立铣刀三维建模及有限元分析
立铣刀三维建模及有限元分析
立铣刀三维建模及有限元分析龙岩学院毕业论文（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。
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。
关键词：立铣刀主切削力背吃刀量进给量切削速度AbstractIn 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 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)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 (15)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。
菌形叶根型线铣刀的三维建模及有限元分析研究
菌形叶根型线铣刀的三维建模及有限元分析研究曾祥录;韩俊峰;朱留宪;周乐安【摘要】针对菌形叶根型线铣刀设计过程中不能参数化、数字化的问题,利用UG 三维建模软件,对某型号菌形叶根型线铣刀进行了数字化三维实体建模,并运用ANSYS软件对设计进行了受力情况的有限元分析.通过建模实现了刀具设计的参数化、数字化;通过有限元刀具受力分析,验证了刀具设计的合理性、可用性.研究结果表明:利用UG三维建模和ANSYS有限元分析,对菌形叶根型线铣刀进行设计及优化是可行的.【期刊名称】《机电工程》【年(卷),期】2019(036)003【总页数】5页(P284-288)【关键词】菌形叶根型线铣刀;三维建模;有限元分析【作者】曾祥录;韩俊峰;朱留宪;周乐安【作者单位】四川工程职业技术学院机电工程系,四川德阳618000;四川省高温合金切削工艺技术工程实验室,四川德阳618000;四川省高温合金切削工艺技术工程实验室,四川德阳618000;德阳杰创科技有限公司,四川德阳618000【正文语种】中文【中图分类】TH122;TG7140 引言菌型叶根又称为外包式叶根，这种叶根改善了轮缘的受力情况，接触强度较高，被广泛应用于汽轮机叶片的叶根连接结构[1]。
菌形叶根型线铣刀作为菌形叶根型线槽的最终刀具，其精度直接决定着叶片叶根的加工质量。
菌型叶根铣刀型线结构复杂，并且对精度、可靠性和寿命等方面都有很高的要求。
因此，菌形叶根型线铣刀的高效、准确的优化设计，及其有效的验证方法是急需解决的难题。
受专业性及应用场合的限制，目前，对于菌形叶根型线铣刀(专用的成型铣刀)的研究较少，国外仅有几家知名刀具厂家应用专业软件对其进行了一定的研究。
国内叶根型线刀具制造商在刀具的设计、仿真及加工方面都依赖于国外加工设备的自带软件，例如：WALTER公司的Toolstudio刀具磨削软件，ANC公司的ToolRoom 刀具磨削软件等。
由于国外软件技术保护的原因，导致国内设计完全受限于国外磨削设备的软件，不能提取刀具的模型，更无法进行仿真分析，以及后续的优化改进[2]。
基于UG的小直径立铣刀应力场有限元分析
基于UG的小直径立铣刀应力场有限元分析作者：刘鹏王好臣引言在模具制造业，用高速铣削加工替代电加工已成为一种发展趋势。
模具型腔精加工的典型工艺为：毛坯粗加工→半精加工→热处理→精加工(高速或超高速铣削)。
在精加工工序中，常使用小直径立铣刀在高转速下进行清角和微细结构加工(小直径刀具在低转速下加工易发生崩刃或断裂)。
由于小直径立铣刀受力时容易变形，导致加工精度缺失，因此对小直径立铣刀铣削力应力场进行有限元分析很有必要。
2 瞬时动态铣削力基本模型圆周铣削加工的几何关系如图1所示。
在此不考虑铣刀的渐进磨损过程。
瞬时动态铣削力可分解为瞬时圆周铣削力dFri。
i(切向力)和瞬时垂直切削力dFri(径向力)，可表示为式中，KS为切向铣削力系数；t I (ψ I ) 为瞬时切削厚度(它是时间的函数)；R为刀具半径；β为刀具螺旋角；c为切削力切向与径向的比例系数；ψi为第i个刀齿上一个切削点的齿位角，其计算公式为：ψi=ψ+θ+(i一1)2π/m，(1≤i≤m，o≤ψ《Ψ，其中：ψ为螺旋滞后角，θ为刀具在dt时间转过的角度，m为刀具齿数，Ψ为刀具切入角，当轴向切削深度为ba时，有：图1 圆周铣削加工的几何关系瞬时切屑厚度及刀具有效前角对动态铣削力的的影响可表示为：周铣加工有不同的加工方式(见图2)。
顺铣和逆铣加工时，每个切削刃的总切削力为式中，Ψe和Ψs为切削刃的起始滞后角和终止滞后角，可按以下两种方法计算：将m个切削刃的切削力累积后，可得整个刀具所受的总切削力为：图2 圆周铣削加工的不同方式3 立铣刀铣削力试验在铣削力试验中，采用Kistler(9257B)三向动态测力仪、电荷放大器(5017B)和A/D转换卡测量在高速切削时不同切削条件(切削速度、切削深度和进给量)下的切削力，铣削力测试系统的工作原理见图3。
该试验获得的切削力还可在应力场有限元分析时用于确定受力边界条件。
图3 铣削力测试系统原理图4 立铣刀的实体建模根据铣刀制造原理，选择以去除材料的方式来建立铣刀模型。
基于ProMechanica的数控立铣刀优化设计技术总结报告
磨向心角及 端刃后角
磨周刃 后角
CAM子系统的功能
CAPP模块：实现高精度数控刀具的工艺过程设计。以
知识库为核心，对三维刀具设计结果，采用CAD/CAPP集成 技术，自动提取CAD子系统中各工序的设计参数，完成工 艺过程设计，生成工艺文件。
三维动态模拟模块 ：将机床、砂轮数据等约束条件和
NC程序，导入三维动态模拟软件Simvk0010中，直接观察 三维动态仿真加工过程和刀具的最终形态，检查设计和工 艺的正确性。
前言
课题研究的背景 课题研究的必要性及意义 课题的提出
研究内容及总体结构
主要研究内容 系统的总体结构 系统的运行环境
研究内容
建立高精度数控刀具CAD/CAM集成系统的总体框架及轴向数控刀具 基于工艺设计流程的三维参数化设计模型。采用面向对象的程序设计 方法建立系统的总体框架；采用基于特征的参数化建模方法，在大型 商用CAD软件——Pro/E平台上，建立高精度数控刀具基于工艺设计 流程的各工序的三维参数化设计模型； 刀具结构的优化设计。采用Pro/Mechanica有限元分析方法，对数控 刀具的三维结构模型进行优化分析，通过静态分析、灵敏度分析（包 括：局部灵敏度和全局灵敏度分析），挑选出对刚度影响较大的参数 及参数变化范围，优选出最佳的刀具几何参数，以提高其切削性能；
总体结构
高精度数控刀具CAD/CAM集成系统 CAD CAE CAM
平 头 立 铣 刀 设 计
球 头 立 铣 刀 设 计
静 态 分 析
灵 敏 度 分 析
优 化 设 计
工 艺 设 计
三 维 动 态 仿 真
N C 编 程
共
用
立铣刀的优化设计_李宏德
工艺,进行了活塞环槽精加工成型车刀的结构设计。
通过刀具材料切削对比试验,优选了成型车刀刀具材料为YD15(相当于ISOK10、M10)。
切削试验结果表明,成型车刀刃带宽度为0 25mm时,刀具具有最佳使用寿命。
参考文献1李旗号,张春来,黄 斌.等宽刃带切槽刀切削铝活塞环槽试验研究.机床与液压,2004(6):164~1652 黄 斌.精切铝活塞环槽过程中刀具对环槽两面的熨压研究.组合机床与自动化加工技术,2004(2):58~59第一作者:张宝国,山东滨州渤海活塞股份有限,256602山东省滨州市*河南省科技厅资助项目(项目编号 0424260098)收稿日期:2006年12月立铣刀的优化设计李宏德河南机电高等专科学校摘 要:在满足立铣刀强度的条件下,以充分发挥材料承载能力和刀具排屑性能以及减小后刀面磨损为目标,选取前角、后角和螺旋角为设计变量,构建优化模型,确定最优的立铣刀几何参数,提高刀具综合铣削性能。
关键词:立铣刀, 优化设计, 目标函数Optimization Design of End MillLi HongdeAbstract:For exerting the carrying capaci ty of the material,improving chip removal performance and lessening the wearing of relief surface of end mill as well as satisfying demanded intensity,ai ming at the optimized integrated milling performance,the opt-i mization model is constructed with the rake angle,relief angle and helical angle as design variables,and the optimized geometry of the end mill is obtained.Keywords:end mill, op timizati on desi gn, objective function1 基本参数对刀具铣削性能的影响根据刀具设计理论,立铣刀的前角、后角和螺旋角对立铣刀的结构强度和铣削性能具有决定性作用,其中前角和螺旋角是刀具强度的主要影响因素,而螺旋角主要影响铣刀的排屑性能,刀具后角因对后刀面磨损和刀刃楔形截面的影响从而影响铣刀的强度。
球头立铣刀的参数化设计及有限元讲解
球头立铣刀的参数化设计及有限元分析摘要：本文在国内外关于球头立铣刀的设计、分析等方面研究的基础上,应用Pro/ENGINEER技术和相关数学理论,研究了球头立铣刀的整体建模,以及参数化系统的建立,并从球头立铣刀的几何模型着手,建立了一个适用于球头立铣刀铣削的三维铣削力模型,应用软件对球头立铣刀进行了静力分析和模态分析。
本文的主要研究内容为：从球头立铣刀的几何模型着手,将球头立铣刀刀刃进行离散化处理,利用常规铣削力经验公式,建立一个适用于球头立铣刀的三维铣削力模型。
并利用ANSYS 有限元软件对球头立铣刀进行静力分析,模态分析。
校核所设计铣刀的应力,并将得到的固有频率与立铣刀在外力作用下的振动频率相比较,避免发生共振现象。
本文的研究成果将大大改善高精度数控球头立铣刀的设计方法,缩短刀具的设计周期,从而快速响应市场的需求。
同时本文开发的球头立铣刀参数化设计系统也为其他类似的刀具设计的研究提供参考。
关键词：球头立铣刀；切削力模型；有限元分析第一章绪论在当今制造业的快速发展中,切削加工起着十分重要的作用。
现代切削刀具在推进制造技术进步和提高企业加工效率、降低制造成本等方面发挥了重要的作用[1]。
其中,球头立铣刀作为一种高性能的自由曲面加工刀具,其性能和品质的优劣对于切削加工的精度、效率和产品品质都有直接而重要的影响。
球头立铣刀刀具与数控机床或加工中心配合可以实现高效率、高质量的加工,在模具、汽车、航空航天、机械电子等制造领域应用广泛。
现代刀具设计、制造技术是机械制造与设计的重要技术之一。
它已逐步发展成集数学理论、计算机应用技术、现代设计方法等为一体的高新技术产业[2]。
随着数控加工技术的不断精进,加工对象也日趋复杂,对于加工复杂曲面的特种回转面类型的刀具如球头立铣刀等高精度、高性能刀具的需求也与日俱增。
国外较我国在刀具方面的研究起步早、投入成本高,在刀具设计与制造方面储备了大量的经验和技术。
中国市场在高精度数控刀具领域,起步比较晚,目前总的来说技术的水平还比较低。
车刀建模和有限元分析-文档
绪论............................ 错误！未定义书签。
1 国内外刀具的发展概况........ 错误！未定义书签。
2 国外刀具的发展现状.......... 错误！未定义书签。
第一节车刀的切削过程分析 ....... 错误！未定义书签。
1.1 车刀的概述................ 错误！未定义书签。
1.2 车刀及其切削部分的组成.... 错误！未定义书签。
1.3 金属切削的基本概念........ 错误！未定义书签。
第二节车刀的建模............... 错误！未定义书签。
2.1 模态分析 ................. 错误！未定义书签。
第三节有限元分析............... 错误！未定义书签。
3.1 有限元分析的定义.......... 错误！未定义书签。
3.2 有限元分析的步骤.......... 错误！未定义书签。
3.3 有限元分析软件ansys ...... 错误！未定义书签。
绪论1 国内外刀具的发展概况刀具是机械制造中用于切削加工的工具，又称切削工具。
绝大多数的刀具是机用的，但也有手用的。
由于机械制造中使用的刀具基本上都用于切削金属材料，所以“刀具”一词一般就理解为切削刀具。
切削木材用的刀具则称为木工刀具。
2国外刀具的发展现状全球机械加工工业市场变得既活跃又具有过度的全球竞争性。
在贸易和技术的频繁往来之中，发达国家与发展中国家在竞争能力上的差别也日趋混同。
同时，对产品的低成本、高性能、高品质、更快捷的交货期的需求，使新产品和新技术的发展有了史无前例的发展速度和空间。
近年来,金属切削和金属成型机床的消费市场从390亿美元减少到360亿美元,其原因之一是加工中心的广泛使用。
在美国加工中心的拥有量由20世纪80年代初的11%提高到现在的25%。
在世界范围内,预期在1998年到2005年将由45亿美元可望达到66亿美元。
在此同时，传统的铣削机床市场预计在同期内将从16亿美元下降到15亿美元。
主轴部件三维实体模型的有限元分析法
《机械设计与制造》主轴部件三维实体模型的有限元分析法主轴是机床的重要部件之一，它的静、动态刚度一直是设计计算的重要内容，但传统的计算方法是把主轴简化为等截面的梁单元进行计算，显然是静不定问题，用这样的力学模型计算主轴的静、动态特性与实际情况有很大的差距。
目前主轴部件设计采用有限元法，可以满足设计过程要求，为主轴结构的优化设计提供依据。
1．主轴部件的结构简化图1是卧式加工中心主轴的结构简图，它是一个多阶梯空心的圆柱体，此结构必须经过一定简化后，方可进行有限元分析，本主轴部件在以下方面进行简化：(1)各处倒角简化成直角，忽略空刀槽；(2)润滑油孔、工艺孔、键槽、螺纹孔等均按实体处理；(3)主轴轴承简化成弹性元件；(4)主轴上齿轮、锁紧螺母、中间隔套、拉刀机构组件等零件简化成集中质量。
图1主轴部件1—铣刀；2—主轴；3—轴承组件；4—隔套；5—密封套；6—齿轮；7—锁紧螺母；8—拉刀机构组件2．单元类型的选择及结构剖分如图1所示主轴部件总长719ｍｍ，平均直径为160ｍｍ，其长径比值为1∶4.49，对于这类主轴部件，常采用三维实体等参元建立有限元分析模型。
在结构剖分过程中，遵循以下原则：(1)不连接处自然分割。
结构在几何形状，载荷分布等方面存在着不连接处，在离散化过程中，应把有限元模型的结点单元的分界线或分界面设置在这些不连续处。
(2)几何形状的近似。
结构离散化使结构原边界变成了单元边界的集合，因而就产生了结构几何形状的离散化误差。
减少几何形状离散化误差的措施：一是采用较小的单元，较密的网络；二是采用高次单元。
(3)单元形态的选择。
单元形状是指单元的形状状态，包括单元形状、边界中点的位置，细长比等。
在结构离散化过程中必须合理选择。
单元最大尺寸和最小尺寸之比称之为细长比。
为了保证有限元分析的精度，单元的细长比不能过大。
根据以上三项原则，可将主轴部件离散为78个实体单元，4个弹簧元素单元模型，如图2。
(ａ)主视图(ｂ)俯视图图2主轴部件三维实体模型图3．约束条件的建立合理确定有限元模型约束条件是成功地进行有限元分析的基本条件，约束条件的确定，应尽可能符合原结构的实际情况。
数控机床立柱结构有限元分析与优化设计研究
数控机床立柱结构有限元分析与优化设计研究近年来，随着工业自动化水平的不断提高，数控机床已成为制造业中不可或缺的重要设备。
而数控机床的结构强度、刚度对其加工精度、工作稳定性、寿命等方面也有着非常重要的影响。
本文旨在对数控机床立柱结构进行有限元分析和优化设计，以改善其结构强度和刚度，并提高其工作性能和使用寿命。
首先，本文选取了一台普通铣床的立柱结构作为研究对象，并通过Pro/E建立其三维CAD模型。
然后，利用ANSYS软件对立柱结构进行有限元分析，模拟其在静载荷作用下的应力和位移分布情况，并得出其结构强度和刚度等参数。
分析结果显示，立柱底部的最大应力较大，且刚度较低，易出现变形、破裂等问题，限制了机床的工作性能。
基于有限元分析的结果，本文进一步对数控机床立柱结构进行优化设计。
通过增大立柱的底部尺寸、增加立柱的挡板数量和加厚立柱壁板等措施，有效地提高了立柱的结构强度和刚度，并减小了其变形和破损等可能引起的损伤。
此外，在优化设计中采用了目标函数法对多个优化参数进行协同优化，最终得出了一组最优设计方案，使机床的工作性能得到了显著提升。
最后，本文对优化设计结果进行了验证。
将最优设计方案制造出来，并进行实际测试。
结果表明，设计方案得到的立柱结构强度和刚度均大幅提高，变形和破损等问题明显缓解，提高了机床的加工精度、工作稳定性和使用寿命，验证了本文优化设计的有效性和可行性。
总之，本文通过有限元分析和优化设计的方法，对数控机床立柱结构进行了改进和优化设计，提高了其强度和刚度等性能，增强了机床的工作性能和使用寿命。
该研究结果不仅对提升制造业的自动化水平具有重要的意义，也为其他相关领域的产品结构设计提供了有价值的借鉴和参考。
对于数控机床立柱结构的有限元分析和优化设计，需要收集和分析大量的相关数据。
这些数据包括材料力学性能参数、结构尺寸、静载荷等等。
下面将对这些数据进行分析。
1. 材料力学性能参数材料力学性能参数对数控机床立柱结构的有限元分析和优化设计具有直接影响。
球头立铣刀铣削力有限元分析
有限元分析（论文）球头立铣刀铣削力有限元分析专业：机械电子学生姓名：张娇学号： 201201024摘要本文从球头立铣刀的几何模型着手，建立了一个适用于球头立铣刀铣削的三维铣削力模型，分析刀具几何角度的变化对切削力的影响，作为有限元分析的基础。
应用有限元软件ANSYS，研究在不同铣削条件下(背吃刀量、每齿进给量、主轴转速、悬伸长度等)球头立铣刀的受力情况。
建立球头立铣刀仿真实体模型，进行有限元分析表明：其它铣削条件不变时，背吃量越大，球头立铣刀变形量和应力都同时增大，而且二者的增长幅度和增长趋势几乎相同；当每齿进给量增加时，球头立铣刀变形量和应力都同时增大，但是二者的增长幅度不同，球头立铣刀应力的增长更大一些；主轴转速越高，球头立铣刀变形量和应力也会越大，二者的增长趋势相同但是幅度不同，球头立铣刀变形量的改变较大。
SummaryIn the present paper,a three dimensional milling force model for ball-nose end mill Was established based on its the geometric model of cutting end edge．The influences of cutting edgeangles on cutting force were analyzed．With the assist of the finite element software“ANSYS”，real stress distributione were studied in the differen millingconditions，such as cutting depth，the feed amount of each tooth，main shaft rotation and theextended length etc．一、背景及意义机械制造业是国民经济和社会发展及国防建设的基础，其发展水平是一个国家综合实力的重要标志。
高速立铣刀加工过程中温度场有限元分析
高速立铣刀加工过程中温度场有限元分析摘要在加工过程中不仅铣刀所受的切削力变形会对加工精度产生影响，而且切削加工过程中产生的切削热也会对加工精度产生影响，所以本文研究切削热对6刃立铣刀的加工精度的影响。
基于整体式硬质合金立铣刀加工碳素工具钢时切削力经验公式，计算出铣削加工过程中传递到立铣刀上的热流功率，通过温度场有限元分析，对不同切削条件下的立铣刀温度场进行了数值模拟。
分析其变化规律，获得更优的加工参数，以及改善刀具提供重要依据。
关键词6刃立铣刀；温度场；有限元分析前言在切削过程中，由于刀具与加工件之间的摩擦与变形产生大量的热，进而影响力切削刀具的磨损及变形，影响了加工精度。
本文通过经验公式计算出铣刀在切削过程中的热流功率，并通过ANSYS workbench的温度场分析模块对不同切削条件下的切削热进行仿真分析。
1 铣刀载荷力的计算本文对18mm硬质合金铣刀进行分析与研究，铣刀悬伸量L=50mm。
主轴转速设定为3000r/min。
选择被加工工件材料为碳素钢。
刀具具体参数如表1所示。
2 有限元分析2.1 有限元模型建模根据表1中所示参数通过SolidWorks软件绘制立铣刀三维模型如图1所示。
将模型导入到ANSYS Workbench中。
通过ANSYS Workbench软件设定铣刀材料为硬质合金，设定环境温度为20℃。
在刀具和空气部分设置为自然对流，对修系数为。
并对模型进行网格划分，细化铣刀切削刃处网格[4-5]。
又因为主轴转速为3000r/min，则6刃铣刀每旋转一周，每个刃单独的切削时间为0.003s。
热间隔时间为0.017s。
并分别根据表格2、3中的载荷数据对铣刀主切削刃进行加载分析。
2.2 有限元分析结果按表格中载荷数据对铣刀进行载荷加载并进行分析。
图2是，、和三种情况下示意图。
从分析结果中可以看出，立铣刀在切削过程中主切削刃处温度最高。
和改变时铣刀温度场化绘制成曲线如图3所示；由图可知刀具加工温度随切削参数数值增大而增大，因此对于高精度加工尽量选择较小的加工参数。
高速铣削立铣刀切削受力的有限元分析
，
侯
，
韩淑 华
内蒙古 包头
0 14 0 10 )
( 内 蒙 古 科 技 大 学机 械 工 程 学 院
直径 铣 刀 高速 铣 削 淬 硬 钢 材 料 的 基 础 上
向切 削深 度
、
，
建 立 了 立 铣 刀 的 实体 模 型
，
，
应 用有限元 软件 A NSY S 仿真
。
，
得 出不 同
每齿进 给量
、
切 削速 度等 ) 立铣 刀 实 际 的受力情况
‘
中图分 类号
TP 39 1 7 2
文献标识码
：
A
文章编号
：
10 0 9
—
94 92
(2 0 0 8 )
06 00 20 03
—
—
1
引言
随着数 控加 工 技 术 的 出现
，
表 1
切 削深 度 改变 时立 铣 刀 所 受载荷
高速 铣 削 以 其高转 优 点 已 经 在 当 今 机 械 加 工 中 占有 重 要
Ａ Ｓ Ｓ本 身 具 备 三 维 建模 能 力 ，但 是 相 比其 他 的专 门 的三 ＮＹ 维 造 型软 件 如 Ｐ Ｅ ｗｌｆｅ ． ，其 建 模 能 力 实 在 太弱 。 ｍ／ ｉ ｉ ２ ｄ ｒ ０等 特 别 是 对 一 些 复 杂 的 结 构 和 曲面 造 型 ，Ａ Ｓ Ｓ很 难 很 好 的 ＮＹ 完成 建模 工 作 ，大 多 数 情 况 需 要 从 建 模 类 软 件 中 导 人 ，然
图 ２ 进给量 Ｏ １ ＝ ． 时铣刀的变形 和等效应力图 Ｏ
（）切 削速 度 ｃ２ ０时立 铣 刀 的变 形 图 ａ ：４
（ ）切 削速 度 ＝ ４ ｂ ２ ０时立 铣 刀 的等 效 应 力 图
铣刀有限元分析
铣刀有限元分析分析概述：采用ANSYS Workbench 15.0对铣刀模型进行静力学强度分析和稳态温度场分析，分析结果表明铣刀在实际工作中，满足材料的强度要求，同时得到了铣刀稳态温度场分布。
铣刀模型为外部三维软件建立，导入Workbench中进行建模分析，模型如下所示有限元模型建立：导入几何模型以后，需要建立有限元网格模型，首先进行材料建立，其铣刀材料为选用硬质合金YT15，该材料具备高的硬度和耐磨性、高的强度和韧性、耐热性，材料参数如下所示：表1 材料参数性能指标参数密度（g/cm^3）14.7弹性模量（GPa）600泊松比0.33完成材料定义以后，进行网格划分，由于刀具的几何形状复杂，所以采用四面体网格进行划分，有限元网格模型如下图所示，其中刀头部分为重要分析部分，也是应力变化较大区域，所以对刀头部分进行了局部的网格加密。
最终网格总数为7477，节点总数为14580载荷与约束：对铣刀端部进行施加约束，轴向、径向和切向的位移都为零，而旋转自由度Mx和Mz 均为零，My是铣刀的旋转方向，是唯一没有固定的约束，但由于转速恒定，所以可以认为该方向也是固定的，即对铣刀端部进行全约束，如下所示在铣削过程中，铣刀所受到的切削力被平均分配到几个刀刃上，以均布载荷的形式平均分配，最终的载荷加载如下所示强度计算结果：刀具的位移云图、等效应变云图和等效应力云图分别如下所示。
稳态热分析：铣刀在工作过程中，铣刀告诉旋转下与工件产生较大摩擦，会产生较高温度，而这温度主要是通过与工件直接接触的刀刃传递至道身等其他区域，所以可以在刀刃上施加温度载荷，来模拟摩擦产生的热源，进行刀具的稳态热分析，查看最终情况下，刀具整体的温度分析情况。
刀刃上热源加载情况如下，加载500°温度载荷，为刀具工作时候，工件表面的温度。
由于刀具和空气接触，则会与空气之间产生对流换热现象，而且刀具是告诉旋转的，属于强制对流换热，参考相关资料可知，此时对流换热系数为80W/（m^2*C），对流换热加载情况如下所示在上述温度边界条件下，稳态温度场如下所示。
本科毕业设计__可转位球头立铣刀的建模与基于实例推理的cad系统开发与研究
可转位球头立铣刀的建模与基于实例推理的CAD系统开发与研究提要：建立了平装可转位球头立铣刀的几何数学模型。
并在该模型的基础上，以面向对象语言Visual C++6.0为编程工具，以SQL Server 2000为数据库平台，以SolidWorks2001为三维实体建模软件，综合运用计算机图形学技术、特征建模方法、动态链接库（DLL）技术、组件对象模型技术、实例推理（CBR）技术、ODBC数据库互连技术开发和探讨了基于实例推理的面向对象的人机对话的三维参数化CAD系统。
利用该系统可计算出可转位球头立铣刀刀体上刀片槽的空间位置及加工调整参数、刀片圆弧半径、铣刀前角、后角等几何角度沿切削刃的分布情况、刀片系列化所引起的加工表面的几何形状误差等，可绘制并输出可转位球头立铣刀的所有零部件的三维实体图、装配图以及二维工程图。
关键词：可转位球头立铣刀端刃几何建模实例推理面向对象3D Modeling and Developing and Reserching of intelligent CAD system of Ball-Nose End Mills with Indexable Inserts Major: Mechanical manufacturing and automation毕业论文（设计）原创性声明本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
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基于Ansys-Workbench的不同悬伸量整体硬质合金立铣刀模态分析
1. 序言在对转向架构架一系定位座内挡面和电动机后吊座进行加工时，传统的加工工艺是采用粗铣和精铣2个工步，分别使用玉米铣刀和精棒铣刀。
这种工艺方法虽然可以使加工表面满足设计图样要求，但加工效率低，且刀具成本高。
为此对工艺进行了改善，采用整体硬质合金立铣刀，一把刀实现粗铣和精铣2个工步，提高了加工效率，降低了刀具成本。
但由于整体硬质合金立铣刀的直径较小，悬伸量较大，易产生振动，不仅影响构架加工表面的质量，还会对立铣刀的寿命产生影响。
本文通过对不同悬伸量整体硬质合金立铣刀模态分析，为选择合适的悬伸量及合理的主轴转速提供了参考，确保构件的加工效率和表面质量。
2. 立铣刀模态分析模态分析就是确定设计结构或机械部件的振动特性，得到结构的固有频率和振型。
对复杂结构进行准确的模态分析，不仅为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断及结构动态特性的优化设计提供依据，还可以确定在特定方向上某个振型多大程度参与了振动，使结构避免共振或以特定频率进行振动。
对结构进行模态分析一般不用求解结构系统的全部固有频率和振型，振动可以表述为各阶固有振型的线性组合，其中低阶固有振型要比高阶固有振型对结构的振动影响大。
因此，低阶振型对刀具的动态特性起决定性作用，进行结构的动态分析计算时，只需对其前几阶振型进行分析即可。
本文主要针对φ25mm整体硬质合金立铣刀的不同悬伸量进行模态分析。
装夹刀具时，露出刀柄的部分，即悬伸量（用L表示）如图1所示。
图1 立铣刀悬伸示意整体硬质合金立铣刀的悬伸量为铣刀全长的50%～60%是较优的选择，悬伸量见表1。
表1 整体硬质合金立铣刀的悬伸量（单位：mm）3. 建立有限元模型3.1 立铣刀三维模型的建立Ansys Workbench有限元分析软件只能建立形状相对简单的几何结构，复杂几何结构的建立需要借助其他三维建模软件。
在三维建模软件中建立所需的几何结构体模型，模型建好以后将其保存为Ansys Workbench有限元分析软件可以读取的格式。
整体式立铣刀三维精确建模与软件实现
第26卷第3期计算机辅助设计与图形学学报V01．26No．32014年3月Journa|of C o mp ut e r—A i de d Desig n&Co mp ut er Graphics Mar．2014整体式立铣刀三维精确建模与软件实现李国超¨，孙杰"+，李剑峰¨，宋良煜孙，李卫东2’-，(山东大学机械工程学院高效洁净机械制造教育部重点实验室济南250061)2，(成都飞机工业(集团)有限责任公司成都610092)(1i g u o e ha o l26@126．c o m)摘要：针对整体式立铣刀设计过程中存在结构复杂、尺寸繁多、三维精确建模困难等问题，基于微分几何曲线、曲面理论和铣刀制造过程中砂轮与刀具之间的相对运动关系，建立了任意齿距容屑槽截面线、等螺旋角和等导程螺旋刃线以及Gash面的数学表达方程；借助于UG二次开发技术开发了整体式立铣刀参数化设计软件系统，实现整体式立铣刀三维实体模型的快速生成以及与CAE软件间的信息交互．实例结果表明，所建数学模型可实现整体式立铣刀整体结构的快速精确表达，提高了立铣刀的设计效率和设计精度．关键词：立铣刀；数学模型；容屑槽；三维建模中图法分类号：TG714Accurate 3D Modeling and Software Implementation of End MillLi Guochao¨，Sun JielH，Li Jianfeng¨，Song Liangyu”，and Li Weidon92’”(Key Laboratory of H i g h Effi ci en cy a n d C l e a n Mechanical Manufacture of MO E，S c h oo l of Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g，S h a n d o n g Univ ers ity，Ji’n an 250061)”(C h e n g d u Airc r af t I n d u s t r i a l(G r o u p)C o．。
基于DEFORM-3D的立铣刀切削模具钢有限元分析
基于DEFORM-3D的立铣刀切削模具钢有限元分析
刘乾;杜劲;周婷婷;张静婕
【期刊名称】《山东轻工业学院学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2017(031)005
【摘要】基于经典金属切削原理,通过PRO-E建立整体硬质合金立铣刀和被加工工件(模具钢)的三维模型,采用DEFORM-3D有限元分析软件对立铣刀加工模具钢进行切削过程仿真.分析不同的切削参数对铣削过程的影响规律,得出在不同的铣削深度、进给量和铣削速度条件下的立铣刀实际的铣削分力、最大等效应力及其温度变化规律,得出了温度及其最大等效应力的分布,为刀具切削性能分析和切削参数的优选提供了理论依据.
【总页数】5页(P22-26)
【作者】刘乾;杜劲;周婷婷;张静婕
【作者单位】齐鲁工业大学机械与汽车工程学院,济南250353;齐鲁工业大学机械与汽车工程学院,济南250353;齐鲁工业大学机械与汽车工程学院,济南250353;齐鲁工业大学机械与汽车工程学院,济南250353
【正文语种】中文
【中图分类】TG501
【相关文献】
1.基于DEFORM-3D的立铣刀切削模具钢有限元分析 [J], 刘乾;杜劲;周婷婷;张静婕;
2.高速铣削立铣刀切削受力的有限元分析 [J], 任翀;侯学元;韩淑华
3.基于有限元仿真的高速干式切削立铣刀切削温度研究 [J], 任翀;侯学元;韩淑华
4.基于DEFORM-3D探讨车削刀片切削温度场分布对切削寿命的影响 [J], 郭华江
5.基于正交试验的高速切削淬硬模具钢的切削力研究 [J], 于静;董海;张弘弢;李嫚因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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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。
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
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
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。
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。
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。
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.
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。
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
性能指标如下表3.1所示：
表3.1材料属性
弹性模量
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。。