球头立铣刀

球头立铣刀的三维实体建模与静力、模态分析1.球头立铣刀的简介2.球头立铣刀的三维实体建模3.球头立铣刀的静力分析4.球头立铣刀的模态分析1.球头立铣刀的简介1.1球头立铣刀的特点球头立铣刀属于像其他端面立铣刀、旋转锉等外形复杂的回转面类型的刀具。它在精加工刀具中占有很大的比例，被广泛用于航空、汽车、船舶制造工业与铸造、塑料成型、医疗器材或工艺美术品加工等多种行业。球头立铣刀是点接触式加工，因此所得到的加工表面精度非常高，在自由曲面、模具数控加工中占有重要地位。球头立铣刀的球刃通过铣刀轴心，既能横向进给，又能轴向进给，可以方便地加工复杂曲面和模具内腔型面，它的球刃为S形刃，切削刃上没有尖角部分，不会产生局部集中磨损，耐用度高，洗削的时候比较平稳。1.2球头铣刀的种类球头立铣刀属于模具铣刀，它可分为圆柱形球头立铣刀和圆锥形球头立铣刀两种。圆柱形球头立铣刀由球头与圆柱两部分组成，而锥形球头立铣刀由球头、圆锥与圆柱三部分组成。它们的结构特点是球头上布满切削刃，圆周刃与球头刃圆弧连接，可以作径向和轴向进给。球头立铣刀工作部分用高速钢或硬质合金制造。圆柱球头立铣刀圆锥球头立铣刀2球头铣刀的三维实体建模本文的三维实体建模是在CATIA的零件设计和GSD（创成式曲面设计）里面完成的，其中大部分工作在GSD模块里面完成，所建立的三维实体模型如下图所示3.球头铣刀的静力分析本课题的静力分析和模态分析都是在ANSYSworkbench中进行的，分析中所用的三维实体模型为上面CATIA所建立的模型。通过对球头立铣刀的静力分析，我们可以比较形象的观察出球头铣刀在一定切削力作用下的变形、应力、应变分布情况。通过所得分析结果，可以研究球头铣刀的切削特性，从而进一步研究球头立铣刀在进行铣削加工中采用多大的转速、进给量、背吃刀量，才能既减少刀具的磨损，又能保证加工效率。CVCVCV3.1材料属性的确定由于球头立铣刀切削是要承受摩擦、冲击和振动等作用，所以球头立铣刀材料应具备高的硬度和耐磨性、高的强度和韧性、耐热性、工艺性能和经济性。本分析中，球头立铣刀的材料选用硬质合金(YTl5)，材料的性能指标如表所示。性能指标参数密度(g/cm3)14.7弹性模量(GPa)600泊松比(u)0.333.2.网格划粪将材料属性附加给所导入的模型后进行网格划分，结果如图所示3.3附加载荷及边界条件对球头立铣刀施加约束：Z(轴向)、X（切向）、Y（径向）的位移都为零，而旋转自由度:Mx、MY均为零，MZ是球头立铣刀的旋转方向，是唯一没有固定的约束，但由于转速恒定，所以也可以认为MZ是受约束的，即球头立铣刀的约束条件是全约束。载荷的施加：在铣削过程中，球头铣刀所受到的切削力被平均分配到两个刃上，以均布载荷的形式将平均洗削力施加在球头立铣刀的主切削刃上。如图为加载三向平均洗削力的示意图3.4求解所有前处理工作完成之后，对模型求解，得到球头立铣刀的总体变形，应力，应变图阴影处为未变形前的模型应力图应变图4球头立铣刀的模态分析振动现象是机械机构系统中常见现象，大部分结构系统都不希望有振动现象发生，振动会造成结构疲劳破坏。模态分析用于确定系统中机构或部件的振动特性（固有频率、振型），同时也是其他更详细动力学分析的起点。对模型的前处理和静态分析基本一致，故在此不作详述。材料选择硬质合金，做四阶模态分析，所得结果如下：一阶模态二阶模态三阶模态四阶模态最终输出的球头立铣刀有限元模态分析结果为：如一阶和二阶固有频率很接近，是模态密集区。二阶和三阶固有频率相差很大，为模态稀疏区。参考文献：1金属切削原理与刀具2球头铣刀铣削力建模与有限元分析，贵州大学硕士论文3二刃球头铣刀铣削力建模与有限元研究4硬质合金球头立铣刀，工具技术，2003（12），Vol.33，NO.85球头立铣刀的参数化设计及有限元分析，兰州理工大学硕士论文