立铣刀三维建模及有限元分析
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
机械制造系统其中就包括，生产系统、制造系统、工艺系统等这三 个系统，而工艺系统中，刀具夹具车床就可以组成一个相对的单一独立 系统。当在进行机械加工时，切削加工是一种的得到加工精度高，加工 效率高，产品生产周期缩小。尺寸要素精确，形状标准的机械零件常使 用的加工方法。在数控铣床中，立铣刀作为主要的一种切削工具，一般 采用硬度高、强度高、刚度高的材料，可以保证切削的精确性和道具轨
切削工件的主要接触部分，也是立铣刀的主要工作部分。在建立三维模 型主要步骤如下： （1) 在拉伸的圆柱体上画出刀刃轮廓曲线，选中轮廓拉伸切除 （2) 画刀刃连接部分的颈部，在轮廓线上进行扫描切除 （3) 对刀刃轮廓执行扭曲命令 （4) 在刀刃端部画出轮廓线再扫描切除，最后进行圆柱拉伸，柄部生 成 （5) 在柄部两面进行切除-拉伸，整个刀具模型建立完成
迹的稳定。 立铣刀是车辆工程、航空航空、模具制造等这些制造行业中必不可
少的一种切削刀具。随着现代社会发展与科技文化进步，对生成成品的 精度和加工的高效性的要求不断提高，发明家设计了不同类别的立铣刀 对原材料进行加工，在本文中我将要研究的是铣刀中的平头铣刀。平头 铣刀它的刃部受力大，且主刃是进行切削圆周运动轴向方向受力随之较 大。因铣削运动是机械制造中常见研究类型，但是仅根据其应力应变建 模难度较大，故铣削运动的研究是为寻求更高效更为精准的材料加工的 一个研究方向。工件材料、切削速度、切削厚度在实际加工过程中会切 削力造成影响，从而引发切削变形加大。工件材料强度系数高，切削过 程的摩擦系数较小。而材料塑性相对较大，在切削过程中应力越大变形 越大。切削速度越高，在没有积屑瘤情况下，切削力越小，变形系数降 低，反之升高。切削厚度增加，切削角度增大，摩擦系数会减小，切削 力减小，变形变小。切削力在铣削运动中对多方面条件性能都有重大影 响。如，切削力大，则主切削刃受力大，导致道具磨损越大，从而引起 道具寿命的大大剪短。最终在铣削加工过程中加大了加工成本，降低了 生产时的安全性。故研究立铣刀切削力因素影响成为工业生产中一个必 要过程，将立铣刀的三维建模作为研究基础从而展开设计分析，这将对 人类工业进步具有重大意义与探索价值。
龙岩学院 毕业论文（设计）
题目： 立铣刀三维建模及有限元 分析
专业： 机械设计制造及其自动 化
作者： 欧阳巧云
指导教师(职称)：
翁剑成 讲师
二0 一 五年六月一日
摘要
本文以立铣刀的三维建模为基础，建立了一个适用于立铣刀铣削的 立体模型，通过切削力指数经验公式研究影响主切削力因素，以此作为 有限元研究基础。应用有限元的分析软件，研究在不同条件铣削作用下 (背吃刀量、每齿进给量、主轴转速、悬伸长度等）立铣刀的应力应变 情况。
图2.1 立铣刀三维实体模型
三 立铣刀的有限元分析
3.1 立铣刀模型材料属性的确定
由于立铣刀在切削中会由于道具与工件的相对运动产生的摩擦力、 冲击力、振动等，所以立铣刀材料一般选取硬度较高、耐热性能好、强 度和硬度较高、工艺性能好不易的材料，与此同时我们还应该考虑生产 实际的实用性与经济性。
在本文立铣刀有限元分析中的材料选取硬质合金钨钴（YG6），材料
二 立铣刀的三维建模
2.1 立铣刀几何参数
通过查找［机械设计手册］，确定立铣刀几何参数如下表2.1： 表2.1立铣刀基本几何参数
刃径 柄部规 刃长
（D） 格
（L）
总长
刃数 （Z)
倒角 （C）
刀柄倒 刀柄槽 刀柄槽
角
长
宽
20
MW3
6
120
4
1.5
20
13.22
2.2 立铣刀建模
主要三维建模方法有三种，分别是线框建模、曲面建模、实体建 模。而现国际上三维实体建模方法很多，常见的模式有：边界表示法 (BR,Bred）、构造立体几何法（CSG）、混合模式（Hybrid Model)、空 间单元表示法、半空间法。此文中我们需要建立的立铣刀模型则是需要 实体建模。立铣刀的结构主要由柄部、颈部、刃部三部分组成，刃部是
关键词：立铣刀 主切削力 背吃刀量 进给量 切削速度
Abstract
In this article, it based on the 3 D modeling of end milling cutter that established a three-dimensional model is suitable for vertical milling cutter milling. By cutting force index empirical formula research the factors affecting the main cutting force, while it as a finite element research foundation. Bying Finite element analysis software that we researched stress strain of the vertical milling cutter under different conditions of milling, turning back, each tooth feeding, spindle speed, overhanging length, etc.
Windmill real 3 D model is established, the finite element analysis conclusions show that other milling conditions remain unchanged, turning back. There is greater tvertical stress, strain and displacement of the milling cutter is increased at the same time.And the three growth and growth trend is almost the same but different. The growth in multiples of four times.The
故网格的划分直接影响了有限元分析的结果，我们为综合合理的利 用资源应采用经济合适的网格划分。Solid-works Simulation提供了四 种不同网格的类别划分，分为一阶四面体单元、一阶三角形壳单元、二 阶四面体单元、二阶三角形壳单元 通过Solid-works软件，从建立立 铣刀三维几何模型，材料属性、单元类型确定之后，即可以对立铣刀划 分有限元网格。生成的有线网格，可以产生节点编号坐标和单元拓扑关 系。网格的疏密程度根据分析需要控制调整。网格实际划分分为三步： 评估几何模型、处理边界、创建网格。实际应用中，我们在Solidworks中只要在网格密度（粗糙-良好）中拉取选择就可以选择合适的网 格密度。生成的网格最后得到的数据为，有5456单元，8133节点数。
机械从微观上讲，是人类在长期生产与实践中创造出来的方便快捷 容易快速的被人们在生活中利用并使用的技术装置；从宏观上讲，一个 国家与社会的发展和国防力量重要标志与先进的里程碑。而据统计，在 机械制造业中的切削工艺在如今高速发展的社会中占有越来越重要的地 位，特别是在面对如今人们追求的更复杂精确的机器时，需要更为高效 率的切削方式来进行零部件小型简易成品加工。在早期18世纪中叶时蒸 汽机的使用，就产生了第一次工业革命。而在进入20世纪初期时，机械 制造业就在世界开启了运动狂潮，随着莱特兄弟第一架飞机和费希尔发 明的洗衣机等的制造成功，就预示着机械在我们日常生活中占有不可被 取代的地位，并标志着社会的进步与人民文明生活程度提高。伴随着机 械业的快速蓬勃发展，我们在现实生活追求更高效率，更低能源，更安 全的机械品质，各个国家都凝聚大量的财力物力来发展机械行业，希望 自己国家成为世界机械行业的领头军。如今，机械的发展程度为国家的 工业技术水平高低的一个重要衡量标准，也是国家的工业技术发展的一 个重要表现，因此，对于我们现代学习机械或从事机械行业，学习和掌 握研究机械中的优化是极为必需和有意义的。
3.4.1背吃刀量对立铣刀应力应变位移的影响 8 3.4.2每齿进给量对立铣刀应力应变位移的影响 9 3.4.3切削速度对立铣刀应力应变位移场的影响 10 结论 12 致谢语 12 参考文献 12
绪论
立铣刀主要用于数控机床中立式铣床上加工阶台面、凹槽、沟槽， 也能利用加工铣削精确一些成形表面。立铣刀主要是圆周运动进行铣削 切削，铣刀端面与工件接触应力较少，一般情况下我们都是让铣刀做横 向铣削运动进行工作。立铣刀在铣削时直接工作没有空程，铣削时速度 相对较高，所以立铣刀一种效率高切削速度快的机床道具。在切削如不 锈钢、锻钢等难度系数较高的加工材料时，为了合理利用有限元方法有 效分析立铣刀的刃部静态应力应变和变形，则要通过建立较为精准的三 维模型。立铣刀的规格种类繁多，切削刀刃结构复杂，切削也是多方 位，故在论文中只确定一种立铣刀规格尺寸在中建立三维模型，再而生 成立铣刀工程图，通过替换柄部或其他零部件的方式自动生成目标模型 图纸。这样可以节省设计制图繁琐步骤，更高效率的分析立铣刀的参数 变化，提高产品质量，降低成本，得出更有效的研究分析结果。
建立立铣刀真实三维模型，进行有限元分析得出结论表明，其他铣 削条件保持不变时，背吃刀量越大，立铣刀的应力、应变、位移都同时 增大，而且三者增长幅度和增长趋势几乎相同但幅度不同，增长倍数为 四倍，；当每齿进给量增加时，立铣刀应力、应变、位移都同时增大， 但是二者的增长幅度也是几乎相同但幅度不同，增长倍数为2.3倍；切 削速度越大，立铣刀应力、应变、位移会越小，三者的增长趋势相同但 是幅度不同，减小速度为0.78。由此可得出结论，背吃刀量的变化对主 切削力影响最大。
vertical milling cutter stress is growth, strain and displacement is increasing at the same time when each tooth feed increases. But, the increase is almost the same but different, multiple of 2.3 times.with the Cutting speed is increase , the stress strain and displacement will be smaller ,meanwhile, the trend of the same but different amplitude.The speed of decrease is 0.78. Thus come to the conclusion that the quantity of turning the biggest influence on the main cutting force.
Keywords:Vertical milling cutter The main cutting force Turning back
Cutting speed
目录
1 绪论 3 2 立铣刀的三维建模 4
2.1 立铣刀几何参数 4 2.2 立铣刀建模 4 3 立铣刀的有限元分析 5 3.1 立铣刀模型材料属性的确定 5 3.2立铣刀模型的网格划分 5 3.3 铣刀条件约束 6 3.4 铣刀有限元分析步骤 7
性能指标如下表3.1所示：
表3.1材料属性
弹ห้องสมุดไป่ตู้模量
210
Mpa
泊松比
0.28
质量密度
7.6
g/cm^3
屈服力
235
Mpa
3.2立铣刀模型的网格划分
有限元网格划分是进行有限元分析中非常重要的一个环节。由于有 限元分析的本质是将连续离散复杂的数学问题转变为相对简单的有限单 元分析方法。而网格的合理划分也是进行进行精准有限元分析的前提。 网格划分的越精细，分析数据将会越准确，但同时数据冗余处理速度变 慢。。
切削工件的主要接触部分，也是立铣刀的主要工作部分。在建立三维模 型主要步骤如下： （1) 在拉伸的圆柱体上画出刀刃轮廓曲线，选中轮廓拉伸切除 （2) 画刀刃连接部分的颈部，在轮廓线上进行扫描切除 （3) 对刀刃轮廓执行扭曲命令 （4) 在刀刃端部画出轮廓线再扫描切除，最后进行圆柱拉伸，柄部生 成 （5) 在柄部两面进行切除-拉伸，整个刀具模型建立完成
迹的稳定。 立铣刀是车辆工程、航空航空、模具制造等这些制造行业中必不可
少的一种切削刀具。随着现代社会发展与科技文化进步，对生成成品的 精度和加工的高效性的要求不断提高，发明家设计了不同类别的立铣刀 对原材料进行加工，在本文中我将要研究的是铣刀中的平头铣刀。平头 铣刀它的刃部受力大，且主刃是进行切削圆周运动轴向方向受力随之较 大。因铣削运动是机械制造中常见研究类型，但是仅根据其应力应变建 模难度较大，故铣削运动的研究是为寻求更高效更为精准的材料加工的 一个研究方向。工件材料、切削速度、切削厚度在实际加工过程中会切 削力造成影响，从而引发切削变形加大。工件材料强度系数高，切削过 程的摩擦系数较小。而材料塑性相对较大，在切削过程中应力越大变形 越大。切削速度越高，在没有积屑瘤情况下，切削力越小，变形系数降 低，反之升高。切削厚度增加，切削角度增大，摩擦系数会减小，切削 力减小，变形变小。切削力在铣削运动中对多方面条件性能都有重大影 响。如，切削力大，则主切削刃受力大，导致道具磨损越大，从而引起 道具寿命的大大剪短。最终在铣削加工过程中加大了加工成本，降低了 生产时的安全性。故研究立铣刀切削力因素影响成为工业生产中一个必 要过程，将立铣刀的三维建模作为研究基础从而展开设计分析，这将对 人类工业进步具有重大意义与探索价值。
龙岩学院 毕业论文（设计）
题目： 立铣刀三维建模及有限元 分析
专业： 机械设计制造及其自动 化
作者： 欧阳巧云
指导教师(职称)：
翁剑成 讲师
二0 一 五年六月一日
摘要
本文以立铣刀的三维建模为基础，建立了一个适用于立铣刀铣削的 立体模型，通过切削力指数经验公式研究影响主切削力因素，以此作为 有限元研究基础。应用有限元的分析软件，研究在不同条件铣削作用下 (背吃刀量、每齿进给量、主轴转速、悬伸长度等）立铣刀的应力应变 情况。
图2.1 立铣刀三维实体模型
三 立铣刀的有限元分析
3.1 立铣刀模型材料属性的确定
由于立铣刀在切削中会由于道具与工件的相对运动产生的摩擦力、 冲击力、振动等，所以立铣刀材料一般选取硬度较高、耐热性能好、强 度和硬度较高、工艺性能好不易的材料，与此同时我们还应该考虑生产 实际的实用性与经济性。
在本文立铣刀有限元分析中的材料选取硬质合金钨钴（YG6），材料
二 立铣刀的三维建模
2.1 立铣刀几何参数
通过查找［机械设计手册］，确定立铣刀几何参数如下表2.1： 表2.1立铣刀基本几何参数
刃径 柄部规 刃长
（D） 格
（L）
总长
刃数 （Z)
倒角 （C）
刀柄倒 刀柄槽 刀柄槽
角
长
宽
20
MW3
6
120
4
1.5
20
13.22
2.2 立铣刀建模
主要三维建模方法有三种，分别是线框建模、曲面建模、实体建 模。而现国际上三维实体建模方法很多，常见的模式有：边界表示法 (BR,Bred）、构造立体几何法（CSG）、混合模式（Hybrid Model)、空 间单元表示法、半空间法。此文中我们需要建立的立铣刀模型则是需要 实体建模。立铣刀的结构主要由柄部、颈部、刃部三部分组成，刃部是
关键词：立铣刀 主切削力 背吃刀量 进给量 切削速度
Abstract
In this article, it based on the 3 D modeling of end milling cutter that established a three-dimensional model is suitable for vertical milling cutter milling. By cutting force index empirical formula research the factors affecting the main cutting force, while it as a finite element research foundation. Bying Finite element analysis software that we researched stress strain of the vertical milling cutter under different conditions of milling, turning back, each tooth feeding, spindle speed, overhanging length, etc.
Windmill real 3 D model is established, the finite element analysis conclusions show that other milling conditions remain unchanged, turning back. There is greater tvertical stress, strain and displacement of the milling cutter is increased at the same time.And the three growth and growth trend is almost the same but different. The growth in multiples of four times.The
故网格的划分直接影响了有限元分析的结果，我们为综合合理的利 用资源应采用经济合适的网格划分。Solid-works Simulation提供了四 种不同网格的类别划分，分为一阶四面体单元、一阶三角形壳单元、二 阶四面体单元、二阶三角形壳单元 通过Solid-works软件，从建立立 铣刀三维几何模型，材料属性、单元类型确定之后，即可以对立铣刀划 分有限元网格。生成的有线网格，可以产生节点编号坐标和单元拓扑关 系。网格的疏密程度根据分析需要控制调整。网格实际划分分为三步： 评估几何模型、处理边界、创建网格。实际应用中，我们在Solidworks中只要在网格密度（粗糙-良好）中拉取选择就可以选择合适的网 格密度。生成的网格最后得到的数据为，有5456单元，8133节点数。
机械从微观上讲，是人类在长期生产与实践中创造出来的方便快捷 容易快速的被人们在生活中利用并使用的技术装置；从宏观上讲，一个 国家与社会的发展和国防力量重要标志与先进的里程碑。而据统计，在 机械制造业中的切削工艺在如今高速发展的社会中占有越来越重要的地 位，特别是在面对如今人们追求的更复杂精确的机器时，需要更为高效 率的切削方式来进行零部件小型简易成品加工。在早期18世纪中叶时蒸 汽机的使用，就产生了第一次工业革命。而在进入20世纪初期时，机械 制造业就在世界开启了运动狂潮，随着莱特兄弟第一架飞机和费希尔发 明的洗衣机等的制造成功，就预示着机械在我们日常生活中占有不可被 取代的地位，并标志着社会的进步与人民文明生活程度提高。伴随着机 械业的快速蓬勃发展，我们在现实生活追求更高效率，更低能源，更安 全的机械品质，各个国家都凝聚大量的财力物力来发展机械行业，希望 自己国家成为世界机械行业的领头军。如今，机械的发展程度为国家的 工业技术水平高低的一个重要衡量标准，也是国家的工业技术发展的一 个重要表现，因此，对于我们现代学习机械或从事机械行业，学习和掌 握研究机械中的优化是极为必需和有意义的。
3.4.1背吃刀量对立铣刀应力应变位移的影响 8 3.4.2每齿进给量对立铣刀应力应变位移的影响 9 3.4.3切削速度对立铣刀应力应变位移场的影响 10 结论 12 致谢语 12 参考文献 12
绪论
立铣刀主要用于数控机床中立式铣床上加工阶台面、凹槽、沟槽， 也能利用加工铣削精确一些成形表面。立铣刀主要是圆周运动进行铣削 切削，铣刀端面与工件接触应力较少，一般情况下我们都是让铣刀做横 向铣削运动进行工作。立铣刀在铣削时直接工作没有空程，铣削时速度 相对较高，所以立铣刀一种效率高切削速度快的机床道具。在切削如不 锈钢、锻钢等难度系数较高的加工材料时，为了合理利用有限元方法有 效分析立铣刀的刃部静态应力应变和变形，则要通过建立较为精准的三 维模型。立铣刀的规格种类繁多，切削刀刃结构复杂，切削也是多方 位，故在论文中只确定一种立铣刀规格尺寸在中建立三维模型，再而生 成立铣刀工程图，通过替换柄部或其他零部件的方式自动生成目标模型 图纸。这样可以节省设计制图繁琐步骤，更高效率的分析立铣刀的参数 变化，提高产品质量，降低成本，得出更有效的研究分析结果。
建立立铣刀真实三维模型，进行有限元分析得出结论表明，其他铣 削条件保持不变时，背吃刀量越大，立铣刀的应力、应变、位移都同时 增大，而且三者增长幅度和增长趋势几乎相同但幅度不同，增长倍数为 四倍，；当每齿进给量增加时，立铣刀应力、应变、位移都同时增大， 但是二者的增长幅度也是几乎相同但幅度不同，增长倍数为2.3倍；切 削速度越大，立铣刀应力、应变、位移会越小，三者的增长趋势相同但 是幅度不同，减小速度为0.78。由此可得出结论，背吃刀量的变化对主 切削力影响最大。
vertical milling cutter stress is growth, strain and displacement is increasing at the same time when each tooth feed increases. But, the increase is almost the same but different, multiple of 2.3 times.with the Cutting speed is increase , the stress strain and displacement will be smaller ,meanwhile, the trend of the same but different amplitude.The speed of decrease is 0.78. Thus come to the conclusion that the quantity of turning the biggest influence on the main cutting force.
Keywords:Vertical milling cutter The main cutting force Turning back
Cutting speed
目录
1 绪论 3 2 立铣刀的三维建模 4
2.1 立铣刀几何参数 4 2.2 立铣刀建模 4 3 立铣刀的有限元分析 5 3.1 立铣刀模型材料属性的确定 5 3.2立铣刀模型的网格划分 5 3.3 铣刀条件约束 6 3.4 铣刀有限元分析步骤 7
性能指标如下表3.1所示：
表3.1材料属性
弹ห้องสมุดไป่ตู้模量
210
Mpa
泊松比
0.28
质量密度
7.6
g/cm^3
屈服力
235
Mpa
3.2立铣刀模型的网格划分
有限元网格划分是进行有限元分析中非常重要的一个环节。由于有 限元分析的本质是将连续离散复杂的数学问题转变为相对简单的有限单 元分析方法。而网格的合理划分也是进行进行精准有限元分析的前提。 网格划分的越精细，分析数据将会越准确，但同时数据冗余处理速度变 慢。。