基于Ansys Workbench的智能高精度切削力自感知铣刀模态分析

摘要：通过ANSYS有限元分析，研究了智能高精度切削力自感知铣刀在工作条件下因为切削热引发的热膨胀现象，发现了在铣刀高速过程中温度变化对刀具性能和刀具半径的影响机制，为改进刀具设计、提升加工质量开辟了新的途径。

关键词：有限元；切削热；铣刀

Abstract： Through ANSYS finite element analysis， the thermal expansion phenomenon of intelligent high-precision cutting force self-sensing milling cutter caused by cutting heat under working conditions is studied， and the influence mechanism of temperature change on tool performance and tool radius in the high-speed process of milling cutter is discovered， which opens up a new way to improve tool design and machining quality.

Keywords： finite element; Cutting heat; milling cutter

近年来，智能铣刀领域有了显著的发展，智能铣刀是一种先进的切削工具，它集成了现代传感器技术、自动控制技术以及计算机技术，能够实现对切削过程的监控和控制。汪东明等[1]针对目前的铣刀设计进行了研究，发现刀具设计应与智能系统相结合。李雪冰[2]对加工过程中刀具磨损智能监测技术进行了研究，采用了多种方法来监测铣刀磨损情况。李建兵等[3]基于ansys对不同悬伸量的硬质铣刀进行了模态分析，发现当硬质合金立铣刀在外力作用下的振动频率远离其固有频率时不会发生震颤。该铣刀利用热电偶发热来控制刀具的膨胀，并通过热电偶上的温度传感器监测温度的变化，进而使铣刀的切削深度在一定范围内变化，以达到在铣刀高速过程中温度变化对刀具性能和刀具半径的监测的目的。

一、铣刀主要结构分析

该铣刀由刀身、刀柄、刀刃、热电偶、滑环以及配套的螺钉等结构组成。刀身内安装有热电偶来提供刀具所需要的热量，并附带温度传感器来对温度进行精准检测。铣刀中段装配有滑环，连接到将铣刀整体固定在刀架上，用来接收温度传感器所传输的信号，铣刀整体工作时在滑环内旋转切割（图1）。

二、铣刀热变形分析设置

1.铣刀的三维模型建立

Ansys Workbench有限元分析软件只能建立形状相对简单的几何结构，复杂几何结构的建立需要借助其他三维建模软件。在三维建模软件中建立所需的几何结构体模型，模型建好以后将其保存为Ansys Workbench有限元分析软件可以读取的格式。该铣刀结构复杂，无法直接在Ansys Workbench有限元分析软件中直接建立，因此需要在三维建模软件中建立其模型，本文选择SolidWorks三维建模软件，建立整体铣刀的三维模型。

2.铣刀三维模型结构导入与网格划分

本文将在Solid Works三维建模软件中建好的整体铣刀模型保存为 x _ t格式，导入 Ansys Workbench有限元分析软件中，由于温度对刀身半径影响，这里只对刀身热分析（图2）。

3.分析设置

设置材料结构为结构钢，温度变化从0-10s热电偶温度变化范围22℃-400℃，添加温度的求解方案，添加刀具固定支撑。

4.求解

设置求解方案，添加三坐标定向变形以及总变形，最后求解（图3-6）。

三、结论

刀具半径在高温工作状态下X，Y，Z轴和总半径随温度增高增大，与温度呈线性相关的关系，可以通过控制刀具中导热性良好的液体控制铣刀的温度，同理可以通过设置指定温度区间实现刀身膨胀，进而改变切削深度。

参考文献：

[1]汪东明等.数控铣刀设计与优化技术研究综述[D].江苏电子信息职业学院.2023.

[2]李雪冰.铣削加工过程刀具磨损及破损状态智能监测技术研究[D].哈尔滨理工大学.2023.

[3]李建兵，柴柱，程文星.基于Ansys Workbench整体硬质合金立铣刀模态分析[J].金属加工（冷加工） ，2021（3）.

【作者简介】覃正宇（2004.02-），男，汉族，广东深圳市人，天津职业技术师范大学本科在读，主要研究方向：智能制造技术。

【基金项目】大学生创新创业训练项目（编号：202310066027）。