銑削屬斷續切削，切削過程中刀片受力非常複雜，力的大小和方向隨時變化，刀片的失效形式主要為衝擊破損。因此，採用有限元法對銑刀片應力場進行分析，以尋求減少刀片破損的刀具最佳幾何角度，對於銑刀片槽型的開發具有指導意義。
1．引言
銑削屬斷續切削，切削過程中刀片受力非常複雜，力的大小和方向隨時變化，刀片的失效形式主要為衝擊破損。因此，採用有限元法對銑刀片應力場進行分析，以尋求減少刀片破損的刀具最佳幾何角度，對於銑刀片槽型的開發具有指導意義。
2．面銑切削加工坐標系統的建立
圖1 面銑切削加工坐標系統
面銑切削加工坐標系統由刀體坐標系和刀片坐標系組成，如圖1所示。
在刀體坐標系中，Y軸為銑刀軸線，X軸在基面內過刀尖與Y軸相交。在刀片坐標系中，y1軸通過主切削刃，x1軸通過副切削刃，刀片前刀面在x1o1y1平面內。銑刀半徑為R=OO1，銑刀前角為g0，刃傾角為ls，主偏角為K，法向前角為gn。
面銑刀無論具有何種幾何角度，都可看作是由刀體坐標系經過一次平移和三次旋轉而成，可用矩陣表示為
其中 A11=cosgnsinhr+singnsinlscoshr
A12=cosgncoshr-singnsinlssinhr
A13=singncosls
A21=-coslscoshr
A22=coslssinhr
A23=sinls
A31=-singnsinhr+cosgnsinlscoshr
A32=-singncoshr-cosgnsinlssinhr
A33=cosgncosls
tggn=tgg0cosls
圖2 切入衝擊力的方向
3．切入衝擊力方向的確定
銑削與車削的不同之處在於銑削為斷續切削，存在著切入、切出過程，銑刀的破損主要是由機械衝擊力引起的。因此，首先要確定銑刀切入瞬間衝擊力的作用方向。銑削時，銑刀高速旋轉，工件緩慢進給，若忽略進給運動(因進給運動速度僅為銑刀運動速度的約1/4)，銑刀切入衝擊力的方嚮應該在刀具相對工件運動的切線方向上。如圖2所示。
由圖1可知，切入衝擊力方向為Z軸方向，力F分解到刀片坐標系中為
式中A13、A23、A33取值見式(1)，代入具體參數得
上式中，如果各分力值為正，則表示作用力沿坐標軸正方向；如果各分力值為負，則表示作用力沿坐標軸負方向。將面銑刀幾何角度代入上式，即可確定銑刀切入衝擊力的方向。
圖3 面銑刀受力模型
4．切入瞬間應力場有限元分析
面銑刀前刀面外力分佈模型如圖3a所示。在面銑刀運動過程中，刀刃O的位移比刀面上的點A、B的位移大(因為刀刃O的半徑及迴轉速度最大)，因此在銑削過程中，刀刃受力最大，刀面受力呈逐漸減小分佈。面銑刀切入過程中，前刀面只受瞬間的集中力作用，因此可用分佈力模型表示切入過程前刀面的受力狀況，與穩定切削狀態相比，只是接觸長度比穩定切削狀態短。刀具受力模型如圖3b所示，q1=kq2(k為係數)，y為作用力方向角，L為分佈力作用長度。其中作用角y值由刀具幾何角度確定，因此，刀片的幾何角度不同，會引起作用力方向的改變。
下面對平前刀面刀片和帶槽型刀片進行有限元分析，研究刀片槽型對銑削性能的影響。刀片幾何參數見表1。
由式(3)可知，即使在相同的外力作用下，帶槽型刀片的主切削力Fz1也小於平前刀面刀片的主切削力，實際測量結果也證實了這一點。
有限元分析模型的建立
圖4 面銑刀受力模型
有限元分析採用美國SDRC公司的大型工程軟體I-DEAS Master series4，利用實體造型模塊建立平前刀面及帶槽型銑刀片的實體模型(見圖4)，將實體模型輸入有限元分析模塊，並對其進行網格劃分，對參加切削部分受力區域進行手工細分網格。
邊界條件的確定
為分析兩種刀片切削時的應力、應變和位移情況，需在網格模型上加邊界條件(切削力載荷)，為測得實際切削時的銑削力，進行了銑削力試驗。試驗在X5030A銑床上進行，工件材料為奧氏體不鏽鋼1Cr18Ni9Ti，刀片材料為YG546，切削用量v=100m/min，f=0．24mm/z，ap=4mm，其它切削條件均相同。用CLY銑削測力儀測得的主切削力如下：有槽型刀片：Fz=280kg；平前刀面刀片：Fz=350kg。按面銑刀受力模型在刃前區相應的位置加分佈載荷，並將刀片材料的機械性能輸入材料特性表，載荷作用角由刀具角度決定，按刀片所受約束情況建立位移和運動約束，將邊界條件和約束併入一個組中，進行解算。
模型解算
模型解算的過程就是求解應力、應變和位移的過程。經計算機輔助解算及后處理得到的兩種刀片切削時的應力、應變和位移結果如圖5所示。
圖5 有限元分析結果
從圖5可明顯看出，平前刀面刀片切削時的應力、應變和位移均比有槽型刀片大。因此，在銑刀片上開出正確的槽型，可在很大程度上改善其銑削性能。
5．結語
由於銑削過程的複雜性，使刀片的破損比車削嚴重得多，其中切入破損佔有較大比重。本文通過銑削過程分析、有限元分析和實驗驗證，證明在銑刀片上開出槽型，使刀具具有合理的幾何角度，可改變切入衝擊力的方向，減小刀片內部應力，改善銑削狀態。因此，銑刀片槽型的開發研究是銑削研究的一個發展方向，已受到各國金屬切削行業的重視。
