硕士学位论文-面向快速原型制造CNC切削加工工艺研究.pdf

上海交通大学硕士学位论文 摘要 IV 面向快速原型制造 C N C 切削加工工艺研究 摘 要 快速原型技术的诞生给人们带来崭新的制造理念并在许多领 域得到了广泛的应用 已成为现代设计的重要支撑平台 随着技术的 发展和应用的深入 人们对快速原型件不仅在形状 精度 可装配性 而且在材料表面质量透明度等方面也提出了更高的要求然而 目前的快速原型技术由于受到成型材料和制造精度的限制 很难满足 这些功能要求CNC 切削技术的介入能很好地弥补这些不足面 向快速原型制造的大多数功能材料可以直接加工 如采用适当的加工 工艺就可以得到很高的加工精度以及优良的表面质量 就快速原型技术的基本成型原理来说 采用切削加工的制作方法 具有一定的复杂性和局限性 其主要问题在于原型制造的结构工艺问 题和面向对象的切削参数问题 面向快速原型技术切削加工所使用的 大部分材料为工程塑料 但是 目前难以查到可参考的工程塑料CNC 铣削加工的切削参数推荐和相关的研究文章 且工程塑料与金属材料 的切削机理有较大的区别因此本文就面向快速原型制造 CNC 切 削加工存在的主要两个问题进行了研究 1CNC 切削加工参数的合理选择 通过对平底螺旋铣刀微分化方法建立切削力模型得到切削力 与刀具结构和工艺参数的关系 通过对刀具材料特性及快速原型件材 料切削特点的分析研究给出了刀具材料的选用原则 在理论分析的基础上 以两种常用的工程塑料 ABS 与 PMMA 有 机玻璃 为对象 采用一系列专门设计的试验方案进行切削试验研究 对切削用量与切削热 表面粗糙度的影响 以及切削方式 切削用量 切削余量对切削力的影响及对薄壁工件的加工精度进行试验研究 给 出了上述两种工程塑料的切削用量推荐值 并对面向快速原型制造的 CNC 切削方法提出了指导性的建议 上海交通大学硕士学位论文 摘要 V 结构工艺问题的处理 在面向快速原型制造过程中 经常碰到细长柱和大深度型腔内 凹结构受加工条件限制在加工前需对原型进行分割处理加工后 再进行拼装在分析各种特征识别方法的基础上 选择基于属性邻接 图特征识别方法识别细长柱 并对实体模型工艺结构处理原理及分割 方法进行详细的研究 以 UGII和 VC6.0 为开发平台 利用 UG/OPEN API 接口函数开发了一个与 UG 软件无缝集成的工艺结构处理软件 模块该软件模块界面友好使用方便简化了加工工艺提高了加 工效率 关键词 快速原型制造 工程塑料 CNC 切削 特征识别 UG/OPEN 上海交通大学硕士学位论文 ABSTRACT VI STUDY ON CNC MACHINING PROCESSING TECHNIQUES FOR RAPID PROTOTYPING MANUFACTURE ABSTRACT The emergence of rapid prototyping manufacture (RPM) brings an innovative conception for advanced/digital manufacturing. Now, the rapid prototyping manufacture has widely been applied to many fields as a crucial supporting platform for modern design. With the further progress and extensive application, the requirements for the rapid prototyping products are more rigorous not only on shape, precision and assemble capability, but also on material, surface quality, transparency and so on. Unfortunately, the conventional rapid prototyping technologies cannot match all of those strict requirements because of the limitations of material and machining precision. The problems can be solved using CNC machining technology by which the majority functional materials using in rapid prototyping manufacture can be directly machined. For example, high precision and perfect surface quality can be attained by the application of proper machining processes. There is some complexity and limitations to use the method of machining cutting from the view of the principles of RPM. The main problem is the ineffective/flaw/defect of architecture technics and the object-oriented cutting parameters. Industrial plastic is widely used in the machining process which is oriented to rapid prototyping technology. At present, the preferable machining parameters of CNC milling for industrial materials and the relevant researching references are deficient. On the other hand, the machining principles are pretty different between industrial plastic and metallic material. In this thesis, the CNC machining process which is oriented to rapid prototyping manufacture is studied and the following two questions are discussed and answered. (1) How to select the proper CNC machining parameters First, a model on cutting force is established by differential method to the flat-bottomed screwy milling cutter. Then the relationship between the cutting force and the tool structure as well as the technics parameters is obtained. Based on the analysis on the material specialities of the tools and the rapid prototyping products, the selecting principle of tool material is given. 上海交通大学硕士学位论文 ABSTRACT VII Based on the theory, we have done a series of machining experiments that have been specially designed for two kinds of common industrial materials, ABS and PMMA. Through the experiments, we studied the influence from cutting mass to cutting heat and surface roughness, and the influence to cutting force that derived from cutting mode, cutting mass and cutting remains. Meanwhile, we also have done some experiments on the machining precision of film work pieces. As a result, the recommended parameters of cutting mass for the above two kinds of industrial plastics are presented, and some instructional proposes are given. (2) How to deal with the architecture techniques The structures of spindly cylinder, deep cavity and groove are very common in the process of rapid prototyping manufacture. Restricted by machining conditions, the prototype need to be segmented before the machining process and then assembled. An approach of feature recognition that based on the attributes adjacent graph is presented to identify spindly cylinder structures. This approach is derived from several ordinary feature recognition methods. Meanwhile, we studied the methods of dealing with the technics architectures and the segmentation techniques of the solid model. A software module that is integrated in UG system is developed for technics architecture handling. This software is developed by UG/OPEN API and use the environment of UGII and VC6.0. With the friendly interface and convenient operation, this software module is helpful to simplify machining process and to improve work efficiency. KEY WORDS: rapid prototyping manufacture, industrial plastic, CNC machining, feature recognition, UG/OPEN 上海交通大学硕士学位论文 II 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独 立进行研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名彭堂俊 日期 2005 年 2 月 28 日 上海交通大学硕士学位论文 III 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留使用学位论文的规定 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密在 年解密后适用本授权书 本学位论文属于 不保密 请在以上方框内打 学位论文作者签名彭堂俊 指导教师签名张鸿樑 日期2 0 0 5 年 2 月 2 8 日 日期2 0 0 5 年 2 月 2 8 日 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1快速原型技术简介 随着科学技术的发展和市场竞争的加剧人们对工业产品不断提出新的要求以 满足日益变化的生活需要一方面工业产品向品种多样化小批量高精度和复 杂的几何形状发展另一方面为了保持和加强产品在市场上的竞争能力产品的 开发周期生产周期更新周期越来越短创新产品的快速实现成为企业的核心竞 争力当前市场竞争焦点往往不是能不能把产品制造出来而是能不能快速开发出 符合市场需求的有竞争力的新产品在这种形势下减少新产品上市时间和小批 量柔性制造成为提高生产效率和产品竞争力的关键1 快速原型Rapid Prototyping,简称 RP技术就是在这种背景下应运而生80 年 代后期RP 技术首先在美国提出并商品化快速原型技术是以计算机辅助设计数 控激光和新材料等多门技术为基础的新兴综合技术它是一种从 CAD 三维模型设 计到实际原型加工的全新制造技术是 90 年代制造技术的一次革命性发展2 快速原型技术的制造工艺不尽相同目前比较常见的 RP 工艺有液相光固化 SLA熔融堆积制造FDM(如图 1-1 所示)选择性激光烧结SLS分层实 体制造LOM和三维打印3DP这些 RP 技术都是应用离散/堆积思想工作原 理为首先将 CAD 系统完成的三维模型转化为 RP 系统能接受的格式(绝大多数为.STL 格式) 然后应用软件将其按一定的厚度进行分层 把原 来的三维数字模型变成两维平面信息 并将分层 后的数据进行一定的处理加入加工参数生成 数控代码最后将成型材料置于容器内利用快 速成型设备按照层片的形状进行扫描 使材料逐 层成型 通过逐层累加二维薄层形成三维实体模 型成型之后经必要的后处理使其在外观 强度和性能等方面达到一定的要求 使之满足设 计装配验证 新品展示乃至制造功能零部件的要 求 快速原型技术不同于传统的切削加工方法 它是一种 使材料生长而不是去除材料的制造过 图 1 - 1 F D M 快速成型设备 Figure1-1 FDM rapid prototyping machine 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 2 程这种新型的制造技术将立体成型变成平面加工理论上能制造任意复杂的原型 件而且原型件的复杂程度对成型工艺难度成型质量成型时间影响不大图 1-2 为快速原型制造的实例 图 1 - 2 快速原型制造实例 Figure1-2 The example of rapid prototyping manufacturing 1.2快速原型技术的应用特点与局限 快速原型制造技术采用材料累积法制造零件原型与传统的去除材料加工方法 相比具有以下优点 1 原型件的加工与其形状复杂程度无关容易制造出内部结构复杂的物体 并且只需在一台设备上即可完成所有加工制造工艺单一 2 CAD 数据的分层生成加工代码可自动完成对操作人员的技能要求较 低 3 加工制造时没有工序工步概念也不需任何夹具模具制造方 法简单 由于快速原型制造技术的显著优点其应用范围相当广泛经过短短十余年来 的实践已应用于航空航天汽车机械家电医学艺术品等领域它的用途 主要体现在以下三个方面 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 3 1 新产品的设计评估和结构检验 设计错误在所难免尤其是设计具有复杂结构的产品时设计工程师很难保证 产品结构不出现错误实践证明尽管现在的许多 CAD 软件可以进行静态和动态分 析但各种各样的设计问题依然存在在产品的外形设计上尽管 CAD 软件能生成 逼真的效果图但产品使用时的手感如何计算机目前还很难仿真在传统的设计中 这些问题更多的是依靠工程师自身的设计经验来判断不易在早期发现设计错误 如果这些错误到产品开发的后期甚至模具制造完成后才被发现既大大增加了开 发成本又延长了产品的开发周期使产品失去竞争优势使用快速原型技术可适 时方便地制造出物理实体通过物理实体可以进行设计检验装配检验甚至功能检 验在较短的时间内完成设计的评估和修改实现快速反馈设计效果的目的显著 地缩短了产品的开发周期减少了产品的开发成本 2简易模具制造3 利用 RP 技术直接制造模具还有许多问题亟待研究与解决但用于间接制模如 硅胶模快速模具 Rapid Tooling 的一种技术已经相当成熟应用也比较 广泛快速模具技术采用 RP 技术制造模具既大大提高了新产品的研制速度又节 省了新产品试制和模具制造的费用图 1 - 3 为硅胶模快速模具制造流程及实例 图 1 - 3 硅胶模快速模具制造流程和实例 Figure1-3 rapid tooling progression using silica gel mould and example 3单件小批量生产 传统的产品开发模式为产品的设计开发 生产 市场开拓三者逐一开展有些 产品如家电其中的许多零件是利用注塑模具大量生产的这种开发模式使产品设 计面临着巨大的市场风险使用快速原型技术快速制造出少量的产品在市场上进 行试销大大降低了产品的开发风险同时可以将市场反馈的信息应用到新的设计 当中显著地提高了产品的市场竞争力通过展现快速原型技术制造的产品物理模 型在产品的宣传上往往能取得更好的效果快速原型技术把产品的设计开发生 产及市场开拓各环节紧密结合起来缩短了产品的研发周期降低了设计风险提 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 4 高了产品的质量和企业的市场竞争力 RP 技术的发展与应用已将自身融入现代设计理念之中随着产品设计开发的 不断发展与进步对 RP 技术提出了更高的要求然而由于受成型工艺的限制目 前的各种快速原型技术普遍存在以下几个问题 1材料问题 目前各种成熟的快速原型技术都是基于材料累积原理加工 这需要 RP 材料的性 能既要满足离散单元制造堆积和粘结的要求又要满足可后处理性及成型后的强 度要求和功能要求限制了 RP 工艺可处理的材料种类目前成熟 RP 工艺的处理对 象大致包括树脂蜡少数工程塑料纸等有限几种而对制造领域广泛使用的金 属材料陶瓷材料高分子材料和生物材料等缺乏成熟的工艺 2制造精度问题 尺寸精度是快速原型技术最重大的问题之一 大部分 RP 技术的制造精度只能做 到 0.1mm 左右4影响精度的因素主要来自三个方面 a 与数学模型本身的精度有关在快速成型系统中普遍采用 STL 文件作为 三维模型描述文件这种文件格式使用多个三角形面片逼近 CAD 实体模型存在逼 近精度问题多边形数量越多精度越高但计算机运算量和存储量同时迅速增大 切片分层越多精度越高但加工时间增加成本提高 b 与 RP 生产工艺有关 一方面由于采用堆积成型原理不可避免产生台阶效应 另一方面在目前的工艺水平下所操作的单元尺寸还远未满足高精度的要求由于精 度不够造成的对后处理的依赖性也降低了制造过程的柔性和自动化水平 c 与材料有关的误差是材料的收缩和变形绝大多数堆积成形过程都伴随着 材料的相变和温度变化残余应力难以消除引成原型件翘曲变形 3性能问题 由于采用材料累积法进行制造制造出来的原型件各向异性同时在制造的过 程中不可避免的产生许多疏松的孔洞造成零件的强度降低 4价格问题 RP 设备本身也是一种小批量生产的设备个别设备承担的固定成本较高由于 RP 工艺对材料的特殊要求大多数时候需要对材料进行改性处理这就大大增加材 料的成本导致快速原型制造价格偏高 1.3面向快速原型制造 C N C 切削加工方法的应用 综上所述快速原型技术RP综合了计算机辅助设计数控激光和新材料 等技术由 CAD 模型直接驱动快速制造复杂形状的三维实体模型可用于新产品的 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 5 设计装配检验如果进一步将快速原型技术和快速模具技术RT相结合还可 实现零件小批量低成本的制造随着技术的发展和应用的深入人们对快速原型 件的要求越来越高不仅对形状精度可装配性提出了更高的要求而且在材料 强度表面质量透明度及其它物理化学性能方面提出了新的要求然而目前 快速原型技术由于受到成型材料和成型工艺的限制在许多方面难以满足快速原型 件的功能要求尤其表面粗糙度台阶效应较大后处理工艺复杂于是基于 满足快速原型件功能要求的 CNC 切削加工制作方法便应运而生了 切削加工是一种去除材料的成形方法传统的切削加工工艺在加工零件的曲面 受到很大的限制随着数控技术和 CNC 编程技术的发展特别是 CAD/CAM/CNC 技术的应用与普及切削加工自由曲面已不是什么困难的事了 CNC 切削加工广泛应用于机械制造过程中的精密零件加工和具有复杂曲面的模 具加工其对象绝大多数为金属材料近年来CNC 切削加工技术开始广泛地应用 于快速原型制造领域其面向对象的材料主要是工程塑料和铝合金等易切削加工材 料如图 1-4 所示这种方法的优越性5主要在于 1可以解决面向对象的材料局限尤其是对于快速原型很难实现的透明零 件 2采用适当的加工工艺就可以得到很高的加工精度以及优良的表面质量加 工制作的后处理简单能很好的弥补目前快速原型制造技术的不足和缺陷 3采用一般的三维数控铣床甚至雕刻机就可进行原型制造经济性好具有推 广价值 图 1 - 4 C N C 切削加工零件 Figure1-4 CNC cutting machining part 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 6 1.4本文选题背景及其主要研究工作 快速原型技术的诞生给人们带来崭新的制造理念其应用领域广泛已成为 现代设计的重要支撑平台 目前 RP 技术在实际应用过程中存在一些不足及不可避免 的局限CNC 切削加工技术在该领域的介入很好地弥补了这些不足因此面向快速 原型制造 CNC 切削加工问题研究有着十分重要的现实意义 1.4.1面向快速原型制造 CNC 切削加工的主要问题 就快速原型技术的基本成型原理来说采用切削加工的制作方法具有一定的复 杂性和局限性其主要问题在于原型制造的结构工艺问题和面向对象的切削参数问 题面向快速原型技术切削加工所使用的大部分材料为工程塑料经查询有关工 程塑料的切削试验和加工参数推荐的有限资料多局限于工程塑料车削加工问题研 究目前尚无可资参考的工程塑料 CNC 铣削加工切削参数推荐也难以查询到相关 的研究文章由于工程塑料的物理机械性能与金属材料的物理机械性能有着较 大的差异所以工程塑料的切削机理与金属材料的切削机理也有较大的区别因此 面向快速原型制造 CNC 切削加工存在以下几个问题有待于解决 1加工参数的合理选择 数控切削加工工程塑料作为一种较新的加工方式目前尚没有完整的参数表可 供选择切削加工的参考实例不多现在切削加工时大多数依然是依靠以往的经验 或者进行大量的试切来选择参数如何选择合理的加工工艺参数达到最佳的切削 效果是目前数控切削工程塑料应用的一个首要问题 2结构工艺问题的处理 在面向快速原型制造过程中我们经常碰到细长柱和大深度型腔内凹结构 受加工条件限制面向快速原型制造数控铣常采用小直径的刀具加工由于工艺系 统的刚度及碰撞等问题在加工前需对原型进行分割处理 1.4.2主要工作与论文的研究内容 针对上面提出的问题结合现有的机床设备刀具分析仪器的条件本文主 要研究内容包括根据切削理论和目前国内外切削刀具技术的发展对切削刀具的 使用要求及选用原则进行分析在收集分析归纳的基础上提出适合快速原型制 造数控加工的选用标准结合铣削加工的特点建立刀具切削力理论模型对工艺 参数的选择进行指导通过切削试验获得合理的切削工艺参数对特征识别技术 进行系统研究在 UGII 平台上实现工艺结构模块的开发 本文由五章内容组成具体如下 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 7 第一章绪论 第二章面向快速原型制造的切削原理 第三章切削加工工艺试验与参数选择 第四章工艺结构处理 第五章结论与展望 上海交通大学硕士学位论文 第二章 面向快速原型制造的切削原理 8 第二章 面向快速原型制造的切削原理 2.1切削加工技术综述 2.1.1切削加工发展历史 在现代机械制造业中切削加工是最基本的加工方法之一切削加工历史源远 流长发展到今天国内外许多专家学者对此作出了贡献人类很早就采用切削加 工方法来使材料的形状尺寸符合要求早在远古时期人们在与大自然的搏斗过 程中制造和使用了各种带刃的石器18 世纪中叶以前主要的加工材料是木材切 削加工技术的广泛发展发生于近代工业革命时期以来人们广泛地使用蒸汽机 内燃机大量的金属材料被应用于工业中大大推动了机械工业和切削加工技术的 发展作为与切削加工技术密切相关的金属切削机床技术也得到迅速发展经过 100 多年的努力基本完成了金属切削机床的革命解决了各种各样的常见加工问题 1865 年在法国巴黎举行的国际博览会上 展出了各种各样品种齐全的金属切削机床 标志着机床和切削加工技术已经发展到一个崭新的历史阶段6此后切削加工的研 究重点从研制基本机床转移到研究新型金属和合金的加工方法以及提高切削速度和 切削过程自动化方面来 切削加工过程中刀具和工件材料互相推动对方的发展发展到现在无论是 刀具材料还是加工工艺都经历了多次变革1860 年以前制造机器所用的金属材料 主要是铸铁熟铁铜和铜基合金使用高碳钢刀具基本能满足使用要求此后 由于采用了平炉和转炉炼钢法钢迅速代替了熟铁成为主要的结构材料但钢比 铁难加工为了得到合理的刀具使用寿命不得不降低切削速度这样一来切削 加工费用就增加了因此迫切要求改进加工方法发明新刀具材料提高切削速度 和实现切削过程自动化以提高切削加工生产率和降低加工成本现代工业中新材 料的不断涌现一方面使刀具材料得到很大地发展人们不断研制出既硬又能耐高 温的刀具材料从碳钢到高速钢硬质合金陶瓷材料超硬刀具每一次刀具材 料的变革都带来了加工效率的突飞猛进另一方面许多新型材料由于具有优异的综 合性能得到了广泛地应用但这些新型材料的机械加工性往往不佳所以如何改善 这些材料的加工性成为人们研究的焦点 为了获取最大的经济利益人们总是在不断尝试新的加工方法20 世纪 40 年代 末期兴起的企图取代切削加工的无屑生产过程电加工电火花加工等经过几 上海交通大学硕士学位论文 第二章 面向快速原型制造的切削原理 9 十年的努力后都取得了巨大的进展但是还只能在某些零件的制造上部分地代替 切削加工以此同时由于刀具材料的改进机床速度和功率的提高机床刚度的 增大机床控制的改善切削技术也取得了很大的发展在金属加工方法中切削 加工仍然占据主导地位这主要归功于它是制造精度和表面质量都较高的机械零件 中最经济的加工方法 2.1.2切削加工的定义 切削加工使用比工件材料更硬的刀具去除材料的无用部分将工件加工成具有 较高精度的形状尺寸和较高表面质量的零件切削加工过程实际上是工件切削 层受刀具挤压产生弹性变形和塑性变形当塑性变形达到极限值后切削层被挤 裂沿刀具前刀面流出从而形成切屑的过程如图 2-1 7所示 弹性变形 塑性变形 挤裂 图 2 - 1 切屑形成过程 Figure2-1 a process of cutting scrap forming 切削过程中需要刀具提供切削力用于克服切屑与工件表面层的弹性和塑性变 形抗力以及刀具与切屑和刀具与工件之间的摩擦阻力从而维持切削运动的不断进 行切削力作的功大部分转化为切削热从而在切削区产生很高的切削温度切削 力和切削温度不仅对刀具耐用度加工精度已加工表面的完整性等起着决定性的 作用而且对机床刀具夹具等整个工艺系统有着重大的影响 切削加工具有以下特点8 1大部分材料都可以切削加工 对切削加工来说切削的绝对条件只是被加 工的材料比刀具材料软即可目前已经实现的刀具材料有高速钢硬质合金陶 瓷刀具PCBN 刀具和金刚石刀具应该说硬度的问题基本解决了 2大多数的形状都可以加工目前已成功研制出五轴数控铣床可以加工表 面非常复杂的自由曲面 3从重视效率的粗加工到重视精度的精密加工都可以加工 4加工范围广泛从使用通用机床的单件生产到使用自动机床数以万计的大 量生产都可以使用切削加工 5与其他的加工方法相比切削加工所需的能量较小 上海交通大学硕士学位论文 第二章 面向快速原型制造的切削原理 10 6切削的过程是不断去除材料的过程浪费了材料而且对环境也产生一定 的污染 7切削时产生切削力使工件刀具和机床发生变形降低了加工精度 8切削加工中能量大部分转化为切削热切削温度上升产生热膨胀结晶 组织的变化促进磨损等现象 9在已加工表面的表层发生塑性变形形成与材料内部性质不同的加工变质 层 2.2铣削力理论分析 切削力是切削过程中重要的物理参数对机床和刀具的切削性能有较大的影响 切削力的大小决定了切削过程中所消耗的功率和加工工艺系统的变形同时切削 力还直接影响切削热的产生并进一步影响刀具的磨损破损刀具耐用度等对 加工精度和加工质量有着直接的影响建立准确可靠的铣削力数学模型是实现数 控铣削加工工艺参数优化的基础常见的切削力研究方法9-13有两大类理论分析与 试验测量方法理论分析切削力能相当充分反映影响切削力诸因素的内在联系有 助于分析问题14 螺旋平底铣刀形状复杂在铣削过程中作用在铣刀上的瞬时切削力沿刀刃连 续变化将铣刀切削部分沿轴向划分成 N 个微元每个微元的切削深度为 dz作用 在刀刃微元上的力可以分解为切向力 t dF径向力 r dF 和轴向力 a dF如图 2-2 所示 当铣刀在 转角位置时第 1 刀刃上第 j 微元上的切削位置角 可由下式确定 = 2-1 式中微元的位置与刀尖转角在 XY 面上的投影 假设第 j 微元的高度为 z则存在 Rz/tan =Rdzd/tan = 2 - 2 式中螺旋角R刀具半径 微元的瞬时切削厚度 c t 为 sin zc ft = 2-3 微元切向力可表示为 上海交通大学硕士学位论文 第二章 面向快速原型制造的切削原理 11 dzfKdztKdF ztctt =sin)( 2-4 式中 t K 切向力系数 图 2 - 2 切削力模型 Figure2-2 cutting force model 铣削加工是断续加工设窗口函数 = 其它0 1 )( 21 w 式中 1 2 分别为切入切出角对于图 2-2右图所示情况 = 21 / )arccos(RaR e 这样得到微切向力为 )(sin)(wdzfKdztKdF ztctt = 2-5 切向力与径向力轴向力之间有以下关系 trr dFKdF = taa dFKdF = 2-6 根据坐标变换原理直角坐标系内切削力可表示为 = )( )( )( 100 0cossin 0sincos )( )( )( a r t z y x dF dF dF dF dF dF 2-7 把式 2-52-6 代入式 2-7 并简化得 上海交通大学硕士学位论文 第二章 面向快速原型制造的切削原理 12 )( )( )( z y x dF dF dF = )( )( )( 00 01 01 )( 3 2 1 p p p K K K wdzfK a r r zt 2-8 式中2/ )2(sin)( 1 =p2/ )2cos1 ()( 2 =psin)( 3 =p 由 tan/dRdz= 0 0 Rap/tan 0 =有 = )( )( )( 00 01 01 )( tan )( )( )( 3 2 1 p p p K K K wd R fK dF dF dF a r r zt z y x 2-9 第 j 把刀刃在刀具转角为 角的瞬时切削力为 = 0 0 3 2 1 )( )( )( )( 00 01 01 tan )( )( )( dw p p p K K K R fK F F F a r r zt j z j y j x 2-10 当刀具上几把刀刃同时作用时第 j 把刀刃除了角度上滞后Nj/2) 1(其余 与第 1 把刀刃相同 = = = 0 0 3 2 1 1 /2) 1( /2) 1( /2) 1( /2) 1( 00 01 01 tan )( )( )( )( )( )( dNjw Njp Njp Njp K K K R fK F F F F F F a r r zt N j j z j y j x z y x 式中 = 其它0 /2) 1(1 /2) 1( 21 Nj Njw 刀具由切入到切出的平均切削力为 ddNjw Njp Njp Njp K K K R fK d F F F F F F N j a r r zt z y x z y x /2 ) 1( /2 ) 1( /2 ) 1( /2 ) 1( 00 01 01 tan 1 )( )( )( 1 2 1 0 2 1 1 0 3 2 1 12 12 = = = 上海交通大学硕士学位论文 第二章 面向快速原型制造的切削原理 13 t K r K a K 分别为切向径向轴向切削力系数该系数不仅与刀具材料 工件材料有关还与切削微元高度微元瞬时切削厚度 c t 有关关于该系数的实验 求解可参考相关文献这里不再赘述 2.3切削刀具材料及其合理选用 2.3.1切削刀具材料15-17 在切削加工过程中刀具是保证加工质量提高生产效率的一个重要因素刀 具切削性能的优劣取决于构成切削部分的材料几何形状和刀具结构其中刀具 材料的性能起着关键作用刀具材料的进步极大地推动着切削加工技术的发展刀 具材料的每一次革新几乎都给切削加工业带来一次革命刀具材料的进步是切削加 工技术进步的决定性因素之一刀具材料的发展实际上是不断提高刀具材料的耐 热性耐磨性切削速度和表面加工质量的过程目前国内外使用的刀具材料主要 有高速钢硬质合金陶瓷材料和超硬刀具材料它们各有优点适合不同材料 和不同的加工条件 2.3.1.1 高速钢 高速钢是一种加入了较多的 WMoCrV 等合金元素的高合金工具钢具有 较高的综合机械性能较之碳素工具钢及合金工具钢可成倍地提高切削速度作 为刀具材料高速钢的切削性能已不够先进但因其稳定性好易于接受成形加工 广泛应用于常规加工中高速工具钢具有以下特点 1强度韧性和工艺性都较好能满足一般工程材料的加工要求 2高速钢刀具制造工艺较简单在复杂刀具的制造中占主要地位 3高速钢刀具易于磨出锋利的刀刃对机床专项要求不高 2.3.1.2 硬质合金 硬质合金是高硬度难熔的金属化合物粉末用铁族金属钴做为粘结剂烧结而 成的合金材料具有高硬度耐磨损耐高温线膨胀率小等优点是当今最主要 的刀具材料之一ISO 将硬质合金分为三类 1P 类相当于我国 YT 类主要用于加工长切屑的黑色金属 上海交通大学硕士学位论文 第二章 面向快速原型制造的切削原理 14 2K 类相当于我国的 YG 类主要用于加工短切屑的黑色金属有色金属 和非金属材料 3M 类相当于我国的 YW 类合金用于加工长或短切屑的黑色金属和有色 金属 在刀具基体上涂覆薄膜可以获取高的表面质量和优良的切削性能常见涂层 材料有 TiCTiNAl2O3等涂层刀具可分为两大类一类是硬涂层刀具如 TiCTiNAl2O3等具有良好的热稳定性另一类是软涂层刀具如 MoS2 WS2等可减少摩擦降低切削力和切削温度主要用于加工高强度铝合金钛合 金或贵重金属材料 2.3.1.3 陶瓷刀具 目前广泛使用的陶瓷刀具有两大系列氧化铝基和氮化硅基Al2O3基陶瓷刀具 具有很高的硬度良好的耐磨性能和高温性能与金属的亲和力小化学稳定性好 硬度可达 HRA91-95其耐磨性为一般硬质合金的 5 倍在 1200 C 的高温下陶瓷刀 具仍能进行切削Al2O3的化学惰性优于 TiC 和 WC不容易与金属产生粘结其主 要缺点是强度和断裂韧性较低脆性较大导热性差抗热冲击性不高当温度发 生显著变化时容易产生裂纹其热导率为硬质合金的 1/2-1/5但热膨胀系数却比 硬质合金高 10-30 氮化硅Si3N4基陶瓷与氧化铝基陶瓷相比强度和断裂韧性显著提高热膨 胀系数低抗热冲击性好适合加工铸铁和铸铁合金但因其与铁的化学亲和力明 显超过氧化铝基陶瓷加工钢件时性能较差 2.3.1.4 金刚石刀具 金刚石的显微硬度达到 10000HV是目前发现的最硬材料金刚石有两种天 然金刚石和人造金刚石天然金刚石较脆并且价格昂贵很少用作刀具材料使用 聚晶金刚石Polycrystalline diamond简称 PCD是 20 世纪 60 年代发展起来的 它是以石墨为原料加入催化剂经高温高压烧结而成PCD 是一种人造金刚石 具有以下的特点 1 硬度高仅次于天然金刚石在加工高硬度材料时耐磨性好是硬质合 金的 10100 倍 2摩擦系数低金刚石与一些有色金属之间的摩擦系数约为硬质合金刀具的 一半 3 刀刃非常锋利能进行超薄切削和超精密加工 上海交通大学硕士学位论文 第二章 面向快速原型制造的切削原理 15 4 导热性好金刚石的导热系数为硬质合金的 27 倍切削热容易散出 故切削温度低 5 热膨胀系数小金刚石的热膨胀系数比硬质合金小几倍约为高速钢的 1/10因此热变形小在切削过程中不易变形 6 耐热性较低高温时容易发生同位素异变转化为石磨 7 与铁有很强的化学亲和力不适合加工钢铁材料 2.3.1.5 立方氮化硼C B N 刀具 立方氮化硼CBN是用六方氮化硼为原料在高温高压下烧结而成具有很 高的硬度和耐热性优良的化学稳定性和导热性低的摩擦系数CBN 刀具硬度可 达 5000-8000HV仅次于金刚石耐热性可达 1400-1500 C几乎是金刚石的一倍 其高温硬度高于陶瓷刀具具有比金刚石更好的化学稳定性可承受 1200 C 以上的 切削温度与铁系金属在 1200-1300 C 时也不易起化学反应 CBN 的热导率约为金 刚石的 1/2并且随温度的升高而增加与不同材料的摩擦系数约为 0.1-0.3CBN 刀具脆性大强度和韧性较差不适合加工软的铁族金属聚晶立方氮化硼PCBN 是在高温高压下将微细的 CBN 材料烧结在一起的多晶材料克服了单晶 CBN 易解 离和各向异性等不足适合于加工高硬度的黑色金属 2.3.2刀具材料应具备的性能 切削加工过程也是工件材料受挤压变形形成切屑的过程在加工过程中刀 具承受很大的压力和摩擦力在高温下进行切削的同时还承受着切削力冲击和振 动因此刀具材料需具备以下几个基本要求19 1硬度切削加工过程其实就是使用刀具去除工件无用部分的过程因此刀 具材料必须高于工件材料的硬度常温硬度须在 HRC62 以上由于加工温度较高 这需要刀具保持较高的高温硬度 2耐磨性耐磨性表示刀具抵抗磨损的能力它是刀具材料机械性能组织 结构和化学性能的综合反映它同组织中硬质点的硬度数量大小和分布以及刀 具材料的化学稳定性密切相关为了实现更好的经济利益刀具寿命越长越好这 需要刀具材料具有良好的耐磨性 3强度和韧性为了承受切削力冲击和振动刀具材料应具有足够的强度 和韧性通常强度高的材料韧性也较好提高刀具材料的强度和韧性往往会使得 硬度和耐磨性下降一种好的刀具材料应在兼顾这两方面的性能的基础上根据使 用要求有所侧重 上海交通大学硕士学位论文 第二章 面向快速原型制造的切削原理 16 4耐热性切削加工时产生大量的切削热造成切削温度较高这需要刀具材 料在高温