莫玉梅

摘 要：模态分析高速面铣刀，得到面铣刀模态参数，高速面铣刀的动态特性与其切削构建起来，确保面铣刀铣削良好的稳定性，提升工件表面质量，这是研究的主要内容。分析了ABAQUS模态分析功能及其模态分析过程、得出有限元模态分析结果，并进行讨论。

关键词：面铣刀；模态参数；切削性能；影响

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.03.008

在国内外研究文献基础上，吸收高速面统刀在洗削安全稳定性和工件表面质量等方面的优势，针对研究存在的缺陷，确定了最终研究目的，也就是本次课题研究的产生及主要内容等。针对高速面銑刀模态参数及其对切削性能影响，从三个方面进行论述：ABAQUS模态分析功能、面铣刀有限元模态分析过程、有限元模态分析结果与讨论。

1 ABAQUS模态分析功能

1.1 ABAQUS的选择依据

高速面铣刀的构成包括刀体、刀片螺钉与楔块等。所以，将面铣刀用作装配体进行处置，与实际情况保持接近。一般ABAQUS与ANSYS是较为常用的模态分析功能的有限元软件，上述两种软件均能解决常规线性问题，模型规模限制与计算时间等比较靠近，而ABAQUS具有较强的结构力学分析能力，接触建模功迎合了铣刀模态分析的需求，得出的模态参数较为准确，获得面铣刀有限元模型比较精确，基于此，进行应力及振动响应的分析，获得的结论更加客观。

1.2 ABAQUS的相关模块功能

ABAQUS的功能模块较多，和面铣刀模态分析有关的包括三个功能模块，分别为STANDARD、CAE、EXPLICIT。ABAQUS/CAE用户界面模块的图形环境相互交互，被应用于建模与分析中，可产生待分析的模型，分解模型结构网格，材料属性与载荷等被设置后，接着监视等，将分析结果可视化呈现。由于高速面统刀的结构比较复杂，可以先在Pro/E、UG等三维造型软件中绘制三维实体模型，再导入ABAQUS/CAE，进行网格划分，使得高速面铣刀的有限元等效模型尽可能地接近其真实结构，提高有限元模态分析的准确程度。ABAQUS求解器中ABAQUS/EXPLICIT模块仅用作暂时事件的模拟中；ABAQUS求解器中的BAQUS/STANDARD是一个常用的分析模块，可解决宽广领域中线性问题与非线性问题。

2 面铣刀有限元模态的分析过程

2.1 铣刀的材料选用

高速切削刀具为高速切削技术提供了基础保障。在有限元模型构建构成中，将结构材料属性值输入其中，在面铣刀中，刀体具有较大的尺寸，其材料属性值很大程上影响整体面铣刀的动态度特性与静态特性。结合铣刀工作稳定性与安全性等，高速切削的面铣刀刀体选用材质要具有较大的强度；刀体表面确保一定的硬度与耐磨性，以防被切屑划伤，钢质材料刀体一般使用45#钢、合金工具钢。表面处理技术与材料科学不断进步，复核材料性能出众，可用作高低速面铣刀体材料，相比钛合金更加出众，完善刀具结构参数，加速复合材料切削，提高加工质量，而钛合金对切口裂纹具有敏感性，只在特殊情况下使用[1]。

2.2 模型检查与接触面定义

PRO/E构建起来的几何模型，植入Abaqus/CAE，为确保装配体模型的几何协调拓扑，需开展各项模型检测。先定义接触对，才能解决在Abaqus/Standard处置面铣刀装配体接触中的问题，以“主/从”公式进行细致计算，确保属于表面的节点被阻挡在主控表面外，通常接触方向为主面法向，顺着主面法向，对接触状态进行检查，促使法向接触力，借助法向，实现传递，借助接触面的切向，摩擦力得以传递[2]。

2.3 模型网格的划分

定义单元类型与材料属性等，单元类型的设置对模型能否划分产生影响，对单元形状，自由网格没有限制，也缺少专门的准则；设置网格需要的参数，设置网格所需参数对网络形状及大小产生很大影响，网格细密会使用计算结构更为精确，而网格太细将挤占过多分析时间，在复杂结构中，过细的网格会产生各种网络连接困难，通过上述两点，为确保高速洗刀良好的有限元分析精度及加速分析，将自由网格法应用于面铣刀装配体模型中，实现对网络的划分。

3 有限元模态分析的结果与讨论

3.1 刀体材料影响振型

对40CrMo刀体材料六齿刀，仅有第一阶段为绕面铣到Z轴变形，其余阶段除了这种变形外，还包含了沿着刀具径向的弯曲。通常铣刀几何结构都是一些对称结构，从理论上看，会出现变形，从每一阶段出现的固有频率看，二三阶段的固有频率非常接近，四五阶段的固有频率较为接近，从中可看出，几何对象具有对称特性。二阶振型的弯曲绕着Y轴，在负Y轴方向上产生弯曲变形，三阶段震型绕着X轴与Y轴正方向的象限平分线方向出现弯曲变形，二三阶段振型弯曲变形尽管方向不同，而弯曲变形相似，四阶段顺着X、Y轴正方向的象限平分线产生弯曲变形，五阶段顺着X轴正方向与Y轴负方向象限平分线产生弯曲变形，四、五阶段具有相似的振型，然而方向并不相同，六阶段顺着Y轴正方向与Z轴正方向的象限平分线出现弯曲变形。

3.2 刀齿密度影响固有频率

面铣刀刀体直径与高度等全部呈现标准化，其中，刀齿密度、刀齿分布等是最主要的可变因素，刀齿密度变化影响铣刀质量、容屑槽形状与体积。这需要重点研究刀齿密度对面铣刀固有频率构成的影响，每齿进给量不变条件下，通过刀齿密度的增加，使每转进给量增加，以加速生产。刀齿密度增大时，切削齿数随之增多，铣削力变大时，削弱了统削稳定性；相对而言，容屑把缩小了空间，适合铣削短切屑材料工件，对要求较大宽加工面及较大统削余量的长切肩材料，并不适用。相反，齿面洗刀拓宽容屑槽空间，可适用于粗、精铣、长切屑的工件。

4 结束语

在分析高速面铣刀模态参数对切削性能影响方面，文中仅从上述几个层面进行阐述，以期从局部对整体研究进行分析，因为篇幅限制，研究难免存有不足之处，后续研究还需深入与充分，促使相关研究趋于成熟。

参考文献：

[1]李晓峰，李研，霍琰，张咏梅.加工复合材料铣刀的研制[J].装备制造技术，2011（04）：162-164.

[2]刘鲁宁.高速面铣刀模态参数及其对切削性能影响研究[D].山东大学，2013.