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关于P20模具钢的球头铣刀刀轴方向的调查报告 摘要： 加工诱导残余应力的产生机理是一个复杂的非线性和热力耦合问题。在加工过程中，切削力和切削温度必须同时考虑。本文则讨论了刀轴方向和每齿进给的切削速度对切削力、切削温度和残余应力的影响，同时并分析了进给方向倾斜角度对应下的有效切削速度。切削力可以通过铣削实验获得，而切削温度则是通过有限元法获得。此外，文章中还讨论了有效切削速度对切削力、切削温度和残余应力的影响及它们之间的关系。为了更好地让读者理解铣削过程，本文则同时采用了实验和数值方法。实验数据分析后便得出几个结论。在进给方向的倾斜角影响有效切削速度，进而将影响切削力、切削温度和残余应力。为了降低切削力，进给方向倾斜角优先选择是5°至30°。工件温度的总体趋势呈现抛物线形状，而切屑的温度随进给方向倾斜角的增大而增大。进给方向残余应力几乎随着每齿进速增加而增加，但放置整个进给速度的范围来看，这并不明显。为了在工件表面产生残余压应力，倾斜角则优先选择在5°至15°。 关键词：P20模具钢 球头铣刀 刀轴方向 引言 P20模具钢由于经过适当热处理而获得的良好抗磨损和腐蚀性能则被广泛用于生产注塑模具。此外，复杂曲面被普遍应用到现代产品设计，这促使了多轴加工的大量使用。因此，P20模具钢的多轴加工值得特别关注，而且球头立铣刀普遍被应用在模具制造业中。 总体而言，加工后的表面质量（表面粗糙度、加工硬化和残余应力）始终是一个重要的研究领域，因为它对模具寿命和使用性能有显著的影响。许多有关面粗糙度的研究已经发表。加工后随之产生的物理因素包括加工硬化和残余应力，而残余应力在决定工件疲劳寿命、耐腐蚀性和尺寸稳定方面有重要作用，故其是评价加工后表面完整性的重要指标之一。金属切削过程伴随高应变速率和高温耦合问题，并将产生极大应变，同时会产生切削力和切削热，这通常导致非均匀的塑性变形，最终残余应力会诱导产生。不同进给率和倾斜角对应的残余应力受许多因素的影响，这涉及几何学、运动学和机械学。产生机理非常复杂。切削条件在使用不同的进给方向倾斜角度条件下是不同的，这包括刀具和工件之间的接触区域、参与切削切削刃的切削速度、挤压和摩擦环境和传热条件。 最近，有关残余应力的研究取得了重大进展。威斯纳计算了AISI304正交加工后热影响下的残余应力并讨论了切削速度和切削深度对加工诱导残余应力的影响。雅克布斯等研究了工件内多个点的位置、轴向切削深度和进给速率对加工诱导残余应力的影响。有限元法是一种模拟加工过程的有效解决方案;纳斯尔等 通过对不锈钢AISI316正交切削的分析，研究了工件材料的影响特性—热导率和软化指数对加工诱导残余应力的影响，并同舒尔茨等研究了刃口半径对残余应力的影响；前者通过对伴随连续切屑形成的奥氏体不锈钢AISI 316L正交干切削，提出了一种基于ABAXQUS/EXPLICIT模拟的有限元模型，而后通过使用ABAQUS/STANDARD，研究了有关标准45号钢残余应力的影响。赛特和邓主要研究了刀具—切屑交界面摩擦系数和刀具前角对残余应力的影响并详细阐述了正交切削有限元模拟的设定。黛米等出于考虑工件和球头铣刀之间的位置对残余应力的影响，通过在五轴数控加工机床钛合金用Ti-6AL-4V的球头铣刀铣削加工，研究了能够影响切削速度的工件倾角对残余应力的影响，但该研究是通过指定工件的几何位置而不是改变刀轴方向来实现刀具和工件的相对位置。苏用了包括许多现存机械加工模型的分析方法，通过螺旋立铣刀铣削和硬车削，建立了有关正交切削残余应力的模型。从上面的描述来看，有关球头铣刀刀轴方向和残余应力之间关系的研究甚少。 本文旨在研究进给方向刀具倾角并每齿进给量对切削力、切削温度和加工诱导表面残余应力的影响。研究通过实验和数值方法，分析测定了切削速度、切削力和切削温度，并阐述了切削速度，切削力和切削温度对铣削过程中残余应力的影响。模具钢通常用于生产复杂曲面的产品，在该材料的多轴加工过程中，倾角是一个重要的因素。因此,本研究显示了它的重要性和价值。 实验和仿真的详细说明 实验设定 该实验使用了机床DMU60P hi-dyn DECKEL MAHO。工件材料是P20模具钢。104×75mm工件的顶面被分成30个区域。实验中使用的双齿刀具是碳化涂层硬质合金立铣刀。加工坐标系、切削方向和刀具如图1所示。在坐标系中，z轴与垂直加工表面的方向一致，x轴与垂直刀具进给的方向一致，y轴与进给方向一致。实验加工过程使用如图2所示。 Kistler 9257 b测力计和电荷放大器用于测量切削力。Xstress3000用于测量残余应力,X3000应力分析仪由两个对称的探测器组成，用来记录来自两个相反方向的衍射独立信号，每个探测器使用互的方法设置峰值并能保证较高的测量精度。