構成的影響，每齒進給量不變條件下，通過刀齒密度的增加，使每轉進給量增加，以加速生產。刀齒密度增大時，切削齒數隨之增多，銑削力變大時，削弱了統削穩定性；相對而言，容屑把縮小了空間，適合銑削短切屑材料工件，對要求較大寬加工面及較大統削余量的長切肩材料，并不適用。相反，齒面洗刀拓寬容屑槽空間，可適用于粗、精銑、長切屑的工件。

4 結束語

在分析高速面銑刀模態參數對切削性能影響方面，文中僅從上述幾個層面進行闡述，以期從局部對整體研究進行分析，因為篇幅限制，研究難免存有不足之處，后續研究還需深入與充分，促使相關研究趨于成熟。

參考文獻：

[1]李曉峰，李研，霍琰，張詠梅.加工復合材料銑刀的研制[J].裝備制造技術，2011（04）：162-164.

[2]劉魯寧.高速面銑刀模態參數及其對切削性能影響研究[D].山東大學，2013.