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模具制造業(yè)中，高速加工代替電加工成為發(fā)展趨勢(shì)。模具型腔精加工的典型工藝為：毛坯粗加工→半精加工→熱處理→精加工(高速或超高速銑削)。在精加工工序中常利用小直徑銑刀在高速下進(jìn)行清角和微細(xì)結(jié)構(gòu)加工(小直徑刀具若在低轉(zhuǎn)速下工作，將會(huì)使刀具崩刃或斷裂)，小直徑銑刀受力容易變形，導(dǎo)致加工精度缺失。因此，對(duì)小直徑銑刀的銑削力應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行有限元分析很有必要。
圓周銑削加工的幾何關(guān)系見(jiàn)圖，在此不考慮銑刀漸進(jìn)磨損過(guò)程，瞬時(shí)動(dòng)態(tài)銑削力可分解為瞬時(shí)圓周銑削力dFti(切向力)和瞬時(shí)垂直切削力dFri(徑向力)，考慮到瞬時(shí)切屑厚度及刀具有效前角對(duì)動(dòng)態(tài)銑削力的影響，圓周銑加工有不同的加工方式，即順銑和逆銑。順銑和逆銑加工時(shí)每個(gè)切削刃的總切削力在x、y向的分量。
根據(jù)銑刀制造的原理，選擇去除材料的方法來(lái)完成銑刀模型的建立。銑刀是中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，本研究的銑刀齒數(shù)為3，所以取銑刀的1/3進(jìn)行建模，然后，利用特征命令完成整個(gè)模型的建立。
銑削力試驗(yàn)采用Kistler(9257B)三向動(dòng)態(tài)測(cè)力儀、電荷放大器(5017B)和A/D轉(zhuǎn)換卡，測(cè)量高速切削時(shí)不同切削條件(不同的切削速度、切削深度、進(jìn)給量)的切削力，該試驗(yàn)所獲得的切削力還可確定FEM所需的受力邊界條件，為應(yīng)力場(chǎng)有限元分析建立邊界條件作好準(zhǔn)備。
實(shí)體建模完成后，必須對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖。然后施加邊界條件，由銑削力試驗(yàn)可得Fx=546N，F(xiàn)y=532N，F(xiàn)z=472N，將其施加到立銑刀前刀面上即可進(jìn)行有限元分析。
計(jì)算機(jī)輔助解算后，經(jīng)后處理得到立銑刀切削時(shí)的三維應(yīng)力場(chǎng)分布，結(jié)果見(jiàn)圖。從圖可明顯看出，立銑刀的應(yīng)力主要分布在銑刀懸臂處及刀刃處。
利用UG建立了小直徑立銑刀實(shí)體模型，根據(jù)切削力實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出了邊界條件，在立銑刀有限元模型上加載，然后利用有限元分析模塊對(duì)立銑刀在切削過(guò)程中的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了分析研究。立銑刀的瞬時(shí)應(yīng)力場(chǎng)云圖顯示了切入、切出及切削中應(yīng)力變化規(guī)律、應(yīng)力峰值及其峰值區(qū)域，為優(yōu)化切削用量各參數(shù)與銑削力之間的關(guān)系及小直徑刀具高速加工復(fù)雜型腔模具時(shí)加工精度的提高奠定了基礎(chǔ)。
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