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关键词：端面铣削；铝合金；有限元仿真

[摘要]: 铝合金的端面铣削加工过程是一个非常复杂的工艺过程，加工质量、加工效率与刀具几何参数、刀具磨损、温度场的分布、切屑的行程及移动有着非常密切的练习。传统的实体实验的研究方法，成本巨大，研究人员众多，时间漫长，研究结果不理想，已经无法满足现代机械加工业对于金属切削过程的研究需求。随着时代发展，计算机技术有了长足的进步，目前利用数值仿真的方法对铝合金端面铣削过程进行计算机虚拟仿真，为了选择端铣面加工工艺中的端铣刀合理几何参数，对端面铣刀几何结构（前角、后脚等）进行优化设计。

1、前言：

铝合金是一种较为传统的金属零件材料，因为其密度小、比强度高等特点,十分广泛地被应用于航天、汽车制造、航空、机械加工等各行业。随着时代进步带来的现代金属加工工业及铸造技术的发展,现代工业对与铝合金有着越来越大的需求量和精度加工要求。其中端面铣削由于加工面积大，相对来说较为耗时，在探究刀具几何参数设计对具体铣削过程的影响时，传统的实体实验的方式已经无法满足要求，所以利用目前较为合适的有限元法对铝合金的端面铣削加工过程进行仿真，探究期间的切削力，温度场，切屑等参数，以期望研究出刀具几何参数对端面铣削过程的影响机理，改进端铣刀的几何参数设计。目前大多数基于基本变量和加工性能的刀具几何参数评估基本都是通过二维模型预测的，但是由于实际加工过程发生在三维空间内进行的，而且从端面铣削加工工艺角度来看，三维模拟是有必要的而且是未来的发展方向。

2、国内外研究概况：

1.铣削加工是一种较为先进制造的重要基础技术，具有如切削力小、切削温度较低、加工精度和效率高、且加工成本低等一系列优点，普遍应用于汽车、船舶、轨道交通、航空航天等的基础零件加工及模具加工中。^[1]

其中端面铣削过程是一个复杂的铣削变形过程，工作状况十分恶劣，传统研的方式及方法主要是基于实体试验，相对来说时间长、成本高、数据难获取。不同的切削方式、刀具几何参数、刀具材料、工件材料所适用的加工用量范围也有明显差异。^[2][3]但是随着时代的发展计算机相关技术的获得了长足进步，有限元法现在已经成为端面铣削加工过程模拟中主要且重要的工具，与其他费事、费时、费力的传统方法相比，它已经大大提高了对端面铣削加工仿真结果的准确性、降低了成本与模拟时间。

目前国际上对端面铣削过程有限元法模拟方面的研究已经有了一定的深度，最初相对简单的剪切平面法已经无法满足对铝合金端面铣削过程的研究要求，研究方法已经发展到相对来说更加复杂更加具体的有限元方法。

有限元的定义：有限元法（FEM，Finite Element Method）是一种为了求解偏微分方程边值问题近似解的数值技术。求解时把整个大问题区域进行相对细致的分解，每个子区域都可以成为较为简单的部分，这种简单的部分就被称作有限元。^[4]最终为解决一些较为复杂的工程分析计算问题提供了一种十分行之有效的途径。在工程实践中，有限元分析软件与计算机辅助设计(Computer Aided Design,CAD)系统的集成应用使刀具设计水平发生了质的飞跃，主要表现在以下几个方面:
1).增加更多设计功能，减少了设计成本；
2).缩短了相关设计和分析的循环周期；
3).增加产品和工程的可靠性；
4).可以更宽的采用优化设计，降低刀具材料的消耗或成本；
5).在产品实际制造或工程具体施工前预先发现潜在的问题；
6).更全面地模拟各种试验方案，减少试验时间和经费；
7).进行各种机械事故分析，并查找事故原因；

而端面铣削过程的有限元分析主要是构建模型，在端面铣削过程的构建模型方法中，有限元法代表着最新的发展趋势之一。它利用了大变形塑性理论^[5]，数值解技术及计算机计算能力的飞速发展。几乎能模拟金属切削过程的各个方面，从而更为细致的揭示切削过程。