【正文】 Point F cutting force distribution curve 刀具殘余應(yīng)力仿真預(yù)測(cè)分析（1）刀具角度選取對(duì)刀具殘余應(yīng)力的理論分析從精加工刀具角度參數(shù)看，現(xiàn)取仿真刀具前角度為0176。5’，刀具后刀面為圓弧面，加工過(guò)程中刀具實(shí)際加工后角處于不斷變化，但是變化較小，尤其是刀具刀刃剛進(jìn)入加工時(shí)，刀具實(shí)際加工瞬時(shí)后角為0176。從理論上講，凡能減小塑性變形和降低切削溫度的因素都能使加工表面的殘余應(yīng)力減小。從刀具設(shè)計(jì)參數(shù)角度上，前角由正值變?yōu)樨?fù)值時(shí)，表層的殘余應(yīng)力逐漸減小，但是殘余應(yīng)力層的深度增大，在切削用量一定時(shí)，采用絕對(duì)值較大的負(fù)前角，對(duì)在加工表面層的殘余壓應(yīng)力有利，原因是刀具前角越小，刀具對(duì)已加工表面的擠壓與摩擦作用增大，從而對(duì)加工表面形成殘余壓應(yīng)力有利；刀具后角變小時(shí)，一方面使后刀面與已加工表面的摩擦增加，這有利于在已加工表面形成殘余壓應(yīng)力。同時(shí)一方面，也會(huì)使已加工表面上的切削溫度升高，從而由熱應(yīng)力引起的殘余應(yīng)力的影響逐漸增加。因此，使已加工表面的殘余拉應(yīng)力增大，相應(yīng)的殘余應(yīng)力層的深度亦隨之增加。從切削條件方面講，切削速度增加時(shí)，切削溫度隨之增加，加工表面易形成殘余拉應(yīng)力，進(jìn)給量增加時(shí)，切削力及塑性變形區(qū)域隨之增大，并且熱應(yīng)力引起的殘余拉應(yīng)力占優(yōu)勢(shì)，殘余應(yīng)力層深度也隨之增大。吃刀量對(duì)殘余應(yīng)力影響不大。（2）建模仿真對(duì)刀具殘余應(yīng)力分析的驗(yàn)證通過(guò)有限元仿真來(lái)研究精刀具加工后在工件表面形成的殘余應(yīng)力情況來(lái)看，圖31 為汽輪機(jī)輪槽輪廓線上的殘余應(yīng)力仿真點(diǎn)選擇示意圖，目的是對(duì)仿真殘余應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。仿真分析采用二維模型方法進(jìn)行驗(yàn)證。圖31 殘余應(yīng)力仿真點(diǎn)示意圖 simulation point of remaining stress Schematic diagram圖32圖34為樅樹型刀具精加工二維殘余應(yīng)力仿真云圖（仿真點(diǎn)為圖31中的5點(diǎn)），從圖中可以看出，由于精加工時(shí)刀具切削深度很小，加工中產(chǎn)生的切削較薄，精加工的表面形成殘余壓應(yīng)力。圖24為刀具精加工殘余應(yīng)力仿真深度方向分布圖（仿真點(diǎn)為圖31中的5點(diǎn)），從圖中殘余壓應(yīng)力從表面逐步減小，但變化很快。 圖32 序號(hào)5 X向殘余應(yīng)力仿真云圖 圖33序號(hào)5 Y向殘余應(yīng)力仿真云圖 remaining stress XX remaining stress YY圖34序號(hào)5的殘余應(yīng)力仿真深度圖 remaining stress depth of simulation從現(xiàn)圖28和圖29仿真結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，由于精加工切削厚度較薄，因此精加工時(shí)產(chǎn)生的熱效應(yīng)較小；同時(shí)由于刀具的前角較小、后角也較小，因此刀具加工過(guò)程中刀具在加工表面產(chǎn)生擠壓與摩擦作用，使加工表面層產(chǎn)生拉伸變形，也容易產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。由于精加工過(guò)程中，切削厚度較小，切削熱量小，因此在刀具參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程中可以較少考慮刀具角度參數(shù)對(duì)加工中產(chǎn)生的熱效應(yīng)的不利影響，而多考慮刀具參數(shù)對(duì)殘余拉應(yīng)力的影響。 本章小結(jié)本章主要針對(duì)樅樹型輪槽銑刀進(jìn)行建模仿真研究，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助手段，模擬刀具切削過(guò)程，進(jìn)行刀具切削溫度、切削力、切削殘余應(yīng)力分析。由于金屬切削是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，伴隨著高溫、高壓、高應(yīng)變率的塑性大變形。通過(guò)建模仿真預(yù)測(cè)，能快捷地預(yù)測(cè)出加工汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子用樅樹型輪槽銑刀的切削熱、切削力、殘余應(yīng)力大小，對(duì)高效、先進(jìn)刀具的設(shè)計(jì)有很大幫助，對(duì)刀具開發(fā)具有指導(dǎo)意義，節(jié)省了大量的切削試驗(yàn)時(shí)間，同時(shí)加快刀具設(shè)計(jì)、開發(fā)的速度。從建模仿真分析得到結(jié)論：（1） 從理論上講，凡能減小塑性變形和降低切削溫度的因素都能使加工表面的殘余應(yīng)力減??；（2） 從刀具設(shè)計(jì)參數(shù)角度上，采用較小的前角和刀具后面變小有利于在已加工表面形成殘余壓應(yīng)力。（3） 從切削條件方面講，切削速度增加時(shí)，加工表面易形成殘余拉應(yīng)力，進(jìn)給量增加時(shí)，殘余應(yīng)力層深度也隨之增大，吃刀量對(duì)殘余應(yīng)力影響不大。（4） 從宏觀來(lái)看，切削力對(duì)殘余應(yīng)力影響并不明顯。上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第四章 樅樹型輪槽銑刀切削試驗(yàn)研究第四章 樅樹型輪槽銑刀切削試驗(yàn)研究 試驗(yàn)?zāi)康暮蛢?nèi)容在第三章中，通過(guò)有限元分析手段已對(duì)樅樹形銑刀進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為了論證刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性與可行性，因此在刀具切削試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)刀具的切削試驗(yàn)，研究刀具加工時(shí)的切削熱、切削力、切削振動(dòng)、斷屑及刀具磨損情況，對(duì)刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加以論證，以此找出高效、高性能樅樹形銑刀的合適的切削試驗(yàn)方案，對(duì)刀具的切削性能作出評(píng)價(jià)。 試驗(yàn)方案本次切削試驗(yàn)共分兩個(gè)部分進(jìn)行，其中刀具切削熱和切削力部分的研究通過(guò)采用等效原則的方法，即選取標(biāo)準(zhǔn)刀具在加工中心上進(jìn)行切削性能評(píng)價(jià)。由于樅樹型輪槽銑刀的型線復(fù)雜，針對(duì)樅樹形輪槽銑刀加工過(guò)程中，刀具型線上不同點(diǎn)的切削速度、進(jìn)給量和吃刀量不同，一次走刀得到的材料加工表面的殘余應(yīng)力差別必定很大，由此很難測(cè)量出加工現(xiàn)場(chǎng)刀具不同點(diǎn)的受力和溫度情況。同時(shí)，從被加工材料角度看，該種材料為進(jìn)口材料，目前國(guó)內(nèi)尚缺乏該種材料的切削性能評(píng)判數(shù)據(jù)，由此結(jié)合這兩方面因素，選用標(biāo)準(zhǔn)刀具對(duì)刀具在加工過(guò)程中的切削力和切削熱進(jìn)行分析；樅樹型輪槽銑刀切削振動(dòng)、斷屑及刀具磨損情況，通過(guò)在汽輪機(jī)廠加工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行刀具切削試驗(yàn)。（1）等效原則方案等效原則是指采用等效切削速度，等效切削厚度和等效每齒進(jìn)給量的原則，即分別取樅樹形銑刀輪廓形線上12個(gè)不同位置的點(diǎn)AM（如圖17）作為研究對(duì)象。由于刀具每點(diǎn)的外徑都不相同，因此對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算與采集造成一定困難。采用等效速度、等效切削厚度、等效每齒進(jìn)給量的原則，可將不同外徑處點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，換算成在相等外徑時(shí)，近似計(jì)算出試驗(yàn)銑刀進(jìn)行切削加工的加工參數(shù)，簡(jiǎn)化的試驗(yàn)的復(fù)雜性。因此在本次試驗(yàn)中，切削熱和切削力的研究采用等效原則法。所謂等效切削速度是指將成形銑刀上各點(diǎn)離散化，： ……（）式中：刀具點(diǎn)線速度成形銑刀各點(diǎn)直徑成形銑刀轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)刀具直徑標(biāo)準(zhǔn)刀具轉(zhuǎn)速。根據(jù)成形銑刀各點(diǎn)直徑和轉(zhuǎn)速，計(jì)算出線速度，再由線速和標(biāo)準(zhǔn)刀具直徑計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)刀具轉(zhuǎn)速。所謂等效切削厚度和等效每齒進(jìn)給量是指成形銑刀和標(biāo)準(zhǔn)刀具的形成切削時(shí)厚度和方式的相似性，根據(jù)下面公式： ……（） ……（）式其中切削厚度每齒進(jìn)給量進(jìn)給量齒數(shù)轉(zhuǎn)速接觸角度。計(jì)算步驟為：由于成形銑刀和標(biāo)準(zhǔn)銑刀是不同的，樅樹形銑刀是整體式的刀具，它對(duì)材料的去除余量是由刀具本身的尺寸來(lái)保證的，而不是通過(guò)機(jī)床參數(shù)來(lái)控制的，因此成形銑刀加工過(guò)程中的側(cè)吃刀量通過(guò)刀具圖紙來(lái)確定，然后根據(jù)、和刀具半徑的關(guān)系可確定出，求出等效切削厚度，再轉(zhuǎn)化到標(biāo)準(zhǔn)刀具（）按上面的方法，逆向?qū)С觯ㄟ@就是等效的每齒進(jìn)給量）。試驗(yàn)中選用的刀具為直徑為φ12，4刃的圓柱立銑刀，所得計(jì)算結(jié)果列入表2。圖35 整體式圓柱立銑刀 Standard cylindrical milling cutter表2標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行切削的加工原始參數(shù)序號(hào)切削速度Vc(m/min)回轉(zhuǎn)速度n (rpm)進(jìn)給速度Vf(mm/min)每齒進(jìn)給量fz (mm/z)背吃刀量ap(mm)側(cè)吃刀量ae(mm)切削厚度ac(mm)切削寬度aw(mm)刀具懸長(zhǎng)(mm)A630B998630C630D864630E630F630G630H630I630J630K630M630從表2觀察可知，從A點(diǎn)至M點(diǎn)的等效加工參數(shù)，有的變化不明顯、有的變化較大，根據(jù)正交試驗(yàn)的原則，最后制定出優(yōu)化加工參數(shù)，如表3所示（C組中的C1和C2以及O組、P組參數(shù)的主要目的是，研究進(jìn)一步提高側(cè)向切深、切削速度和進(jìn)給量的可能性）表3 標(biāo)準(zhǔn)刀具進(jìn)行切削的優(yōu)化加工參數(shù)參數(shù)組序號(hào)切削速度Vc(m/min)回轉(zhuǎn)速度n (rpm)進(jìn)給速度Vf(mm/min)背吃刀量ap(mm)側(cè)吃刀量ae(mm)刀具懸長(zhǎng)(mm)B16302345C16302346567E1630234522003250表3（續(xù)）參數(shù)組序號(hào)切削速度Vc(m/min)回轉(zhuǎn)速度n (rpm)進(jìn)給速度Vf(mm/min)背吃刀量ap(mm)側(cè)吃刀量ae(mm)刀具懸長(zhǎng)(mm)F16302345I16302345O1160015063022003250P1180015063022003250（2）生產(chǎn)加工現(xiàn)場(chǎng)切削試驗(yàn)方案現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)使用的樅樹型輪槽銑刀為整體式M42含鈷高速鋼成形刀具，刀具分為粗刀、 半精刀、半精刀和精刀，如圖16所示（從左至右依次是粗刀、半精刀、半精刀、精刀）。現(xiàn)場(chǎng)切削加工過(guò)程中，分三種加工方案：方案A，粗刀→半精刀→半精刀→精刀；方案B，粗刀→半精刀→精刀；方案C，粗刀→半精刀（50刀柄）→精刀。現(xiàn)場(chǎng)加工切削試驗(yàn)主要從加工過(guò)程的振動(dòng)分析、切屑形貌、刀具磨損情況來(lái)分析刀具的性能。加工現(xiàn)場(chǎng)刀具切削參數(shù)如表4所示：表4刀具加工參數(shù)刀具粗加工半精加工精加工參數(shù)轉(zhuǎn)速（r/min）進(jìn)給（mm/min）轉(zhuǎn)速（r/min）進(jìn)給（mm/min）轉(zhuǎn)速（r/min）進(jìn)給（mm/min）185181101111011圖36與圖37分別為粗切刀與半精刀加工現(xiàn)場(chǎng)。 圖36 粗銑刀加工現(xiàn)場(chǎng)圖 圖37 半精刀加工現(xiàn)場(chǎng)圖 Rough working scene Semifinished working scene加工過(guò)程中，切削用量對(duì)切削溫度有較大的影響。采用夾絲熱電偶法測(cè)量加工過(guò)程的溫度中，刀具后刀面和工件以及康銅絲的接觸點(diǎn)即為熱接點(diǎn)，因此所測(cè)得的溫度應(yīng)該為刀具后刀面的溫度。由于被加工工件材料的導(dǎo)熱性能很低，這必將使刀具上的大量熱量集中在加工區(qū)域，從而對(duì)加工后形成的加工表面質(zhì)量產(chǎn)生影響。可見(jiàn)，采用夾絲熱電偶法研究該種材料的切削加工溫度特性是可行的。要分析加工過(guò)程中溫度對(duì)加工表面質(zhì)量的影響，主要應(yīng)該從分析不同切削用量單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量和傳出的熱量入手。眾所周知，加工時(shí)所做的功大部分轉(zhuǎn)化為熱能。在轉(zhuǎn)化的總熱能中，除了極少的一部分以熱輻射的形式耗散外，其余的熱量均由刀具、工件以及切屑來(lái)承擔(dān)。本部分試驗(yàn)中，由于采用同一種標(biāo)準(zhǔn)刀具，故這里不考慮刀具的影響，主要是從工件、切屑和切削用量的變化來(lái)分析加工過(guò)程中溫度的變化規(guī)律。圖38圖44是不同的加工參數(shù)序號(hào)B、C、E、F、I、O和P的溫度變化圖（參數(shù)序號(hào)見(jiàn)表3）。從圖38可以看，在B參數(shù)組中，前三種切削用量的情況下，所測(cè)得的溫度基本相同，都超過(guò)300℃，后來(lái)兩種的切削溫度則有所降低；最低溫度值為237℃（B5時(shí)），最高溫度為311（B3時(shí)）；值得注意的是，B2和B3時(shí)的切削用量和實(shí)際加工時(shí)半精加工刀具B點(diǎn)和G點(diǎn)（見(jiàn)圖17）的切削用量相似，故可以認(rèn)為兩者溫度分別為304℃和311℃，而半精加工刀具D點(diǎn)的切削用量介于B2和B3之間，且兩者的溫度差不大，因此可以近似認(rèn)為其溫度位于311℃附近。圖39是加工參數(shù)組C的切削溫度圖，其中，C1C3是在其他條件不變，只改變側(cè)向切削深度，C3C7則是在其他條件不變，只改變進(jìn)給速度。從圖39可以看出，增加側(cè)向切削深度，切削溫度略有降低，但變化幅度不大；改變切削進(jìn)給速度，切削溫度逐步降低，降低的幅度逐步增大；該參數(shù)組中，最大的切削溫度為400℃（C3時(shí)），最小切削溫度為208℃（C7時(shí)）；值得注意的是，C3時(shí)的切削用量和實(shí)際加工時(shí)半精加工刀具C點(diǎn)（見(jiàn)圖17）的切削用量相似。圖38 加工參數(shù)B組切削溫度圖 圖39 加工參數(shù)C組切削溫度圖 Group B cutting temperature Group C cutting temperature圖40是加工參數(shù)組E的切削溫度圖。與圖38和圖39相比，該組參數(shù)中所測(cè)得的切削溫度明顯的降低，最大溫差在150℃，提高幅度達(dá)60%，可見(jiàn)對(duì)于該種材料來(lái)說(shuō)，切削速度的提高較大的提高了材料的切削溫度。圖17中溫度的變化范圍為254~204℃，總體上切削溫度隨著進(jìn)給量的增加逐步降低；E1時(shí)所測(cè)得的溫度最高，E5時(shí)所測(cè)得的溫度最低。需要指出的是，E2和E4時(shí)的切削用量分別和實(shí)際加工時(shí)半精加工刀具J點(diǎn)和E點(diǎn)（見(jiàn)圖17）的切削用量相似，兩者溫度分別為236℃和223℃。圖41是加工參數(shù)組F的切削溫度圖。與圖40的E組相比，切削溫度有緩慢