淬硬钢模具曲面铣削有限元仿真及试验研究
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ: ｈａｒｄｅｎｅｄ ｓｔｅｅｌ ｍｏｌｄꎻ ｃｕｒｖｅｄ ｍｉｌｌｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓꎻ ＦＥＭ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎꎻ ｍｉｌｌｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓꎻ ｐｒｏｃｅｓｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ
０ 引 言
模具用于制造汽车覆盖件时ꎬ具有结构尺寸大、
表面硬度大、型面特征复杂多样等特点[１ －３] ꎮ 在汽 车覆盖件模具铣削加工过程中ꎬ刀具受到较大的交 变载荷ꎬ时变的切削力会加快刀具刃口的磨损ꎬ进而 会降低刀具的使用寿命ꎬ同时会使加工工件的表面
关键词:淬硬钢模具ꎻ曲面铣削ꎻ有限元仿真ꎻ铣削力ꎻ参数优化 ＤＯＩ:１０. １５９３８ / ｊ. ｊｈｕｓｔ. ２０１８. ０５. ００８ 中图分类号: ＴＧ５０１ 文献标志码: Ａ 文章编号: １００７－ ２６８３(２０１８)０５－ ００４０－ ０６
３Ｄ ＦＥＭ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｆｏｒ Ｍｉｌｌｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ Ｈａｒｄｅｎｅｄ Ｃｕｒｖｅｄ Ｍｏｌｄ
Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎ ｍｉｌｌｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｈａｒｄｎｅｓｓ ｃｕｒｖｅｄ ｍｏｌｄꎬ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｃｏｎｔａｃｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｃｕｔｔｉｎｇ ｔｏｏｌ ａｎｄ ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ ｗｉｌｌ ｃａｕｓｅ ｌａｒｇｅｒ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｃｕｔｔｉｎｇ ｆｏｒｃｅꎬ ｗｈｉｃｈ ｗｉｌｌ ｈａｖｅ ａｎ ａｄｖｅｒｓｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｔｏｏｌ ｌｉｆｅ ａｎｄ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｑｕａｌｉｔｙ������ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｕｃｈ ａｓ ｔｙｐｉｃａｌ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌꎬ ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｃｈｉｐ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｃｒｉｔｅｒｉｏｎꎬ ｔｈｅ ３Ｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｉｌｌｉｎｇ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｄｅｆｏｒｍ￣３Ｄ������ Ｔｈｅ ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ ｏｆ ｍｉｌｌｉｎｇ ｃｕｔｔｅｒ ｗａｓ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｂｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｏｆ ｍｉｌｌｉｎｇ ｃｕｔｔｅｒ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ａｎｄ ｔｉｍｅ������ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓꎬ ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｕｒｖｅｄ ｓｕｒｆａｃｅｓ ｍｉｌｌｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｒｕｌｅ ｏｆ ｍｉｌｌｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍｉｌｌｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ������ Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ������
ＹＵＥ Ｃａｉ￣ｘｕꎬ ＨＡＯ Ｓｈｅｎｇ￣ｙｕꎬ ＨＵＡＮＧ Ｃｕｉꎬ ＷＡＮＧ Ｙａｎ￣ｗｕ
( Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ Ｈａｒｂｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＨａｒｂｉｎ １５００８０ꎬＣｈｉｎａ)
岳彩旭ꎬ 郝胜宇ꎬ 黄 翠ꎬ 王彦武
( 哈尔滨理工大学 机械动力工程学院ꎬ黑龙江 哈尔滨 １５００８０)
摘 要:针对在高硬度曲面模具铣削过程当中ꎬ工件与刀具接触特性的不断变化导致了铣削系 统动态特性的变化ꎬ进而对刀具寿命和加工质量产生不良影响ꎮ 依据典型的摩擦模型、本构模型以 及切屑分离准则等有限元仿真关键技术ꎬ利用有限元仿真软件 Ｄｅｆｏｒｍ￣３Ｄ 建立了曲面铣削的三维 仿真模型ꎮ 仿真模型通过建立刀具位置坐标和时间的表达式实现了刀具运动轨迹准确的控制ꎮ 结 合实验研究结果ꎬ分析了曲面铣削力的变化特性以及在不同铣削条件下的铣削力的变化规律ꎮ 研 究结果表明仿真模型的有效性ꎮ
４１
质量降低[４] ꎮ 为此ꎬ在曲面铣削加工过程中ꎬ有必 要揭示刀具受力的变化特性ꎬ进而通过合理的设置 铣削参数和优化刀具路径的方法来实现铣削力的 控制ꎮ
国内外诸多学者对曲面加工过程展开了深入研 究ꎮ 吉林大学的张忠松博士提出了一种针对球头铣 刀铣削曲面过程进行参数规划的方法ꎬ深入的探讨 了球头铣刀曲面局部可铣的充分条件[５] ꎮ Ｏｚｔｕｒｋ 等 人根据球头铣刀铣削自由曲面的过程ꎬ建立了工件 与刀具啮合区计算的解析模型ꎬ研究结果提高了模 型的运算速度和计算精度[６] ꎮ 清华大学的张智海 把圆弧曲面铣削过程假定为一个动态切削的过程ꎬ 首先对铣刀在沿轴线的方向上进行了铣削力的分段 计算ꎬ然后通过积分得到全部铣削过程中的铣削力ꎬ 进而建立了铣削力的解析模型[７] ꎮ 大连理工大学 魏兆成建立了曲面加工过程中刀具让刀误差预报模 型和铣削力数学模型ꎬ还提出了以让刀变形为补偿 对象的误差补偿的一种方法[８] ꎮ 王敏杰教授等建 立了一种基于微分离散方法ꎬ从而把曲面加工转化 成为斜平面加工的解析模型ꎬ该种方法界定了刀具 工件接触区域[９] ꎮ 雷星等将切削刃离散为切削微 元ꎬ建立斜角切削模型ꎬ将二维正交 Ｏｘｌｅｙ 模型沿用 到斜角模型中计算流动应力及微元切削力ꎬ提高了 运算效率[１０] ꎮ
收稿日期: ２０１６ － １０ － ２３ 基金项目: 国家科技重大专项(５１５７５１４７) ꎻ哈尔滨理工大学青年拔尖创新人才培养计划(２０１５０７) . 作者简介: 郝胜宇(１９９２—) ꎬ男ꎬ硕士研究生ꎻ
黄 翠(１９９１—) ꎬ女ꎬ硕士研究生 ������ 通信作者: 岳彩旭(１９８２—) ꎬ男ꎬ副教授ꎬＥ￣ｍａｉｌ:ｙｕｅｃａｉｘｕ＠ １６３. ｃｏｍ������
第５ 期
岳彩旭等:淬硬钢模具曲面铣削有限元仿真及试验研究
第 ２３ 卷 第 ５ 期
２０１８ 年 １０ 月
哈尔滨理工大学学报
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＨＡＲＢＩＮ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｖｏｌ������ ２３ Ｎｏ������ ５ Ｏｃｔ������பைடு நூலகம்２０１８
淬硬钢模具曲面铣削有限元仿真及试验研究
０ 引 言
模具用于制造汽车覆盖件时ꎬ具有结构尺寸大、
表面硬度大、型面特征复杂多样等特点[１ －３] ꎮ 在汽 车覆盖件模具铣削加工过程中ꎬ刀具受到较大的交 变载荷ꎬ时变的切削力会加快刀具刃口的磨损ꎬ进而 会降低刀具的使用寿命ꎬ同时会使加工工件的表面
关键词:淬硬钢模具ꎻ曲面铣削ꎻ有限元仿真ꎻ铣削力ꎻ参数优化 ＤＯＩ:１０. １５９３８ / ｊ. ｊｈｕｓｔ. ２０１８. ０５. ００８ 中图分类号: ＴＧ５０１ 文献标志码: Ａ 文章编号: １００７－ ２６８３(２０１８)０５－ ００４０－ ０６
３Ｄ ＦＥＭ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｆｏｒ Ｍｉｌｌｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ Ｈａｒｄｅｎｅｄ Ｃｕｒｖｅｄ Ｍｏｌｄ
Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎ ｍｉｌｌｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｈａｒｄｎｅｓｓ ｃｕｒｖｅｄ ｍｏｌｄꎬ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｃｏｎｔａｃｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｃｕｔｔｉｎｇ ｔｏｏｌ ａｎｄ ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ ｗｉｌｌ ｃａｕｓｅ ｌａｒｇｅｒ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｃｕｔｔｉｎｇ ｆｏｒｃｅꎬ ｗｈｉｃｈ ｗｉｌｌ ｈａｖｅ ａｎ ａｄｖｅｒｓｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｔｏｏｌ ｌｉｆｅ ａｎｄ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｑｕａｌｉｔｙ������ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｕｃｈ ａｓ ｔｙｐｉｃａｌ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌꎬ ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｃｈｉｐ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｃｒｉｔｅｒｉｏｎꎬ ｔｈｅ ３Ｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｉｌｌｉｎｇ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｄｅｆｏｒｍ￣３Ｄ������ Ｔｈｅ ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ ｏｆ ｍｉｌｌｉｎｇ ｃｕｔｔｅｒ ｗａｓ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｂｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｏｆ ｍｉｌｌｉｎｇ ｃｕｔｔｅｒ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ａｎｄ ｔｉｍｅ������ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓꎬ ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｕｒｖｅｄ ｓｕｒｆａｃｅｓ ｍｉｌｌｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｒｕｌｅ ｏｆ ｍｉｌｌｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍｉｌｌｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ������ Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ������
ＹＵＥ Ｃａｉ￣ｘｕꎬ ＨＡＯ Ｓｈｅｎｇ￣ｙｕꎬ ＨＵＡＮＧ Ｃｕｉꎬ ＷＡＮＧ Ｙａｎ￣ｗｕ
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岳彩旭ꎬ 郝胜宇ꎬ 黄 翠ꎬ 王彦武
( 哈尔滨理工大学 机械动力工程学院ꎬ黑龙江 哈尔滨 １５００８０)
摘 要:针对在高硬度曲面模具铣削过程当中ꎬ工件与刀具接触特性的不断变化导致了铣削系 统动态特性的变化ꎬ进而对刀具寿命和加工质量产生不良影响ꎮ 依据典型的摩擦模型、本构模型以 及切屑分离准则等有限元仿真关键技术ꎬ利用有限元仿真软件 Ｄｅｆｏｒｍ￣３Ｄ 建立了曲面铣削的三维 仿真模型ꎮ 仿真模型通过建立刀具位置坐标和时间的表达式实现了刀具运动轨迹准确的控制ꎮ 结 合实验研究结果ꎬ分析了曲面铣削力的变化特性以及在不同铣削条件下的铣削力的变化规律ꎮ 研 究结果表明仿真模型的有效性ꎮ
４１
质量降低[４] ꎮ 为此ꎬ在曲面铣削加工过程中ꎬ有必 要揭示刀具受力的变化特性ꎬ进而通过合理的设置 铣削参数和优化刀具路径的方法来实现铣削力的 控制ꎮ
国内外诸多学者对曲面加工过程展开了深入研 究ꎮ 吉林大学的张忠松博士提出了一种针对球头铣 刀铣削曲面过程进行参数规划的方法ꎬ深入的探讨 了球头铣刀曲面局部可铣的充分条件[５] ꎮ Ｏｚｔｕｒｋ 等 人根据球头铣刀铣削自由曲面的过程ꎬ建立了工件 与刀具啮合区计算的解析模型ꎬ研究结果提高了模 型的运算速度和计算精度[６] ꎮ 清华大学的张智海 把圆弧曲面铣削过程假定为一个动态切削的过程ꎬ 首先对铣刀在沿轴线的方向上进行了铣削力的分段 计算ꎬ然后通过积分得到全部铣削过程中的铣削力ꎬ 进而建立了铣削力的解析模型[７] ꎮ 大连理工大学 魏兆成建立了曲面加工过程中刀具让刀误差预报模 型和铣削力数学模型ꎬ还提出了以让刀变形为补偿 对象的误差补偿的一种方法[８] ꎮ 王敏杰教授等建 立了一种基于微分离散方法ꎬ从而把曲面加工转化 成为斜平面加工的解析模型ꎬ该种方法界定了刀具 工件接触区域[９] ꎮ 雷星等将切削刃离散为切削微 元ꎬ建立斜角切削模型ꎬ将二维正交 Ｏｘｌｅｙ 模型沿用 到斜角模型中计算流动应力及微元切削力ꎬ提高了 运算效率[１０] ꎮ
收稿日期: ２０１６ － １０ － ２３ 基金项目: 国家科技重大专项(５１５７５１４７) ꎻ哈尔滨理工大学青年拔尖创新人才培养计划(２０１５０７) . 作者简介: 郝胜宇(１９９２—) ꎬ男ꎬ硕士研究生ꎻ
黄 翠(１９９１—) ꎬ女ꎬ硕士研究生 ������ 通信作者: 岳彩旭(１９８２—) ꎬ男ꎬ副教授ꎬＥ￣ｍａｉｌ:ｙｕｅｃａｉｘｕ＠ １６３. ｃｏｍ������
第５ 期
岳彩旭等:淬硬钢模具曲面铣削有限元仿真及试验研究
第 ２３ 卷 第 ５ 期
２０１８ 年 １０ 月
哈尔滨理工大学学报
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＨＡＲＢＩＮ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｖｏｌ������ ２３ Ｎｏ������ ５ Ｏｃｔ������பைடு நூலகம்２０１８
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