汽车模具拐角加工铣削力建模及仿真

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1、汽车模具拐角加工铣削力建模及仿真　　摘要：针对数控加工汽车模具型腔中的典型特征拐角时，由于刀具切削余量的增加引起刀具振动加大、噪声加剧、铣削力变化明显及刀具与加工表面挤压加大产生振颤，造成刀具刚性不足、使用寿命降低、加工型面表面粗糙度不均等问题，以汽车模具典型特征拐角为研究对象，依据任意角度铣削拐角几何关系，采用有限元模拟分析方法，进行铣削力建模及仿真，首先建立任意角度拐角铣削过程平均切削厚度计算模型，然后进行铣削力系数识别试验确定铣削力系数；其次结合铣削厚度公式及铣削力系数，建立平底立铣刀拐角加工

2、过程建立瞬态铣削力数学模型；最后对拐角瞬态铣削力进行仿真预测，并与拐角铣削加工试验结果对比，结果表明，仿真软件能有效预测拐角铣削力，为切削参数优选提供参考和理论支撑，　　关键词：汽车模具；拐角；铣削力建模；仿真预测　　DoI：10.15938/j.jhust.2016.04.010　　中图分类号：TG506　　文献标志码：A　　文章编号：1007-2683（2016）04-0050-09　　0引言9　　模具被广泛应用于汽车、航空航天等领域，而模具材料通常是典型的高强度、高硬度材料，属于难加工材料，模

3、具形貌特征复杂，在其型面或型腔内上存在很多不规则特征的拐角，于是带来诸如加工效率不高、模具表面质量难以充分保证、刀具使用寿命过短等一系列问题，这在很大程度上制约了我国模具技术的发展，在汽车模具中的拐角表现为多样化和不规则性的尖角、圆角或钝角等，角度大小不同的过渡线连接可能出现在平面、斜面或自由曲面上，图l（a）和（b）具有不同复杂拐角的典型汽车模具样件，　　模具曲面拐角处的加工，由于刀轴运动响应过快，易超出机床允许值，极易导致模具加工表面出现加工缺陷，如图l（c）所示。　　目前，铣削力预测方面的研究

4、主要集中于三轴平面及简单的曲面铣削，对于模具拐角加工刀路轨迹铣削力预测的研究相对较少，在铣削力预测建模方面，Marrtellotti最早提出了平面铣削摆线运动轨迹，同时得到瞬时铣削厚度，而且针对刀具半径远大于每齿进给的情况，把刀具刃线轨迹看做圆，Koe―ni～sberge与SabberwM确立了铣削加工力学模型的基本形式，TakashiMatsumura9利用正交切削数据建立了流屑模型，基于最小能量法提出了针对流屑模型预测的铣削力模型，但利用此预测模型需要大量的计算，过程复杂且预测精度不高，Feng

5、等将铣刀螺旋刃投影到半球面上建立近似的刃线方程，采用包含幂函数的非线性铣削力模型，建立了考虑球头铣刀倾斜和偏心因素的铣削力模型，成群林等提出了单刃螺旋立铣刀斜角切削有限元模型，研究中考虑到了铣削加工切削厚度变化特点，提高铣削力模拟的精度，杨勇建立了双螺旋刃即主、副切削刃同时切削的有限元模型，并对钛合金材料Ti6A14v进行了铣削力模拟研究，方刚等采用DEFORM有限元软件建立了二维有限元模型，模拟了正交切削过程，分析了切削力情况，王聪康应用ABAQUS有限元分析软件对斜角铣削加工过程进行模拟仿真，建

6、立了有限元模型，然而目前有限元模拟分析不能准确的反应实际的铣削加工过程，研究技术依然不够成熟，Li等建立了基于假设刀齿路径呈圆形的铣削力机械模型，在刀具直径远大于每齿进给量的情况下可以获取较高运算精度，但是此法的通用性较差，WuLm针对薄壁件拐角铣削过程，对通过优化切削参数来优化薄壁件拐角切削及加工稳定性进行了研究，吕苗苗对型腔圆角铣削力进行了相关研究，基于切削力经验公式给出了圆角铣削力公式，但该方法需要大量的铣削力系数测试实验，并且计算精度相对较低，吴世雄等针对拐角铣削力因素做了大量实验研究，分析

7、了主要切削参数及拐角角度对铣削力的影响，但只是定性的分析了各个因素的影响程度，而没有给出准确的拐角切削力模型，　　铣削力模型建立后，铣削力的仿真可以快速的反映出加工过程中参数的相关变化规律，数控加工仿真按是否考虑物理因素分为几何仿真和物理仿真，几何仿真只考虑刀具和工件几何运动，验证数控加工程序，检查刀具的干涉与碰撞等几何因素，物理仿真是考虑加工参数下，通过仿真模拟加工过程中动态力学特性，进而分析、预测刀具振动变形和刀具磨损等物理参数，Jalilisaffa建立刀具的实体模型并利用模型模拟铣削力及刀具

8、变形，模拟结果能很好的匹配上理论分析及实验的结果；Gonzalo建立两刃刀具模型，并利用有限元对铣削过程进行分析得到铣削力；黄志刚等基于切削加工的热一弹塑性有限元技术建立了热力耦合模型并进行切削仿真，将切削力与实验数据进行分析，验证其模型的准确性，丁云鹏针对多轴联动数控机床，建立铣削力模型，利用UG软件开发铣削力仿真系统，但是其铣削力建模是基于静态完成的，实际中动态特征还没有加以考虑，9　　由于拐角精加工时的加工余量过小，刀具与工件的挤压作用明显，导致工件材料不能以正