FEM investigation of cutting force components in high-feed face milling

Abstract

Face milling is widely used cutting method for creating planar surfaces. The efficiency of the machining process can be increased by removing the same undeformed chip cross section with higher feed rates and less allowance. The article shows the effects of this changing ap/fz ratio on the different cutting force components acting both on the workpiece and on the tool. The force values were determined by FEM simulation, and then the results were validated by data obtained by cutting experiments.

Торцеве фрезерування є широко використовуваним методом різання для створення плоских поверхонь. Ефективність процесу обробки може бути збільшена шляхом видалення того ж недеформованого поперечного перерізу стружки з більш високими швидкостями подачі і меншими припусками. У статті показано вплив цього мінливого відношення ap/fz на різні складові сили різання, що діють як на заготовку, так і на інструмент. Значення сили були визначені за допомогою моделювання FEM (метод кінцевих елементів), а потім результати були підтверджені даними, отриманими в експериментах по різанню. Вивчено характер зміни різних компонентів сили, що діють на заготовку (Fx, Fy і Fz). Можна констатувати, що всі вони зменшуються зі збільшенням подачі на зуб і, отже, зі зменшенням відносини ap/fz. Таким чином, зменшення відношення ap/fz робить позитивний вплив на стабільність процесу різання. Однак слід зазначити, що шорсткість поверхні зазвичай погіршується зі збільшенням подачі, тому повинна бути оптимальна точка для фактичного процесу різання. Крім того, змодельована компонента Fz почала швидко зростати при ap/fz = 0,5. Це показує, що «зворотний» домен, де це співвідношення менше одиниці, не є усталеним і потребує подальшого вивчення. В цій точці також спостерігається невелике збільшення для модельованих Fy і Fx, але ця зміна не така швидка, як для Fz. Основна сила різання Fc показала чітку тенденцію до зниження разом з компонентом Fp, а сила подачі Ff лише незначно збільшилася. Однак складові сили Fz і Fp мають мінімальні значення, які починають збільшуватися після ap/fz = 0,78, тому це може бути оптимальна точка для процесу. Цей домен може зажадати подальших досліджень.