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模具制造業(yè)中，高速加工代替電加工成為發(fā)展趨勢。模具型腔精加工的典型工藝為：毛坯粗加工→半精加工→熱處理→精加工(高速或超高速銑削)。在精加工工序中常利用小直徑銑刀在高速下進行清角和微細結(jié)構(gòu)加工(小直徑刀具若在低轉(zhuǎn)速下工作，將會使刀具崩刃或斷裂)，小直徑銑刀受力容易變形，導致加工精度缺失。因此，對小直徑銑刀的銑削力應(yīng)力場進行有限元分析很有必要。
圓周銑削加工的幾何關(guān)系見圖，在此不考慮銑刀漸進磨損過程，瞬時動態(tài)銑削力可分解為瞬時圓周銑削力dFti(切向力)和瞬時垂直切削力dFri(徑向力)，考慮到瞬時切屑厚度及刀具有效前角對動態(tài)銑削力的影響，圓周銑加工有不同的加工方式，即順銑和逆銑。順銑和逆銑加工時每個切削刃的總切削力在x、y向的分量。
根據(jù)銑刀制造的原理，選擇去除材料的方法來完成銑刀模型的建立。銑刀是中心對稱結(jié)構(gòu)，本研究的銑刀齒數(shù)為3，所以取銑刀的1/3進行建模，然后，利用特征命令完成整個模型的建立。
銑削力試驗采用Kistler(9257B)三向動態(tài)測力儀、電荷放大器(5017B)和A/D轉(zhuǎn)換卡，測量高速切削時不同切削條件(不同的切削速度、切削深度、進給量)的切削力，該試驗所獲得的切削力還可確定FEM所需的受力邊界條件，為應(yīng)力場有限元分析建立邊界條件作好準備。
實體建模完成后，必須對實體模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分見圖。然后施加邊界條件，由銑削力試驗可得Fx=546N，F(xiàn)y=532N，F(xiàn)z=472N，將其施加到立銑刀前刀面上即可進行有限元分析。
計算機輔助解算后，經(jīng)后處理得到立銑刀切削時的三維應(yīng)力場分布，結(jié)果見圖。從圖可明顯看出，立銑刀的應(yīng)力主要分布在銑刀懸臂處及刀刃處。
利用UG建立了小直徑立銑刀實體模型，根據(jù)切削力實驗結(jié)果給出了邊界條件，在立銑刀有限元模型上加載，然后利用有限元分析模塊對立銑刀在切削過程中的應(yīng)力場進行了分析研究。立銑刀的瞬時應(yīng)力場云圖顯示了切入、切出及切削中應(yīng)力變化規(guī)律、應(yīng)力峰值及其峰值區(qū)域，為優(yōu)化切削用量各參數(shù)與銑削力之間的關(guān)系及小直徑刀具高速加工復雜型腔模具時加工精度的提高奠定了基礎(chǔ)。
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