刀具前角对螺纹铣刀铣削性能影响的仿真分析

螺纹加工在机械制造工艺过程中占据着重要的地位，而螺纹铣削作为近年来快速发展起来的一种新型螺纹加工方法，相对于传统的螺纹加工方式，具有加工精度及效率极高、加工时不受螺纹结构及旋向的限制等优势，在现代机械零件螺纹加工过程中的应用越来越广泛[1-2]。在螺纹铣削加工过程中，刀具前角将直接影响切削过程中的变形和摩擦，进而影响切削力的大小和切削热的产生；而合理选择刀具前角能有效降低切削力和切削温度，研究了螺纹铣刀的主要设计及加工等问题，并对螺纹铣削的加工参数进行了计算；才卫国[6]、蔺小军[7]等人对螺纹铣削加工技术进行研究，分别阐述了利用G02、G03的螺旋插补功能进行铣削螺纹的加工方法和螺纹铣削刀位轨迹以及走刀步长的确定方法。由此可知，目前对螺纹铣削刀具本身的结构研究相对较少。
 
1 螺纹铣削基础
 
1.1 螺纹铣刀工作原理
 
螺纹铣削是通过主轴高速旋转并做圆弧插补的方式进行螺纹加工的[8]。螺纹铣刀加工工件时，刀具轴线(机床主轴)与被加工工件轴线相互平行；在数控机床上完成对刀后，螺纹铣刀随主轴进行自转，同时绕工件轴线作公转和轴向移动，其中铣刀每公转一圈沿工件轴线移动一个螺距P；并通过铣刀的成形牙型切削工件形成螺纹。
 

1.2 螺纹铣刀的结构
 
可转位螺纹铣刀相对于整体式螺纹铣刀，具有刀片不需重磨(生产成本低)、不同牙型标准的刀片可在同一刀杆上的互换性加工(加工效率高)等优势，因而在实际加工生产过程中应用广泛。本文以以色列瓦格斯(VARGUS)公司MiTM系列中ISO牙型标准的某一型号可转位螺纹铣刀为研究对象，对其进行了必要的结构简化设计与修改，该螺纹铣刀是靠刀片本身的前角以及刀片装夹在刀杆上横向的一个偏心距离d来形成刀具的前角与后角；因此在刀具的设计过程中，可以适当地改变刀片前角以及调整偏心距离来改变最后刀具的前、后角。
 
1.3 刀具材料及其几何角度确定
 
在实际加工过程中，可用作螺纹铣刀刀片材料的有高速钢、硬质合金、金刚石等，但考虑到加工成本和效率以及相关涂层技术，通常采用硬质合金作为刀片材料，并进行TiN和TiAlN涂层等；刀杆材料常采用高强度合金钢(如42CrMo等)。本文选择YT类硬质合金作为刀片材料，其力学性能[9]如表1所示。螺纹铣刀刀具几何角度中前角(γo)、后角(αo)等2个角度对切削加工影响最大，本文参考《机械加工工艺手册》[10]，并结合成型铣刀刀具的结构特点，设置铣刀前角γo=0° 、3° 、6° 、9° 、11° ，后角αo=12° 。
 
1.4 工件材料及切削用量的选择
 
45号钢具有较高的强度和良好的切削加工性，同时经过适当的热处理后便可获得不同的塑性、韧性以及耐磨性等，因而被广泛应用于轴类零件和模具行业中，本次螺纹铣削加工研究的工件材料选择45号钢调质处理，其力学性能如表2所示[11]。通过查阅《机械加工工艺手册》[10]，并结合ISO标准螺纹牙型的特点，设置铣削速度v=1 m/s、每齿进给量fz=0.15 mm/z、背吃刀量ap=1 mm以及铣削宽度(径向切宽)ac=0.7 mm。
 
2 铣削过程有限元仿真
 
2.1 仿真与工件模型建立
 
AdvantEdge FEM是由美国Third Wave Systems公司开发研制的一款专门用于优化金属切削加工工艺参数的CAE软件；本文考虑到加工仿真的效率以及软件条件的限制，采用二维铣削方式进行加工仿真，并建立2D铣削仿真如图3所示；采用标准建模方式建立工件模型，并选择工件材料为45号钢(美国标准钢号为1045)。铣削过程中轴向进给方向为Z向，X和Y方向分别为切削速度方向和径向进给方向。
 
2.2 刀具模型建立与网格划分
 
采用标准建模方式与自定义功能建立铣刀模型如图5所示，其中刀具前角与后角按照之前确定的参数进行设置。网格的划分直接影响到仿真结果的精确程度，为了得到最优网格，本次研究采用自适应网格划分和网格重划分技术，进行刀具网格划分参数设置如图6所示：最大单元尺寸0.1 mm，最小单元尺寸0.02 mm，网格划分等级0.4；其中刀具和工件接触区域的网格划分得更密一些，切削刃的网格最小值为0.026 42 mm。
 
2.3 参数设置及仿真分析
 
选择仿真模型为Standard模式，并设置初始环境温度为20 ℃；其余切削参数的设置按照1.4节中确定数据进行。参数设置完成并检查无误后在模拟器中分组进行仿真分析，计算完成后，进行相应的后处理，即可观察到切削力、切削温度等变化。
 
3 仿真结果及分析
 
运用Advantedeg FEM软件进行仿真分析，得到不同刀具前角(γo)条件下，螺纹铣刀铣削过程中切削力和切削温度的变化情况[12]。
 
3.1 刀具前角对切削力的影响分析
 
刀具前角分别取γo=0° 、3° 、6° 、9° 、11° ，后角αo=12° 时。得到X(主切削力)、Y(切深抗力)方向切削力的变化情况。
 
刀具切入工件过程中X(主切削力)方向力从零迅速增大到180 N左右，随后便逐渐降低；而Y(切深抗力)方向力均一直保持在50～100 N范围内波动。图12和图13分别为刀具前角取不同值时X和Y方向切削力变化的对比曲线图，从中可知X和Y方向的瞬时切削力均随前角的增大而减小，出现上述现象的原因是：被切材料金属层的变形量在前角增大时有所减少、变形系数减小，前刀面的摩擦力随之逐渐降低，因而产生的切削力缓慢减小。
 
为了降低切削力并提高刀具寿命，应该选择较大的刀具前角；但考虑到前角增大时，成型螺纹铣刀所切出螺纹的牙形角误差变大，刀具强度也随之降低，因此实际加工中刀具前角取值较小。同时从对比关系图中可以看出刀具前角取3° 时，切削力的波动范围较小、切削加工过程也相对比较平稳，因此本文推荐螺纹铣刀刀具前角取为3° 。
 
3.2 刀具前角对切削温度的影响分析
 
刀具前角分别取γo =0° 、3° 、6° 、9° 、11° ，后角αo =12° 时。
 
切削加工过程中形成的切削热大部分通过产生的切屑带走，其余部分传递到刀具及工件中，刀尖处的温度最高；随着刀具前角的增大，传入刀具的热量在缓慢减少。通过对比分析铣削温度云图可知，切削过程中切削温度均从20 ℃迅速增大到650 ℃左右，之后便在600～700 ℃之间波动；随着刀具前角的增大，切削温度的瞬时最大值缓慢下降，这是由于前刀面与切屑的摩擦作用以及切屑本身的变形均在前角增大的过程中减小，从而单位切削力下降、产生的切削热减少；但其降低过程并不明显，因此考虑到实际加工中刀尖散热条件及其强度等因素，推荐刀具前角取3° 。
 
4 结语
 
本文针对螺纹铣刀铣削加工45号钢为研究对象，运用有限元分析软件AdvantEdge对其加工过程进行模拟仿真；通过对比分析不同刀具前角的选择，对螺纹铣削切削力和切削温度等性能参数的影响，得出螺纹铣刀加工45号钢的刀具前角推荐值(γo=3° )；为实际螺纹铣削加工刀具前角的选择及螺纹铣刀的结构设计与优化提供参考。