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哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 淬硬钢模具铣削加工试验研究及仿真分析 摘要 随着现代化工业的快速发展，模具制造业对产品质量和加工效率要求越 来越高，迫切需要具有实际应用价值的动力学仿真理论和应用技术。在模具 制造中，淬硬钢因其延伸率小、塑性低、易于形成高光洁加工表面的特性而 得到广泛应用。而球头铣刀铣削工艺作为曲面加工的主导方法，在大型淬硬 钢模具加工和大面积复杂曲面的加工中占有主导地位。所以，对球头铣刀铣 削淬硬钢存在的问题、难点进行针对性研究，对提高淬硬钢模具的加工效率 和精度，淬硬钢模具制品的质量有重要的意义。因此，本文结合模具生产实 际现状主要进行以下研究： 根据淬硬钢铣削加工特点，设计了基于参数优化以及基于刀具切削稳定 性分析的试验，分析了铣削加工中各参数( 转速、每齿进给量、行距、加工 倾角) 与刀具振动的关系，并结合分析铣削参数和加工工件表面质量的关 系，综合讨论了铣削加工中工艺参数对铣削稳定性的影响。同时，在研究硬 态铣削工艺中球头铣刀振动特性的基础上，建立了球头铣刀几何模型和有限 元模型，对球头铣刀进行了模态分析和振型研究。 球头铣刀力学特性的研究有助于分析模具铣肖1 1 ) j i l 工特性，本文通过不同 铣削路径试验研究不同铣削路径优劣性，并结合对刀具径向跳动和变形的分 析，对球头铣刀铣削力进行解析建模，并对模型进行仿真验证。 在淬硬钢铣削特性试验研究和力学特性研究的基础上，研究淬硬钢铣削 加工存在的各种振动类型，结合相关理论研究，对受迫振动和自激振动结合 分析，并通过分析系统共振区与稳定域曲线在稳定性极限图的位置关系来研 究淬硬钢铣削加工稳定性。 最后，本文以数控铣削加工过程动力学仿真的实际应用与研究为目标， 在动力学仿真分析与研究的前提下，针对球头铣刀铣削过程所涉及的主要物 理量( 铣削力系数，铣削力，颤振稳定域) 进行仿真计算，并建立了球头铣 削过程动力学仿真系统。 关键词模具加工；淬硬钢：球头铣刀；解析建模；铣削仿真 哈尔滨理f t 大学t 学硕上学位论文 e x p e r i m e n t a ls t u d ya n ds i m u l a t i o na n a l y s i s a i m i n ga tm i l l i n gp r o c e s so fh a r d e n e d s t e e lm o u l d a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e mi n d u s t r y , m o l dm a n u f a c t u r i n gh a s i n c r e a s i n gr e q u i r e m e n t so np r o c e s s i n ge f f i c i e n c ya n dp r o d u c tq u a l i t y , a n di th a s a nu 唱e n tn e e di nd y n a m i cs i m u l a t i o nt h e o r ya n da p p l i c a t i o nt e c h n o l o g yw h i c h h a v ep r a c t i c a lv a l u e i nm o l dm a n u f a c t u r i n g ，h a r d e n e ds t e e li s w i d e l yu s e d b e c a u s eo fi t ss m a l le l o n g a t i o n ，l o wp l a s t i c i t ya n de a s yt of o r mah i g h l ys m o o t h s u r f a c e a sad o m i n a n tm e t h o do fs u r f a c em a c h i n i n g ，b a l l e n dm i l l i n gc u r e r p r o c e s sp l a y sal e a d i n gp o s i t i o ni nh a r d e n e ds t e e lm o l dp r o c e s s i n gw i t hl a r g e a r e a sa n dc o m p l e xs u r f a c e t h e r e f o r er e s e a r c h i n gt h ee x i s t i n gp r o b l e m sa n d d i f f i c u l t i e sd u r i n gb a l l e n dm i l l i n gc u t t e ro fh a r d e n e ds t e e lc a ni m p r o v ei t s p r o c e s s i n ge f f i c i e n c ya n dp r e c i s i o n ，m e a n w h i l e ，i ti ss i g n i f i c a n tt oe x p a n dr a n g e o fh a r d e n e ds t e e lp r o d u c ta p p l i c a t i o n s b a s e do nt h i s ，t h i sp a p e rm a i n l yd o e st h e f o l l o w i n gr e s e a r c h ： a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fh a r d e n e ds t e e lm i l l i n g ，t h i sp a p e rd e s i g n sa c u t t i n ge x p e r i m e n tb a s e do np a r a m e t e ro p t i m i z a t i o na n ds t a b i l i t ya n a l y s i so f c u t t i n g i ta n a l y z e s t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e m i l l i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s ( r o t a t i o n a ls p e e d ，f e e dp e rt o o t h ，r o ws p a c i n g ，p r o c e s s i n gi n c l i n a t i o n ) a n dt h e t o o lv i b r a t i o n f u r t h e r m o r e ，i td i s c u s s e st h ee f f e c to fm i l l i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s o nm i l l i n gs t a b i l i t yc o m p r e h e n s i v e l yc o m b i n a t i o no ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n m i l l i n gp a r a m e t e r sa n dw o r k p i e c es u r f a c eq u a l i t y m e a n w h i l e ，b a s e do nt h es t u d y o fv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fb a l l e n dm i l l i n gc u t t e rd u r i n gh a r ds t a t e sm i l l i n g ， t h i sp a p e re s t a b l i s h e sg e o m e t r ym o d e la n df i n i t ee l e m e mm o d e lo fb a l l e n d m i l l i n gc u r e ri n c l u d i n gm o d a la n a l y s i sa n dv i b r a t i o ns t u d y t h es t u d yo fc u t t e rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sh a sag r e a th e l pt oa n a l y z et h em o l d m i l l i n gc h a r a c t e r i s t i c s t h i sp a p e rd o e sp a t he x p e r i m e n t st os t u d yt h ea d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e so fd i f f e r e n tm i l l i n gp a t h s c o m b i n i n gt h et o o lr u n o u ta n d 1 1 哈尔滨理丁大学t 学硕上学位论文 d e f o r m a t i o na n a l y s i s ，t h eb a l l e n dc u t t e rm i l l i n gf o r c em o d e li s e s t a b l i s h e d ，a n d m o d e ls i m u l a t i o ni sd o n ea sw e l l b a s e do ne x p e r i m e n ts t u d yo fh a r d e n e ds t e e la n dm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c a n a l y s i s ，t h i sp a p e rs t u d i e sv a r i o u st y p e so f v i b r a t i o ne x i s t i n gi nm i l l i n gp r o c e s s o fh a r d e n e ds t e e la n dc o m b i n e sw i t hr e l a t e dt h e o r e t i c a lr e s e a r c h ，t h e na n a l y z e s f o r c e dv i b r a t i o na n ds e l f - e x c i t e dv i b r a t i o ns y n t h e t i c a l l y a tt h es a m et i m e ，t h e s t a b i l i t vo fh a r d e n e ds t e e lm i l l i n gi sd o n eb ya n a l y z i n gt h ep o s i t i o nr e l a t i o n s h i p o fr e s o n a n c ea r e aa n ds t a b i l i t yd o m a i nc b r v ei nt h es t a b i l i t yl i m i td i a g r a m f i n a l l y ，t h i sp a p e rt a r g e t e da tt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o na n ds t u d yo f t h ec n c m i l l i n gp r o c e s sd y n a m i c ss i m u l a t i o n i te s t a b l i s h e sa d y n a m i cs i m u l a t i o ns y s t e m f o rt h em a i np h y s i c a lq u a n t i t i e s ( m i l l i n gf o r c ec o e f f i c i e n t ，c u t t i n gf o r c e ，f l u t t e r s t a b i l i t yd o m a i n ) i n v o l v e di nt h eb a l l e n dm i l l i n gp r o c e s su n d e rt h ep r e m i s e o f d y n a m i c ss i m u l a t i o na n a l y s i s k e y w o r d sm o u l dm a c h i n i n g ，h a r d e n e d m o d e l i n g ，m i l l i n gs i m u l a t i o n s t e e l ，b a l l e n dm i l l i n gc u t t e r , a n a l y t i c a l 1 1 1 - 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文选题的目的和意义 淬硬钢材料由于其延伸率小、塑性低、易于形成高光洁加工表面的特点而 在模具生产中得到广泛的应用。但同时淬硬钢作为一种难加工材料；卜2 | ，硬度高 达h r c 5 0 - - 一6 5 ，使得该材料的加工效率和精度一直不高，尤其是大型淬硬钢 模具加工，如图1 1 所示，由于体积大、硬度高、型面复杂、并且有不同硬度 拼接使得加工非常复杂。球头铣刀铣削工艺作为曲面。加工的主导方法，在大 型淬硬钢模具加工和大面积复杂曲面的加工中有重要的应用，但由于淬硬钢模 具硬度高、强度大、加工速度快，在加工过程中常出现刀具快速磨损、崩刃的 情况，见图1 2 ，从而造成了对工件的损伤，导致加工效率低下，达不到预期 的效果。因此针对淬硬钢材料特性，结合模具生产实际现状。进行有针对性的 铣削研究，对提高淬硬钢模具的加工效率、精度和使用寿命有重要的意义。 图1 - 1 大型淬硬钢模具加工图1 2 淬硬钢加工中刀具失效 f i g 1 - 1l a r g eh a r d e n e ds t e e lm o l d f i g 1 - 2t o o ld a m a g ei nh a r d e n e ds t e e lp r o c e s s i n g 铣削研究是一个以建模仿真与优化为手段的加工过程数值仿真模拟和控制 的结合体1 引。但是，由于铣削加工过程是一个受多因素影响的复杂过程，仅通 过仿真分析并不能准确定义某种加工条件的优劣。因此，本文结合试验分析， 以试验数据指导建模仿真1 52 同时通过模型仿真优化试验参数的互补过程，优化 模型，使仿真分析能为实际生产中淬硬钢材料高效加工策略的制定提供依据。 本文基于螺旋刃球头铣刀进行建模分析、参数识别，并对淬硬钢材料进行 相关参数的实验研究，结合金属切削原理阿】对铣削过程中的动态铣削力，铣削 哈尔滨理1 = 大学下学硕上学位论文 稳定性进行了研究，并通过编制适当的图形用户界面，方便相关模型的仿真实 现及应用。 1 2 淬硬钢模具加工现状 模具在现代工业生产中具有先导性地位，模具制造的优劣关系到产品的制 造成本以及产品的市场价值。同时，随着现代化大型设备以及高效切削技术的 发展，现代模具产品加工正向着更大型、更精密、更复杂及更经济的方向发 展。模具生产中最常用的材料便是淬硬钢，但由于淬硬钢材料经过淬火或低温 去应力退火后具有比较高的硬度( h r c5 5 6 5 ) 的特性，使得其加工一直是模具 制造业的难点。近些年来，随着高速加工技术一。及新型刀具的出现，为模具加 工带来了质的发展。但由于没有对机床、刀具、工件系统进行相应的分析，大 部分企业在工艺参数的选择上只能靠经验，因而切削参数都过于保守；另一方 面，由于没有切实高效的切削工艺参数，导致工件材料与刀具、工艺配套不 当，从而造成加工成本高昂甚至生产事故也时有发生。所以，本着提高高性能 设备与先进切削技术的实际应用价值，帮助企业合理正确规范地进行模具加 工，非常有必要进行模具高效切削技术研究渖。 1 3 铣削建模研究状况 铣削模型的研究对铣削加工过程的切削力分析、稳定性分析预测、加工表 面质量的优化有很重要的意义。综合分析国内外的研究内容，研究方法主要分 为以下三个方面：首先是在试验基础上提出的完全经验法；第二种方法是在对 切削过程物理特性分析基础上建立的物理模型1 9 扎1 ；第三种思路是在单位切削 力系数分析基础上的力学模型，另外还有基于人工智能的神经网络模型和模糊 理论模型等，本文主要基于第二种方法进行研究分析。 1 3 1 铣削力系数模型的研究 仿真过程是一个复杂的综合过程，仅通过解析方法来求得铣削力系数n 及未知数是不现实的，要想准确、有效地把握仿真过程，必须全面分析研究铣 削力系数的计算方法以及其基于各种切削条件的适用性。所以，进行切削试验 对仿真进行关键参数识别，是仿真研究的基础。基于此，铣削力系数的概念产 生，其表示切削微元切除单位面积的切屑负载时所需的铣削力，它们是刀具切 削参数、切屑厚度、刀具工件材料的非线性函数并沿径向和轴向嵌入角的变化 而变化。 随着近些年来对铣削力系数的研究，国内外学者发现铣削力系数并不是固 定不变的，铣削力和铣削力系数的变化与不同的切削条件之间有着密切的联系 因而如果仅针对某一个特定的铣削过程求得的铣削力系数，只适用于研究该特 定条件下的铣削力变化。结合实际切削过程中切削参数( 切削深度、切削宽 度、转速、进给速度) 不断变化的特点，要想对铣削过程进行深入研究，必须 建立一个通用的铣削力系数4 1 模型适用不同的切削条件。 1 3 2 基于微元法铣削力模型的研究 铣削力模型的研究是一个综合复杂的过程，针对不同的切削条件、切削工 艺有不同的力学模型，基于微元法的球头铣刀铣削力的分析研究建立的球头铣 刀铣削模型，其本质是基于金属切削理论以及刀具各个几何参数之间的关系， 把复杂的刀具刃线几何模型离散为非常多的微元，从而可以简化任何一种铣削 方式为直角或者斜角切削，从而可以利用车削理论进行深入分析。 1 3 3 切削稳定性及颤振模型的研究 切削稳定性是指机床或加工中心抵抗切削振动的能力，是评价加工系统动 态性能的重要指标扣措3 ，切削稳定性受加工系统结构参数和切削加工参数多变 量的影响。依照切削加工中振动的性质具体分为自由振动、强迫振动、自激振 动和随机振动四类。其中对加工系统影响最大的是自激振动，自激振动的原因 就在于加工系统本身，防振消振都十分困难。如果包含机床、刀具、工件和夹 具的动态闭环系统不稳定，将引起刀具与工件间的“切削颤振”，导致表面 粗糙度增加、刀具破损或损坏工件与机床，即“切削颤振”是刀具与工件之间 强烈的相对振动，是切削振动最主要的形式，是影响铣削稳定性的最主要的因 素、也是研究的重点。因而，对切削振动的研究，主要集中在对切削颤振的研 究。 近些年来，国内外学者对切削颤振进行了深入的研究，这些研究内容可概 括分为三个方面：一是从颤振的机理和模型入手进行研究，建立颤振的线性或 孕嗯轴转遮警鬻 一兹 刀烈伊径一毯笋 躲釜 冷却黼每落舔。 材辩维合广、，呼瞄地跚量蒜度 一删嚆 或逆铣，进给方向硼f = l i l 避艨 哈尔滨理工大学丁学硕上学位论文 图1 4 再生型颤振产生机理 f i g 1 - 4t h eg e n e r a t i o nm e c h a n i s mo fr e g e n e r a t i v ec h a t t e r 葫萄矗程。( 力南控制机构) 图1 - 5 再生型颤振系统组成 f i g 1 - 5t h es y s t e mc o m p o s i t i o no fr e g e n e r a t i v ec h a t t e r 再生型颤振的非线性理论自c j h o o k ( 1 9 6 3 ) 等发现有限振幅不稳定现象后 开始研究。师汉民钏等建立了非线性、变时滞的微分差分方程，吴雅拉叫等根据 其方程提出了强迫再生颤振理论，并通过计算机仿真研究了其谱阵特征，得出 了强迫再生颤振的判别方法。鲁宏伟池在已有非线性模型的基础上，用数值方 法研究了不同切削参数下铣削过程复杂的非线性行为。l e e ，b yt a m g 他引发展 了新的包含复杂非线性阻尼力的机械模型，并且结合前馈神经网络模拟切削力 组成，用数值迭代法获得了工件相对于刀具的振动位移量，与其它的模型相比 有着较好的动态行为。 2 颤振预防与控制对于切削加工中颤振的控制，国内外的研究人员已进行 了大量的研究。抑制颤振的方法有很多，可分为两大类：调整切削参数的控制 方法和振动控制方法，传统的调整切削参数的方法，如切削用量的改变，降低 切削宽度和吃刀深度，离线调整机床主轴转速，进给速度等。这些调整方法带 有一定的盲目性，且不能在线调整，严重影响生产效率。为寻求更有效的抑制 颤振措施，当前主要对后者的振动控制方法进行研究。振动控制方法中，又根据 控制执行装置性质的不同分为主动控制方法和被动控制方法。 3 颤振的在线监视与控制颤振的在线监视与控制，即对切削加工过程的振 动状态进行直接或间接的在线监测，通过对所提取特征量的分析，实现对切削颤 哈尔滨理t 大学下学硕上学位论文 振的早期预报，在发现颤振预兆后，采取措施控制( 或抑制) 颤振的进一步发展，以 保证切削过程的稳定性。这个领域的发展幢 驯既需要切削进给速度、工件或刀 具的变形位移量、切削力等变量为其提供了有效的信号载体，又必须有对动态 信号能够快速准确地反映和提取的设备及装置。切削颤振的在线预报控制的技 术核心在于：切削颤振的在线预报方法( 包括特征量的提取及判决阈值的确定) 和切削颤振的控制策略与方法。 1 4 本课题的来源及主要研究内容 本课题来源于国家“8 6 3 计划重点项目“高强度钢、淬硬钢大型零件高 效切削技术及应用 以及国家重大科技专项“大型铸锻焊件高效切削加工工艺 及其系列刀具开发，针对项目中的淬硬钢模具加工问题进行相应研究，通过 分析加工过程中切削力和切削振动的特点，建立相应的模型，与试验分析相结 合进行研究，为淬硬钢模具加工优化方案的提出提供依据。具体研究内容如 下： l 、首先基于对模具工厂淬硬钢模具加工现状的调研，开展相应的淬硬钢 铣削加工试验及有限元分析，研究淬硬钢材料的加工特点，以及存在的难点、 问题。 2 、针对模具铣削加工中最常用的球头铣刀进行研究，基于对球头铣刀几 何特征的分析，结合铣削走刀路径研究和刀具振动变形分析，建立球头铣刀铣 削力模型，为分析预测淬硬钢铣削加工中铣削力的变化提供依据。 3 、基于淬硬钢稳定性试验，结合共振区和稳定域的判定方法，提出具有 较高金属去除率的切削参数，并通过实验验证其可行性。 4 、基于模型仿真结果建立相应的仿真用户界面，方便仿真的实现，从而 能灵活运用模型进行铣削参数分析，为实际加工中参数的选用提供依据。 哈尔滨理工大学下学硕上学位论文 第2 章淬硬钢铣削稳定性研究 切削过程中的振动是影响切削稳定性的重要因素，对切削振动的研究主要 基于对试验振动信号的分析。基于此，本文根据不同加工条件，采用适当的传 感器，研究球头铣刀铣削淬硬钢时的振动特性泌7 3 0 1 。并采用a b a q u s 软件，对 球头铣刀的模态特性做了相关分析。 2 1 铣削稳定性试验研究 2 1 1 试验方案及设备 试验目的是准确测量切削时刀具和工件的振动，分析其振动特性婚，进而 分析球头铣刀铣削淬硬钢加工过程所具有的特点和规律押引，为淬硬钢铣削加工 的仿真以及工艺策略的制定提供依据。 图2 1 试验测试系统结构框图 ， f i g 2 1s t r u c t u r ed i a g r a mo ft e s tm e a s u r i n gs y s t e m 铣削过程中由于刀具处于高速旋转状态，因此刀具的振动采用非接触式涡 电流传感器或者激光位移传感器，本文在振动信号的采集中，两种传感器均有 采用。整个测试系统的结构框图如图2 1 所示，工件夹持在测力仪上，测力仪 紧固在工作台上。其中两个加速度传感器布置在工件上，用于测量工件在x 和 y 方向的振动，两个电涡流( 激光位移) 传感器采用夹具夹持在主轴上用于测量 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 刀具x 和y 方向的振动，这样可以保证其随着主轴一起作进给运动。所有的信 号由东华测试1 2 通道d h 5 9 2 2 动态信号测试分析系统采集，见图2 - 2 ，采样频 率2 5 6 k h z 。工件振动采用两个p c b 加度传感器，型号参数为3 5 3 b 0 3 0 3 一 l l k h z 士5 0 0 9 ，0 0 0 3 9 ，单轴。同时，在试验中采用2 个k e y e n c e 激光位移传 感器对刀具振动位移信号进行采集，如图2 3 所示，传感器性能参数为：采样 率z 3 9 0 k h z ，测量范围士3 r a m ，分辨率s o 0 1 1 u n ，满量程精度士o 0 2 。配合运动 控制设备实现机床在线测试，直接输入d h 5 9 2 2 完成振动测试、采集、分析全 过程。采用k i s t l e r9 2 5 7 b 测力仪进行切削力的采集。 图2 - 2 数据采集分析系统 图2 - 3 测力仪及激光位移传感器 f i g 2 2d a t aa c q u i s i t i o na n da n a l y s i ss y s t e m f i g 2 3d y n a m o m e t e ra n dl a s e rs e n s o r 切削试验是在瑞士m i k r o n 五轴铣削中心进行的，刀具采用球头铣刀， 工件材料为淬硬钢c r l 2 m o v ，工件尺寸为长10 0 m m ，宽5 0 r a m ，如图2 4 所 示。试验过程中沿着宽度方向行切，铣削过程采用干式切削。 ：掣奴。q t a ) m i k r o nu c p 7 1 0 b ) 球头铣刀 c ) 淬硬钢工件 图2 - 4 试验用铣床和刀具、工件 f i g 2 4t h ee x p e r i m e n tm i l l i n gc e n t e r , c u t t e ra n dw o r k p i e c e 2 1 2 基于正交试验的切削参数研究 为了全面了解淬硬钢材料铣削加工特性，设计淬硬钢铣削加工正交试验， 以求更准确全面把握淬硬钢铣削加工中存在的问题和规律。正交试验中，所采 用的刀片型号为黛杰c j 8 0 0 3 ，刀具悬伸量为9 2 m m ，切削深度0 3 m m ，工件材 料为淬硬钢c r l 2 m o v ，行切，顺铣。试验设计如表2 1 所示。 表2 1 正交试验参数设计 切削速度1 ， 转速n 每齿进给量五行距啦 加工倾角 水平号 ( m m m i n ) ( d m i n ) ( m m z )( m m )入( 度) l1 8 8 43 0 0 00 1 50 2 1 5 22 5 1 24 0 0 00 2o 33 0 33 1 4 05 0 0 00 30 44 5 43 7 6 86 0 0 00 4o 56 0 根据前一节介绍的实验方法以及仪器的安装、传感器的布置，试验得到的 数据如表2 2 所示。 表2 - 2 正交试验结果汇总表 试验 转速 进给速度 行距啦 加工倾 切削振动 表面粗糙度 号 以r m m )以m 珊锄胁( r a m ) 角九 r a ( k t m ) 通道一通道二 l3 0 0 09 0 0 0 1 5o 21 5 00 0 0 3 9 7o 0 0 1 8 30 1 8 1 23 0 0 01 2 0 0 o 20 33 0 0o o o l 5 30 0 0 1 8 30 3 3 3 33 0 0 01 8 0 0 0 30 44 5 o o 1 1 20 0 7 3 2o 8 1 3 4 3 0 0 02 4 0 0 o 4 o 56 0 00 0 1 0 7 0 0 0 3 9 71 5 3 3 54 0 0 01 2 0 0 0 1 5o 34 5 o 0 0 0 7 3 20 0 0 4 5 80 3 9 4 6 4 0 0 01 6 0 0 o 2 0 26 0 o 0 0 1 0 1 0 0 0 3 6 60 3 0 9 74 0 0 02 4 0 0 0 30 51 5 00 0 0 2 4 40 0 0 1 2 20 6 5 2 84 0 0 03 2 0 0 0 4 0 4 3 0 00 0 0 4 8 80 o o l 8 30 7 4 3 95 0 0 01 5 0 0 o 1 50 46 0 o 0 0 0 6 4 10 0 0 4 8 80 4 9 2 1 0 5 0 0 02 0 0 0 0 2o 5 4 5 o 0 0 1 1 0 0 0 0 2 7 5 0 1 9 3 l l5 0 0 03 0 0 0 o 3o 23 0 o 0 0 0 2 7 50 0 0 3 0 50 4 5 8 1 2 5 0 0 0 4 0 0 0 沁4 o 3 1 5 00 0 0 3 3 60 0 0 3 0 5o 6 1 1 1 36 0 0 01 8 0 0 0 1 5o 53 0 o 0 0 0 1 5 30 0 0 1 5 30 1 4 3 1 46 0 0 02 4 0 0 o 2o 41 5 0 0 0 0 2 1 4 0 0 0 1 5 30 3 2 7 1 56 0 0 03 6 0 0 o 3o 36 0 o 0 0 0 7 3 20 0 0 4 2 71 9 1 8 1 66 0 0 04 8 0 0 o 4o 24 5 o 0 0 1 0 7 0 0 0 3 9 70 8 9 8 对试验中切削振动信号进行分析归纳，发现振动信号的波形以及频谱图特 性基本有三种类型，如图2 5 、2 6 、2 7 所示，分别对应着试验号4 、7 、1 3 。 从图2 5 中可以看出，切削过程中刀具的振动明显，相对空切振动变化大，从 频谱特性可以看出铣削过程中振动频率分布有主轴旋转频率，受迫振动频率和 自激振动频率，但自激振动不明显。在图2 - 6 所示中，铣削加工过程中不仅存 在受迫振动，自激振动也非常明显。但是，在图2 7 中，刀具振动频谱图与前 哈尔滨理工大学下学硕士学位论文 两者又有所不同，自激振动成为了振动的主要形式。根据切削参数和刀具振动 之间的关系分析发现，随着刀具转速的提高，刀具的振动形式发生了变化，刀 具的振动幅值也有了较大的变化，因而有必要对自激振动的发生和发展情况进 行分析研究，得出其发展规律，这样有助于提高铣削加工稳定性，为获得高质 量的铣削加工产品，降低刀具磨损以及提高铣削效率提供理论指导，从而能制 定具有实际应用价值的工艺规程。为此本文在第四章中对铣削稳定性进行了讨 论，并对淬硬钢模具铣削稳定性进行了试验分析，基于试验结果，与正交试验 中相关参数进行比对分析，进一步弄清振动的类别和规律。 l 。- ：- j - 【一l - - - j - 1 尸。一”_ r _ 尸i a ) 切削振动信号b ) 振动信号频谱分析 图2 5 试验号4 对应的刀具振动 f i g 2 5c u t t e rv i b r a t i o no ft h ef o u r t hg r o u pt e s t 垃搿 西i 瓴；。 瓣蕊太i审i u l 列材l “, “b a ) 切削振动信号b ) 振动信号频谱分析 图2 - 6 试验号7 对应的刀具振动 f i g 2 - 6c u t t e rv i b r a t i o no ft h es e v e n t hg r o u p t e s t a ) 切削振动信号 b ) 振动信号频谱分析 、 图2 7 试验号1 3 对应的刀具振动 f i g 2 - 7c u t t e rv i b r a t i o no ft h et h i r t e e n t hg r o u pt e s t 同时，基于正交试验结果，对各个铣削参数对切削稳定性的影响进行分 析，如图2 8 所示。通过对转速、每齿进给量、行距、加工倾角与铣削过程中 刀具振动之间的关系分析发现： 瞳 塑一 产_ l 峰产生灌t。 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 a ) 转速和振幅关系 b ) 每齿进给量和振幅关系 c ) 力d - v 倾角和振幅关系 d ) 行距和振幅关系 图2 - 8 切削参数与振幅的关系 f i g 2 8t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc u t t i n gp a r a m e t e r sa n da m p l i t u d e 1 振动的大小并不是随着转速的增加而增加，而是有一个合适的速度范 围，在此范围内振动较小。因此可以通过理论分析和实验研究确立淬硬钢铣 削加工的最佳转速。本试验中转速在4 0 0 0 r r a i n 到5 0 0 0 r r a i n ，刀具振动最小。 2 振动随着每齿进给量的增加而增加。通过此试验分析发现，为了保证刀 具寿命以及良好的表面质量，不应该通过盲目增大每齿进给量来提高淬硬钢铣 削加工效率。 3 振动与加工倾角也不是简单的线性关系，而是在4 5 0 时振动最大。因而 铣削加工中加工倾角对铣削稳定性有很大影响，合理适当地选择刀路并采用摆 角加工有利于提高铣削加工效率和加工质量。 4 振动随着行距的增加而减小，因而可以在半精加工中适当增加行距，这 样并不会增加铣削加工振动，因而可以采用此种方法来提高加工效率，但在增 大行距的过程中应该兼顾表面质量。 5 综合前述分析，可以得出在铣削转速为5 0 0 0 r m i n ，加工倾角3 0 。，行 距o 5 r a m ，每齿进给量0 1 5 m m 时振动可以控制在最低水平。 为进一步分析振动和表面质量的关系，在试验结束后，对各次试验加工后 的工件表面粗糙度进行了测量，表面粗糙度和切削参数关系如图2 - 9 所示，可 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 以看出： a ) 转速和表面粗糙度关系b ) 每齿进给量和表面粗糙度关系 c ) 加工倾角和表面粗糙度关系d ) 行距和表面粗糙度关系 图2 - 9 切削参数与表面粗糙度的关系 f i g 2 - 9t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc u t t i n gp a r a m e t e r sa n ds u r f a c er o u 曲n e s s 1 在转速变化时候，振动和表面粗糙度之间有相同的变化趋势，因而转速 的调节可以兼顾振动和表面粗糙度，同时也可以发现振动对表面粗糙度有很大 的影响。 2 随着每齿进给量的增加振动增强并且看出表面质量也相应降低，因此每 齿进给量的增加会增大振动降低表面质量，在精加工中尽量不要采取较大的每 齿进给量。 3 随着加工倾角的增加，表面粗糙度增加。因而应该在实际加工工艺路线 的编制过程中，尽量避免大倾角的加工，这样会严重影响工件的表面质量，不 仅导致刀具寿命的减小而且使得后续模具的打磨时间大大增加。 4 表面粗糙度随着行距的增加而增加，根据前面切削振动和加工倾角的关 系，发现如果通过增大行距来提高加工效率，这样会导致表面质量下降，这主 要是由于残留高度的影响，因而，根据不同的加工精度要求，合适选择行距是 非常有必要的。 5 转速4 0 0 0 r m i n ，加工倾角1 5 。，行距0 2 m m ，每齿进给量0 1 5 r a m 时 获得的加工表面质量最好。 哈尔滨理丁人学t 学硕一l ：学位论义 通过以上分析发现，切削参数的变化对振动和表面质量有着很大的影响， 合理选择，全面考虑是确定切削参数的根本，i ：i - , 女n 高转速并不是传统思想所认 为的必然会导致振动的增加，表面质量的下降。 2 1 3 基于悬伸量试验刀具特性研究 通过悬伸量变化试验，结合转速变化，采用同上节介绍的实验方案方法及 仪器设备，得到了不同悬伸量下刀具在进给方向、行距方向以及空转时的振动 特性，如图2 1 0 所示。 a ) 转速、悬伸量和刀具振幅关系b ) 转速、恳伸鲑和i ：f i ，l ：振幅关系 图2 1 0 刀具不同方向振动分析幽 f i g 2 10t h ea n a l y s i sc h a ao fc u r e rv i b r a t i n gi nd i f f e r e n td i r e c t i o n s 对试验结果进行分析，可以得出以下几点： 1 刀具振动的振幅在其迸给方向的振动幅度最明显，远远大于刀具在非进 给方向的振动，因而进给引起的振动是振动的个主要原因。并且进给方向的 振动变化趋势与非进给方向的振动变化趋势不同，但垂直于进给方向的振动与 空转振动的变化趋势差别不大，只是振幅明显大于空转振动，因而刀具空转振 动和垂直进给方向的振动主要是主轴旋转特性引起的。刀具和工件的振动大小 顺序为：进给方向，垂直进给方向，空转。 2 刀具的振动随着悬伸量的增大先减小后增大，而工件的振动随着悬仲量 的增大先增大后减小。二者都随着转速的提高有增大的趋势。因而，悬仲量 的选择有一个最佳点，而不是简单的线性关系，本研究获得悬伸量9 2 m m 时较 好。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 2 球头铣刀模态分析 2 2 1 模态分析概述 模态分析是用来确定结构的振动特性的一种技术，这些振动特性包括：固有 频率、振型等。本文在分析硬态铣削工艺中球头铣刀振动特性试验研究的基础 上，建立了球头铣刀的几何模型，并在此基础上依据有限元方法建立了球头铣 刀模态分析仿真模型。通过有限元仿真结果研究了相对悬伸量对球头铣刀的振 型特点和固有频率的影响，得出球头铣刀的振动特性，从而与试验研究互补分 析。 2 2 2 球头铣刀p r o e 模型的建立 本文采用p r o e 来创建球头铣刀几何模型，建立球头铣刀三维几何模型如 下图2 1 l ，直径2 0 m m ，螺旋角3 0 。，刃长5 0 m m 。 图2 - 11 球头铣刀三维几何模型 f i g 2 11t h r e e - d i m e n s i o n a lg e o m e t r i cm o d e lo fb a l l e n dm i l l i n gc u t t e r 2 2 3 球头铣刀有限元模型建立及边界条件的添加 将p r o e 所建立的球头铣刀几何模型导入到有限元分析软件a b a q u s 中，经 过修正，单元类型的确定、材料属性的添加后划分的有限元网格如图2 1 2 所 示，其中网格单元类型为c 3 d 4 。根据球头铣刀装夹的实际情况来约束它的自 由度，即沿轴向方向( z 轴) 表面约束。x 向、y 向、z 向位移均为零，且m x ， m y , m z 的转矩也均为零，因此约束条件为全约束，如图2 - 1 3 所示。 夕 ，蕊 图2 1 2 有限元模型 f i g 2 1 2f i n i t ee l e m e n tm o d e l 图2 1 3 有限元边界条件的施加 f i g 2 13b o u n d a r yc o n d i t i o n so ff e m 2 2 4 球头铣刀模态结果分析 本文利用a b a q u s 中隐式模块汇总线性摄动程序对在不同悬伸量下的球头 雕誉i 珏嚣躺 匦然飘 i t 蕊；是 a e 蘸 睡 b 匿 强 缘：；： 套 1 ) 强振型 i t 嚣戮 誉薰 c 匮! 臻嚣 陵墓 d g h 2 ) 弱振型 图2 1 4 模态分析振型结果图 f i g 2 14t h e v i b r a t i o nm o d eo fm o d a la n a l y s i s 1 5 泌餮翟臻一矗d_甜随h阻i 一署才w*组 11“w，o，；hh舳一盘嚣裟意*絮鑫一时“”qr“c“巴=七尊瞄澄 哈尔滨理t 大学工学硕上学位论文 铣刀进行了2 9 阶次的模态分析以及固有频率的提取。图2 1 4 是相对装夹量为 2 0 情况下模态分析振型结果图，对前2 9 阶的振型图进行分类，大致可以分 为强振型和弱振型。强振型变形又可以分为两类：一是呈纺锤状，如图2 1 4 中的a ) 、”所示。二是呈波浪形，如图2 1 4 中的c ) 、d ) 所示。弱振型中，各节 点的振幅都很小，振动形态比较平缓，如2 1 4 中的e ) 、f ) 、g ) 、h ) 所示。在强 振型中，铣刀振动比较剧烈，当外力的激励频率、振型与这些模态振型相近或 相等时可能会引起发生共振、颤振，导致铣削系统的不稳定，刀具的破损和过 度磨损以及铣削表面质量的变差，在实际操作过程中应尽力避免。 2 2 5 悬伸量对球头铣刀振型的影响 若将球头铣刀的装卡长度和铣刀的全长之比定义为相对悬伸量，图2 1 5 表示了相对装卡量分别为2 0 、3 0 和4 0 情况下刀具前2 9 阶固有频率的图 像。可知随着刀具悬伸量的增加，刀具的固有频率呈现减小趋势。图2 1 6 为 相对悬伸量为8 0 的刀尖随着模态变化的位移曲线，从模型的振型图可以看出 在强振型中其振动幅度最大位移量可达l m m 多，这将直接导致刀具的破损和 铣削工艺质量的下降。在三种情况下球头铣刀的强振型数目都为1 2 ，即刀具的 相对悬