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
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 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
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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 ....................................................................................................................................................... 12
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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。
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。
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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（D） 格 20
MW3 刃长（L） 6 总长 120 刃数（Z) 倒角（C） 4 1.5 刀柄倒角 45? 刀柄槽长 20 刀柄槽宽 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
图2.1 立铣刀三维实体模型
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