（机械制造及其自动化专业论文）正交车铣切削力的研究.pdf

沈阳理工大学硕士学位论文 摘要 先进的机械加工技术是国防和工业现代化的基础，是衡量国家制造水平的重 要指标。车铣技术代表着二十一世纪先进加工技术领域的前沿技术之一，也是未 来高速切削技术发展的一个重要方向。正交车铣是车铣加工最常用的加工方法之 一，特别适用于复杂零件一次装夹完成多个工序的复合加工。车铣加工切削力的 研究一直是车铣基础理论研究的一个重要内容，它也是车铣加工工艺的制定和机 床设计重要依据。因此，研究不同切削参数对正交车铣切削力的影响规律，对其 实际应用具有积极的现实意义。 本文采用单因素法分析了正交车铣切削力数学模型的理论误差，利用 m a t u 址 编制的正交车铣切削力计算机仿真程序，详细讨论了正交车铣轴向进给 量、切削深度、转速比、铣刀齿数对正交车铣切削力的影响。研究了不同切削参 数下对正交车铣切削力的影响规律；利用a u t o l i s p 语言对正交车铣的切屑形态 进行了仿真，验证了切削参数对切削力影响规律的正确性；利用多因素正交试验 法探讨了以上参数对切削力起主导作用的工艺参数，研究表明，铣刀齿数对最大 和平均切削力影响最大，工件转速是影响切削功率的主要因素。 关键词：正交车铣；切削力；仿真；多因素正交试验 沈阳理工大学硕士学位论文 沈阳理工大学硕士学位论文 _-一 a b s t r a c t a d v 舳【c e dm a 出n i n gt e c m l o l o g yi s t l l ef o u l l d a t i o no ft h en a t i o n a ld e f e n s e a 1 1 d i n d u s 仃ym o d c n l i z a t i o na n di sak e yc r i t 耐o nt oe v a l u a t em em a n u f a c 嘶n gl e v e lo fa c o u i l 咄t 1 m 1 - m i l l i n gi so n eo ft h eh o tq u e s t i o ni nm e c h a n i c a lp r o c e s s i n ga n di n l p o n a i l t d e v e l o p i n gd i r e c t i o n i n t h e 鼬u r e 0 r d l o g o n a lt u r n m i l l i n gi so n eo ft 1 1 em o s t c 0 m m o n l ：，u s c dm a c h i n i n gm e t l l o d so ft u m m i l l i n gm a c h i n i n g ，a l m o s ta n o ft h e p r o c e s s e so fw o r k p i e c e sc a i lb ec a 嘶e do u to nat l l m - m i l l i n gm a c h i n et 0 0 1f o rc o m p l e x p a r t s i ti so n eo f t h ei m p o r t a n tc o n t e mo ft h es t u d yt ot h ec u t t i n gf o r c ei nt h ep r o c e s so f m e t a l c u t t i n g ，a 1 1 di t i st l l ei m p o r t a n tb a s i st om a c h i n et 0 0 1 s ，c u t t j _ n gt 0 0 1 s6 x t u r e m e r c 如r e ，i ti s m ep o s i t i v es i g n m c a n c et o s 砌yt l l er e l a t i o n s h i po ft h ec u t t i n g p 扰l i i l e t sa i l dt h ec u t t i n gf o r c eo fo r m o g o n a lt u m - m i l l i n g t h em a t h e m a t i c a lm o d e le 饿i ro fm eo m l o g o n a l 咖1 一m i l l i n gc u t t i n gf o r c ei s 强a l y s e dj i np a p 惯，w h i c hi sb a s e do nt l l em e t h o do fs i n 西ef a c t o r - t h ec o m p u t e r s i m u l a t i o ns y s t e mf o ro r t h 0 9 0 n a lt u m _ m i l l i n gc u t t i n gf o r c ei s d e v e l o p e db 弱e do n m a t l a b w i t l l 也es i 枷l a t i o ns y s t 锄，d i s c u s s e di nd e t a i l 廿l er e l a t i o n s h i p b 咖e e nt h e c u t t i n gf b r c ea i l dm es e v e r a lc u t t i n gp a r 锄e t e r so fa x i a l f e e d i n g ，c u t t i n gd 印t h ， w o r k p i e c es p e e d ，m i l l i n gt o o ls p e e d ，m i l l i n gg e 缸r e s e 砌lt h el a wo ft h em a x 觚d a v e r a g eo t h ec u 仕i n gf o r c et h a ti sa f f e c t e dd i 保嚣e n tc u t t i n gp a r a m e t e r s ，d i r e c t l yr e n e c t m er e l a t i o 】= 1o f t h e 饥吡i n gf o r c ea n dd i f f e r e n tc u t t i n gp a r a m e t e r s t h es i m u l a t i o ns y s t e m o f o r t h o g o n a lt u ：m - m i l l i n gc h i pi sd c v e l o p e db yu s i n gm ea u t o l i s pl a l l g u a g e ，w i mt 量l e s i m u l a t i o ns y s t e m ，s m d i e dt l l ea b o v ec u t t i n gp a r a m e t e r so no r 吐l o g o n a l 劬m m i l l i n g c 1 1 i p ，v 嘶f yw h e t h e ri ti sc o r r e c tt o l a wo fm ec u t t i n gf o r c ea n dc u t t i n gp a r 锄e t e r s f i n a l l y ，a l o p t i n gm u l t i f a c t o ro r 出o g o n a le x p e r i m e n tm e t l l o d ，m er e l a t i o nb e t w e e l l t u m 。m i l l i n gr e 酉m e s a n d o n l l o g o n a jt u m m i l l i n g h a sb e e na s c e r t a i n e d t h e e x p 嘶m e n t a ld e s i 印i su s e dt od i s c o v e uw h e t l l e rm ef 犯t o r sa r cp r o m i n e n ta i l dt l l e m a i nf a c t o r s ，s ow ec a l lp a ys p e c i a l 蚍e n t i o nt om o s em a i nf a c t o r st or e d u c em e c u t t i n g 沈阳理工大学硕士学位论文 f o r c eo fo r t h o g o n a lt u m - n ：l i l l i n g i tw a sc o n c l u d e dt 】 1 a tt h em i l l i n gg e a rh a s a p f o r n i n e n ti i n p a c to nt h cm a ) 【a 1 1 da v e r a g ec u t t i n gf o r c ；t h ew o 却i e c es p e e di st h e i m p o r t a n tf a c t o ro nc u t t i n gp o w e r k e yw o r d s ：o m l 0 9 0 n a lt u m - m i l l i n g ；c u t t i n gf o r c e ； s i m u l a t i o n ；m u l t i f a c t o r o r u l o g o n a le x p e r i m e n tm e t h o d 第1 章绪论 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 1 1 1 研究背景 随着中国制造业和航天航空事业的发展，对零件形状要求越来越复杂，对加 工尺寸的精度要求越来越高，并要求能在一台机床上完成一个零部件的全部加工 工序，目的是节约加工成本、缩短加工时间、提高加工的效率，而且能保证加工 精度和减少重复定位误差，但是一般的加工方法和机床难以完成这样的任务。车 铣加工技术就是为了适应这种加工要求发展起来全新的切削加工技术。 图1 1 车铣加：i 叶轮 车铣：0 口工技术是在上个世纪七十年代初，由欧美发达国家发展起来新型加工 方法，它：不是车削和铣削简单结合，而是利用铣刀旋转和工件旋转的合成运动来 完成切削：0 口工，是当今数控技术取得较大发展条件下的一种高效切削技术。它不 仅提高了生产效率，而且在加工精度、表面粗糙度和表面残余应力等方面都达到 更高的要：求。车铣加工不使用固定的单刃刀具，而是使用旋转刀具来代替车刀加 工回转体：工件。1 9 8 0 年奥地利w f l 机床公司研发出了全世界第一台车铣专用数 控机床一删c 5 0 0 车铣加工中心 2 】，首次实现了在一台机床上进行四轴联动加 沈阳理工大学硕士学位论文 工和五轴车铣加工成套加工工艺，在2 0 0 7 年欧洲卧i o 机床展上，奥地利w f l 公司展出了新型m 5 0 车铣数控加工中心，该机床可以完成车削、铣削、钻削、镗 孔等多种加工工艺，德国慕尼黑的m t u 航空发动机公司开始采用奥地利w f l 车 铣钻一体机床加工航空发动机，标志着车铣加工技术：进入高速发展阶段【3 5 1 。 图1 2 车铣加工齿轮轴 由于计算机和数控技术飞速发展，使得多轴控制特别是多轴联动控制日益成 熟，这样就为车铣技术的发展打开了大门，使得车铣技术在短短的十几年内取得 了令人瞩目的成果。随着信息处理技术和柔性加工理论应用于切削加工，目前的 数控车铣加工中心可以完成镗削、铣削、车削、螺纹、孔加工和滚齿等多种加工 工艺，并能一次装夹完成工件所有的加工内容。车铣加工根据工件轴线和刀具旋 转轴线的方位不同可以分为轴向车铣、切向车铣、正交车铣。根据刀具轴线与工 件轴线的空间最小距离分为无偏心、上偏心和下偏心3 种情况，依据工件和刀具 旋转相对方向的不同，他们又都可以分为顺铣和逆铣两种不同的形式。 车铣加工技术作为一种先进的金属切削加工方法，不是所有的零件都能适应 车铣加工，它有着自身特殊的加工特点，其主要的优点有 6 】： ( 1 ) 当采用高速车铣时，切削变形过程主要是绝热剪切，故切屑带走大部分 的热量，所以工件温度相对较低、热变形较小，有利于提高加工精度。 ( 2 ) 如果采用数控车铣中心，能同时应用车、铣、镗、钻等多种加工方法加 工工件，且在一次装夹中完成所有工序，不需要更换机床，大大得提高了加工效 率，防止了重复装夹误差产生。 ( 3 ) 多刃切削切削过程平稳，刀具磨损较小，这对加工难加工材料和大型回 转体毛坯十分有益。 第1 章绪论 ( 4 ) 由于车铣加工切削速度是由工件和刀具的旋转速度共同合成，因此不需 使工件高速旋转也能实现高速切削，对于大型回转体零件，特别是笨重锻件毛坯， 进行高速切削非常有利。工件的超低转速将减小因工件偏心而引起的径向切削力 的高频周期变化和工件同轴度、圆度、圆跳动误差，这些特点使得此类工件的切 削过程十分平稳，有利于保证加工质量。 ( 5 ) 能适应长时间加工。在难加工材料加工中，车刀的使用寿命较短，铣刀 通过多刃切削分散了切削载荷和切削热，提高了刀具寿命，且省去了切削过程中 多次换刀的时间。 ( 6 ) 与传统车削相比，车铣加工极易实现高速、超高速切削，而高速切削的 一切优点都可在车铣加工中得以体现。比如切削力比传统切削下降3 0 左右，切 削力下降会使工件径向变形明显减小，有利于提高薄壁件和细长杆类零件的形状 精度；另外，切削力小，导致机床和刀具承受的负荷小，有利于保持机床精度和 提高刀具寿命。 ( 7 ) 断屑加工便于排屑。实践证明，对于某些材料，由于车铣加工具有自然 断屑排屑能力，能将连续切屑折断成容易排除的破碎切屑，可以消除车削加工中 切屑缠绕在刀具周围所造成排屑不畅、拉伤工件的现象。 ( 8 ) 可加工偏心和异型件。由于铣刀切削运动可与工件旋转运动相互关联， 保证了复杂零件的内外轮廓加工，曲轴上的连杆颈和异形轮廓面是一个典型实例。 正交车铣是车铣加工最常用的加工方法之一，正交车铣由于铣刀与工件的旋 转轴线互相垂直，可以对孔进行加工。在加工外圆表面时，由于铣刀的纵向行程 不受限制，可以采用较大的纵向进给，因此在加工大型回转体和长轴类零件效率 较高。典型正交车铣加工过程包括工件的旋转运动、铣刀的旋转运动和铣刀的直 线进给运动。但是由于正交车铣主要加工大型回转体零件，所以铣刀的进给运动 主要为轴向进给运动，很少采用径向进给运动。 正交车铣技术作为车削加工和铣削加工的结合，解决大尺寸形状复杂零件的 加工困难的问题，但是作为一种较新的切削手段，正交车铣切削力的变化规律并 未完全揭示，这也使得如何选择正确正交车铣加工参数，减小切削力，提高效率、 保证精度要求变得比较困难，因此研究正交车铣加工参数对切削力影响规律，从 而选择合适的加工参数，都会对车铣技术的推广起到积极的现实意义。 沈阳理工大学硕士学位论文 1 1 2 课题研究的意义 金属切削加工是一个非常古老的、应用广泛的过：程，并同社会生产活动紧密 联系在一起，人们为了了解金属切削规律和提高生产率，从十九世纪开始到现在， 不断深入研究不同切削方法的加工特点，随着科学技：术和事物认知的不断深入， 从开始简单的切削力模型到复杂、与实际加工情况越来越相近的模型，形成的较 为完善的金属切削理论。 切削是使工件内部发生高的应力而引起破坏、分离的加工方法，所以作用于 】：件与刀具之间切削力是不可避免的。切削力是金属切削过程中重要的物理现象 之一，其大小及其随时间的变动将通过弹性变形、震：动，摩擦等因素对所需的动 力、工件的尺寸与形状精度、以及加工表面粗糙度、刀具的耐用度及所有可加工 性的项目都有直接和间接的影响，同时它也是设计机床、刀具、夹具和计算切削 所需功率的主要依据【7 1 。此外，掌握切削力的产生机理以及变化规律，有助于分 析解决生产中遇到工艺问题，有利于加工工艺的改善，利用切削力可以用来检测 和监控刀具磨损和加工表面的质量 引。 图1 3 切削力的影响规律 在正交车铣切削加工中，切削力的变化情况是研究工件精度和表面质量的重 要依据，对提高工件的质量和刀具寿命具有重要意义：，所以研究正交车铣切削过 程切削力的变化规律是非常重要，对预测加工质量、刀具的耐用度，提高经济效 第l 章绪论 益都起到：积极作用 9 】。 正交车铣是一种先进高效切削加工方法，用正交车铣加工代替普通车削可以 更有效地利用现有刀具材料或车削不适用的刀具材料来加工工件，以及实现对回 转体及细长类、薄壁类零件的加工，正交车铣具有加工效率高、加工精度高、刀 具寿命长、切削力较小、不存在断屑和排屑问题等优点，可以完成通常单独用车 削或铣削难以实现的加工，易于实现自动化和连续加工【1 0 】。正交车铣虽然有很多 的优点，但也存在不足，有以下几点： ( 1 ) 正交车铣加工过程中，各参数对切削力的影响较大，工件尺寸与刀具角 度、切削深度、进给量、转速比和偏心量，这些工艺参数只要有_ 个发生变化， 对切削力就有一个较大的影响。 ( 2 ) 由于正交车铣加工是间断切削，刀具在切削中不断受到冲击应力，当刀具 高速旋转时，刀具受到很大的离心力，影响刀具的寿命。 综上所述，切削力的研究是正交车铣加工技术研究的重要内容，本课题的主 要目的是针对目前实际生产中存在的问题，通过对正交车铣加工过程切削机理的 分析及切削力数学模型的研究，深入认识切削力对加工精度和表面质量的影响， 进一步研究各个切削参数对切削力的影响，并总结可供实际加工利用切削力变化 规律，提出可供减小切削力的控制意见，为车铣加工技术的推广和应用提供可靠、 科学的依：鼹和技术支撑，从而推动车铣机床、车铣刀具、车铣n c 技术等车铣加 工相关技术的研究及发展。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 车铣技术的研究现状 车铣技术早期的萌芽是上个世纪五十年代德国的h w e b e r 在其博士论文中介 绍用铣刀加工回转体工件表面的方法，也就是车铣加工的基本加工方法轴向 车铣。1 9 8 3 年德国的k p s o r g e 系统地介绍了车铣技术的另外一种加工形式正 交车铣，对正交车铣的运动学、加工工件的表面精度和工件精度、加工过程中切 削力、切削速度等内容进行了细致的研究。目前，德国的d a m s t a d t 工业大学和 a a c h e n 工业大学都设有专门从事车铣技术研究的实验中心，该研究中心对车铣技 术的发展起到积极推动作用【1 1 1 。d a n n s t a d t 工业大学的机床生产工程研究所的 沈阳理工大学硕士学位论文 s h u l t z h 教授长期从事高速车铣技术的研究，开创了高速、超高速车铣新领域，这 些研究成果推动了德国机床工业制造出商品化的c n c 车铣中心。印度科技大学 c h o u d t l l l w 对正交车铣如何获得完好的表面质量进行了分析研究。s k m a l l g m l k a r 也就正交车铣加工回转体工件进行了详细的分析与研究【1 2 】。 国内车铣的最早雏形是2 0 世纪六七十代出现的旋风铣，而旋风铣主要应用于 螺纹加工，是轴向车铣的实际应用。车铣技术在国内的研究工作开始于上个世纪 九十年代，以沈阳理工大学为依托的辽宁省高速切削技术中心承担了国家“九五” 重点科技攻关项目( 超高速车铣加工技术研究与应用) ，在车铣技术的基础理论、 加工工艺、c n c 车铣加工中心的设计和仿真实验等方向进行全面的研列” 17 1 ， 并出版了车铣原理一书对车铣技术的基础概念、：车铣运动学基本原理、车铣 】：件的表面成形机理、切屑仿真、理论切削力等方面做了详细论述。 近2 0 年以来，国内许多学者都对车铣技术理论进：行研究，取得了显著的成就， 并随着车铣加工机床的研发，这些理论成果已经应用到实际生产过程中。沈阳理 工：大学最先对车铣运动矢量建模及运动轨迹仿真进行了研究，对车铣技术的发展 起到奠基的作用【1 8 】。黄巍、潘恒阳等人，对正交车铣! 细长杆和等距面进行了研究 f ”翔】，扩展了正交车铣的研究方向和内容。潘家华、赵晓明等人，建立了正交车 铣的数学模型【2 1 1 ，开发了正交车铣表面形貌计算机仿真系统。石莉、陈尔涛等人 对正交车铣过程中铝合金薄壁回转体的加工振动进行了研究【2 筋，得到了加工薄壁 件的方法和优化参数。金成哲等人对正交车铣最大切削用量进行了研究，为切削 用量的选择提供数据参考【2 3 】。唐文龙等人用正交车铣的方法来加工叶轮和螺杆钻 具转【2 4 1 ，扩展了正交车铣加工的范围。 1 2 2 切削力的研究现状 切削力建模和预报的研究工作是一项研究金属切削加工的重要内容，很多复 杂零件都往往需要预先分析切削力的大小，最后确定合理的切削参数和工艺方法。 金属切削力的理论研究，起源于十九世纪七十年代。：最早是俄国科学家基麦进行 解析切削力的研究，并提出塑性金属的切削过程为挤压断裂的观点f 2 5 】。1 9 4 5 年， 美国学者麦钱特( m e r d l a n t ) 提出塑性材料切削过程是剪切过程的力学模型 2 6 】，并 利用最小功能理论，给出了剪切角的理论计算公式，这是研究金属切削力重要的 里程碑。1 9 5 1 年，l e e 和s h a t t e r 利用滑移线和材料卡片理论【2 7 】，研究塑性材料的 第1 章绪论 切削现象，并在模型中考虑到了积屑瘤现象。1 9 5 9 年，o x l e y 考虑了切削中的加 工硬化现象，提出了比较符合实际情况的切削力模型【2 8 】。德国科学家e l a i l a y a r 在 o x l e y 理论的基础上考虑了后刀面的摩擦力，但没有从根本上解决o x l e y 模型本身 的缺点【2 9 ，3 0 1 。刘献礼在o x l e y 的切削模型基础上，从切削力预报的反向求解入手， 并加入了实验对模型的修正，建立了球头铣刀的切削力模型，得到了比较精确的 预报结果| ：3 1 ，3 2 1 。华中科技大学的张晨在o x l e v 模型中加入材料的本构关系，进一 步提高了o x l e y 模型的精度，并将此模型应用于铣削和钻削 3 3 】。天津工程师范学 院的徐超辉、阎兵在o x l e y 模型的基础上对螺旋铣刀的切削刃用微元化求切削力， 然后积分求和的方法，得到了螺旋铣刀的切削力模型【3 4 】。 上个世纪7 0 年代，由于有限元理论和计算机技术的快速发展，开始把有限元 方法应用于切削力的研究。与数学解析法相比，有限元方法大大得提高了切削力 预测的精度。金属切削过程中既有弹性变形，又有塑性变形还有很高的切削温度 和复杂的摩擦条件，对材料切削机理的研究，有限元法具有巨大的优势。日本的 臼井英治：在考虑了速度、温度、应变速率的前提下，利用有限元方法对切削力产 生机理和刀具塑性变形进行了研究，并建立了有限元切削力模型。1 9 8 0 年美国加 利福尼亚：大学的m r l a i e z o k 在其博士论文中，应用有限元的方法研究切削过 程，初步分析切削加工过程有限元分析切削力的理论【3 5 】。1 9 9 0 年，s 仃e 1 1 l ( o w s k i 和m o o l l i i l 模拟了切屑形成机理，用e u l a r 有限元模型研究正交切削切削力产生规 律，很好得预测了工件、刀具以及切屑的温度分布【3 6 】。1 9 9 8 年z o n e c h i n g “n 等 人应用有限元大变形理论和拉格朗日公式来描述斜角切削过程。他们用刀具几何 位置条件和单元的应变能密度结合来描述切屑的分离过程，建立了沿不同方向热 传导不同的大变形热弹塑斜角三维模型，更加真实地反映材料的变形过程、温 度对应力应变、切屑流动角、切削力和切削能量的影响等问题，同时研究了各种 因素对已j 9 工表面的完整性如残余应力、应变及温度场分布的影响。随着计算机 技术发展和有限元仿真软件开发，切削力的研究逐步从数学建模过渡到基于计算 机的有限：元建模。基于这种思想，国内外大量的学者进行了广泛的研究口7 ，3 8 | 。 随着：汁算机网络技术和人脑工程学研究的发展，人们开始认识到切削的各个 参数不仅对切削力有影响，而且还对切削热，表面硬化等因素有影响，而且这些 因素也会影响切削力。为了更好的研究切削加工的过程和切削力的变化机理，许 沈阳理工大学硕士学位论文 多学者和科学家们开始利用人工神经网络来模拟切削加工各因素对切削力的影 响。美国学者s t o n e 根据线弹性断裂力学理论，利用：神经网络控制方案调整进给 量，从而达到控制钻削力处于临界值以内的目的【3 9 】。美国l u o 博士利用神经网络 对刀具磨损与切削力各分量比率之间关系来监控切削：过程中刀具的工作状态，以 获得良好的加工质量 4 0 ，4 1 1 。s z e c s i 博士利用3 层神经网纠4 2 ，4 3 1 ，建立了包括工件 材料、刀具材料、刀尖半径、刀具前角、刀具后角、刃倾角、切削速度、进给率、 工件硬度、拉伸强度、工件类型和刀腹磨损等多因素的神经网络切削力预测系统， 得到了很好的预测效果。人工神经网络主要建立了切削加工参数与目标特性间的 非线性映射关系，从而实现对目标特性值的预测和干预。 1 3 课题研究的目的和内容 随着车铣技术的逐渐成熟，车铣技术开始应用于实际生产中。车铣加工技术 作为一种先进金属切削技术，不仅大大提高了切削加工效率，还能显著改善工件 表面质量，给传统的金属切削理论带来了革命性的变革。然而仍然存在许多因素 制约着车铣加工技术的广泛应用，主要有：( 1 ) 对切削力的研究局限于理论上的 切削力计算：( 2 ) 加工参数对正交车铣切削力的影响不明确；( 3 ) 没有能应用于 生产的切削力预测规律和数据。 本文通过对正交车铣产生切削力机理进行研究，深入讨论切削参数轴向进给 量、切削深度、铣刀转速、工件转速、铣刀齿数等因素对正交车铣切削力的影响 规律，进一步揭示切削参数与切削力之问的关系，对影响正交车铣切削力的因素 进行分析和参数优化，提出降低切削力的控制措施，丰富了车铣技术的理论基础， 为正交车铣技术的应用推广提供理论依据和技术支持，从而实现提高正交车铣的 加工效率和改善表面质量、选择合理的加工参数、实现指导实际生产加工的目的。 本课题以正交车铣切削力为主要研究对象，研究内容主要有以下几个方面： ( 1 ) 论述了正交车铣切削力数学模型，并分析模型误差。 ( 2 ) 利用单因素法分析了切削参数对切削力的影响规律，并用m a t l a b 软件进行模拟仿真。 ( 3 ) 利用加加l i s p 语言对不同切削参数情况下正交车铣切屑形态进行 仿真，验证了正交车铣瞬时切削面积的变化规律，从而验证切切削 力的变化规律。 r 第l 章绪论 ( 4 ) 基于多因素正交试验的方法，分析以上参数对正交车铣切削力的影 响程度顺序，为加工工艺的优化，减小切削力，提供理论的数据参 考。 沈阳理工大学硕士学位论文 第2 章正交车铣切削力的建模理论 切削力是切削过程中重要的物理参数之一，切削力的大小不仅决定了加工过 程中消耗的功率、工艺系统的变形，还直接影响工件的加工精度和表面质量，同 时切削力直接导致切削热的产生，进一步影响刀具磨损和使用寿命。研究切削力 的产生原因和变化规律，有助于预测加工变形、控制工件质量和提高加工精度。 本章首先简单介绍正交车铣切削的基本运动，然后从切削运动学入手，引出正交 车铣切削力研究所涉及的各个切削参数，最后归纳总结了切削力预测模型的方法 和理论，为正交车铣切削力的研究奠定坚实基础。 2 1 正交车铣运动学基础 2 1 1 正交车铣的基本运动 工 图2 1 正交车铣主要运动 正交车铣是车铣技术的主要形式之一，正交车铣既不同于车削，又不同于铣 削，是利用铣刀旋转和工件旋转合成运动完成各种工件表面的加工。正交车铣加 工的主要运动有( 如图2 1 所示) ：铣刀旋转、工件旋转、铣刀轴向进给和径向进给 第2 章正交车铣切削力的建模理论 四种运动。 主切削运动是铣刀的旋转运动。切削速度是由铣刀和工件旋转速度共同组成， 其中决定切削速度的主要因素是铣刀旋转速度，特别是在高速、超高速车铣加工 中，铣刀旋转速度远远大于工件回转速度，工件回转速度对切削速度的影响可以 忽略不计。车铣加工进给速度由工件旋转速度、铣刀轴向进给和径向进给速度共 同组成，其中工件旋转速度远大于铣刀轴向进给速度、径向进给速度对进给速度 的影响。工件旋转切向进给速度即是铣刀的轴向进给速度。铣刀的直线进给运动 根据不同加工需要可采用径向进给或轴向进给运动，也可两种运动同时进行。 2 1 2 正交车铣的切削加工参数 一个典型的正交车铣加工过程包括工件、铣刀的旋转运动和铣刀的轴向和径 向进给运动。由于正交车铣的加工对象主要是长轴类和大型回转体零件，所以铣 刀的进给运动一般为轴向进给运动，而很少采用径向进给运动。这里所讲的切削 用量指的是进给深度、进给量、铣刀切削速度、工件的旋转速度和铣刀的齿数。 2 1 2 1 进给速度v f 在正交车铣加工中，因为铣刀一般只做轴向进给运动，所以正交车铣的合成 进给速度相对简单。如图2 2 所示，它由铣刀相对于工件的切向进给速度和铣刀 的轴向进给速度共同合成。其矢量表达式如下： y x y 图2 2 正交车铣合成进给速度的计算模型 旷 协t ， 其中切向进给速度的大小为： 沈阳理工大学硕士学位论文 i v w ，i = 国w ( 尺一日，) ( 2 2 ) 由式( 2 1 ) 、式( 2 2 ) 可得合成进给速度的大小为： f v ? i = ( 功w 2 i 一口。) c 2 3 ， 把式( 2 3 ) 写成代数式为： l y f l = | 1 2 + 缈o ( r 一咚) 2 ( 2 4 ) 另外，由图2 2 和式( 2 3 ) 还可求出合成切向进给速度与进给速度的夹角： 觚炉黠2 爿岛 眨5 ) i l | 缈w 【r 一j 2 1 2 2 进给量 ( 1 ) 工件每转一圈铣刀的轴向进给量 工件旋转一圈铣刀轴向进给量是影响加工效率的主要参数之一，若工件转速 ，1 w 的单位是r m i n ，铣刀轴向进给速度i v 自l 的单位是m m m i n ，则每转进给量为： 工：嘣 ( 2 6 ) ( 2 ) 工件每转一圈铣刀的切向进给量 z = 复伍一口，) ( 2 7 ) ( 3 ) 铣刀每齿进给量是正交车铣加工影响切削力的一个重要工艺参数，它的 大小与工件的齿数、铣刀的半径以及铣刀和工件的转速有关： 厶：堕掣 协8 ， 2 1 2 3 切削速度d 切削刃上某一点的切削速度是指该点相对于工件主运动的瞬时速度。但在计 算切削速度时应以最大切削速度为准，单位一般为m m i n 。车削外圆时，切削速 度为： v ：盟!( 2 9 ) 正交车铣切削时铣刀的切削速度是： 第2 章正交车铣切削力的建模理论 2 万m v = 1 0 0 0 ( 2 1 0 ) 2 1 2 4 切削深度 切削深度也是影响正交车铣加工的一个重要工艺参数，如图2 3 所示，其大 小可用下式表达： 以。= 六c o sy 图2 - 3 切削厚度的计算模型 2 1 3 正交车铣切削力的分解和合成 ( 2 1 1 ) 切削力是工件材料抵抗刀具切削所产生的阻力，是一个空问的向量。最常用 的分解方法是分解为三个互相垂直的方向力。 三个分力的作用如图2 4 所示，合力f a 和各个分力的关系是： 主切削力f ：垂直于铣刀的切削刃，与主运动的方向一致； ( 2 1 2 ) 切深抗力f y 作用于工件直径方向上，垂直于主运动方向和刀具的进给 方向； 进给抗力f 。与刀具进给方向平行。 沈阳理工大学硕士学位论文 图2 4 正交车铣切削力的合成与分解 2 1 4 影响切削力的因素 凡影响切削变形和摩擦系数的因素都能影响切削力，其中主要包含：工件的 材料、切削用量和刀具几何参数等三个方面。下面介绍主要因素对切肖| j 力的影响 【4 4 】 o 1 切削用量的影响 ( 1 ) 切削深度和进给量 切削深度和进给量都能使切削力增大，但两者影响程度是不同的。如果进给 量不变，切削深度增加一倍，那么切削宽度和切削层横截面积也随之增加一倍， 则由于切削变形和摩擦增加一倍，所以切削力增加一倍；若进给量增加一倍，摩 擦和切削变形并不是成倍增加，因此切削力增加较少。 ( 2 ) 切削速度的影响 切削速度对切削力的影响如同对切削变形的影响。在积屑瘤产生的区域内， 切削速度增大，前角增大，切削变形减小，故切削力下降；待积屑瘤消失后，切 削力迅速上升，当高速或超高速加工塑性材料时，切削力一般随着切削速度的增 大而减小，这是因为切削速度变大，使切削温度提高，平均摩擦系数变小，变形 系数减小。 2 工件材料的影响 工件材料的物理机械切削性能及其状态，决定着切屑形成过程中的变形及摩 第2 章正交车铣切削力的建模理论 擦，因此：工件材料对切削力影响较大。一般来说，工件材料的硬度和强度越高， 其剪切屈服应力就越大，产生的切削力就越大。两种材料在强度和硬度相近情况 下，工件j 防料的塑性和韧性越高，则切削力越大，这是因为切屑与刀具间摩擦力 增加的缘j 故。在加工脆性材料时，因为变形和摩擦均较小，切削速度对切削力的 影响不大。 3 刀具几何角度的影响 ( 1 ) 前角y 的影响 前角y 增大，楔角减小，切削角变大，切削层变形的阻力和切屑流出的阻力 变小，故切削力变小。一般说来加工材料塑性较大时，前角对切削力的影响比塑 性小的材料更加显著。 ( 2 ) 主偏角k r 的影响 主偏k r 对切削力影响不大，主要是影响切削力的方向，即影响切削力各分力 的大小。加工塑性材料时，当k r 增大时，切削厚度减小，变形系数减小，因而 f ：减小，但当k r 大于6 0 。7 0 。时，因切削形状使刀尖圆弧所占的切削宽度比例 增大，故切屑流出时挤压力增大，造成切削力逐渐增大，不过因主偏角引起的f ： 变化范围：并不大。 ( 3 ) 刀尖圆弧半径r 刀尖圆弧半径r 增大时，切削变形增大，切削力增大。此外，在圆弧切削刃 上各点主偏角平均值减小，则f 。增大。刀尖圆弧半径主要影响切削刃曲线部分的 长度。当主偏角不变时，r 变大，参加切削的圆弧刃弧长加长，则切削刃曲线部 分k ，变小，故f v 增大，f ：减小。在粗加工或半精加工时，刀尖圆弧半径对切削 力的影响：限小，可以忽略不计，但当精加工或微细加工计算切削力时，刀尖圆弧 半径是一个非常重要的参数。 4 刀具磨损的影响 刀具的切削刃及后刀面产生磨损后，会使切削时摩擦和挤压加剧，故使切削 力f v 和f ：增大，刀具切削刃和后刀面磨损越严重，后刀面与工件的接触面积越 大，产生的摩擦力越大；切削刃的磨损会使刀具前角发生变化，影响建立切削模 型的准确性。 1s 沈阳理工大学硕士学位论文 5 其他因素的影响 刀具材料对切削力的影响，是通过刀具材料和工件材料之间的亲和力、摩擦 力决定的。切削加工金属时，应选用与金属亲和力较小的刀具材料。合理选用切 削液，会产生良好的冷却与润滑效果，能减少刀具和工件问摩擦和粘结，使切削 力减小。 2 2 分析切削力常用建模方法和模型 切削力是判断加工性能、刀具磨损、工件尺寸精度和表面质量的重要参数之 一。对所需动力、工件的尺寸与形状精度、已加工表面精度、加工残余应力、刀 具耐用度等所有可加工性的项目有直接和间接的影响。无论是机床、刀具制造商 还是实际生产都需要对切削力进行预先的估计。切削力也是计算切削功率，设计 机床、刀具、夹具以及整个工艺系统不可缺少的依据；同时直接影响着切削热的 产生，以致影响整个工艺系统的稳定性，所以切削力：预报，对合理选择刀具几何 参数、切削用量、提高切削加工效率和刀具寿命、降低生产成本有着积极的指导 作用【4 5 1 。 在切削加工中，掌握切削刃附近切屑和工件的变形情况对于解释切削现象的 本质是无比重要的，是切削加工理论研究的基础。当刀具上的切削力作用到工件 上时，切削刃附近的工件材料就会发生大的变形，并：分离切屑，在分析这一过程 时，应用最广的方法就是建立切削过程的力学模型，模型获得的数据与试验数据 比对，然后对模型进行优化，从而得到与实际切削过程较为相近的切削力学模型， 模拟切削过程。 近些年来，很多的学者和研究人员都对切削机理、切屑分离理论和刀具切削 动力学、切削力模型的建立进行研究，取得了许多重要成果，已经建立很多的切 削力模型或间接切削力预报模型。研究人员提出的多种切削力预测模型，主要可 分为理论模型、经验模型、统计模型等、有限元模型、神经网络模型，但金属切 削过程中既有弹性变形，又有塑性变形，还有很高的切削温度和复杂的摩擦条件， 金属切削过程的力学实质到目前为止还有许多未能彻底搞清楚的地方，所以切削 力模型都有一定的适用范围和理论缺陷。这里介绍几种常见的切削力模型【4 6 1 。 第2 章正交车铣切削力的建模理论 2 2 1 解析法切削力模型 2 2 1 1 基于剪切角的切削力模型 基于剪切角模型是研究最多、最成熟的模型，是数学解析建模的基础。被应 用最多的：漠型有m 朗c h a n t 模型、k 拶s t o f 模型和0 x l e y 模型【4 7 】。m e r c h a n t 模型应 用的是最小阻力原理，k r y s t o f 模型应用到了滑移线场理论和卡片理论，而o x l e y 模型中增：蛔了加工硬化和应变速率效应对切削过程的影响。以上几个经典的力学 模型都是以正交切削条件下得出的。下面介绍正交切削力的基本理论和几种基于 剪切角切削力模型。 图2 5 正交切削力的基本关系 如图2 5 所示，研究最简单的正交切削模型时，被加工材料之所以变形成切 屑，是因为刀具前刀面通过时，剪切面a b 面发生了剪切滑移的缘故。因为切削 力r 在剪切面方向的分力必须与剪切变形应力t 。相等，又因为剪切面的面积是 刮s i n ( 巾) ，切削力的大小应满足下式 r _ 塑三 ( 2 1 3 ) s 1 n c o s 彩 从几何角度的关系可知，剪切角巾与前刀面上的摩擦角b 、刀具前角y 之间的关 系为： 缈= + 卢一y ( 2 - 1 4 ) 切削力的主切削力f 。与吃刀抗力f 。变成下式： 沈阳理工大学硕士学位论文 只= rc o s ( 一) = 口s f 。( c 增+ 增彩) ( 2 1 5 ) f = r s i n ( 国一) ( 2 1 6 ) = 口s t ( c 留矽t g 缈一1 ) 如果把吃刀抗力f 。以切屑流出角屹分解成走刀抗力f f 和吃刀抗力f p ，可以 得到下式： e = 口s t ( c 硎+ 留国) ( 2 1 7 ) t 2 fc o s ( 少+ 匕) ( 2 1 8 ) = 口s t ( c 辔矽t g 国一1 ) c o s ( y + y 。) 以上三个公式中，切削深度a 、迸给量s 、和余偏角通常为已知量，因为r ， 可以根据加工材料大致确定的量，所以可以根据以上公式，求得三个分力。 切削材料的剪切应力f 。和剪切角的关系也能够求出，那么从理论上就可以计 算切削力的大小，那么剪切角在切削力的计算中是一个非常重要的量，剪切角由 是直接影响切屑承受的剪切应变、切屑的形态、切削力等重要因素，怎样来确定 剪切角，在切削力学基础研究中是最大的问题。反过来说，确定剪切角容易，但 是由于与实际切削不符合，所以切削理论至今不能取得清楚明了的理论体系。 m e m c r c h 觚t 认为切屑应从阻力最小的方向发生滑移，假设被加工材料与 刀具材料间的摩擦系数确定以后，摩擦角也就确定了，如果确定了刀具前角y ， 切削力r 的方向也就确定了，这时切削力r 的大小随滑移的方向，即剪切角巾的 不同而不同，把式( 2 1 4 ) 带入式( 2 1 3 ) 可得： 贮丝l 一一( 2 2 0 ) s i n 矽c o s ( 矽+ 一厂) 如果使r 最小，那么积a = o ，所以对上式( 2 2 0 ) 进行偏微分可得： 2 矽+ 一y = 0 ( 2 - 2 1 ) 其中，为剪切角，为摩擦角，7 为有效刀具前角。 翟 铲琊 第2 章正交车铣切削力的建模理论 脚s t ) f 认为切屑应沿剪应力最大的方向发生滑移，如果r 作用于塑性材料上 时，剪切力应在与r 成4 5 。的方向剪切应力最大，应在该方向上发生剪切滑移。 他把工件材料可以看作理想刚一塑性体( 直到屈服点也不表现出弹性特性) ，并 在此假设的基础上，运用滑移线场和材料卡片理论，假设剪切面为最大剪应力面 和切屑的变形符合平面应变的情况下，建立如下式所示的滑移线剪切角力学模型。 对于这种模型，是非常容易理解的 矽+ 一y = 4 5 。 ( 2 2 2 ) 其中，巾为剪切角，为摩擦角，7 ，为刀具前角。 o x l e y 模型是一种最为成熟的剪切角模型，他将材料看成刚塑性体，利用材 料的变形阻力来描述加工硬化及应变速度效应对切削力的影响，切削过程不形成 积屑瘤而产生带状切屑，基于滑移线场理论导出带状剪切区切削模型 4 8 1 ，如下图 所示，剪切角的计算公式如下： 图2 6o x l e y 切削力模型 矽2 t 9 1 l - + 2 ( 三一痧) 一芝i i i 专主j 一+ y c 2 - 2 3 ， 其中，巾为剪切角，为摩擦角，y 为刀具有效前角，m 为塑性曲线斜率( 加 工硬化率) ，k 为初始屈服应力。 2 2 1 2 基于切削面积的切削力模型 基于切削面积的切削力模型可以看成一个理论和经验相结合的模型。 沈阳理工大学硕士学位论文 y l 1 ? ， 、 r l夕 j j 移 i 、羚 面积疡 y 图2 7 正交车铣切削面积切削力模型 首先把三维切削过程投影成二维图形，便于分析，然后把切削刃离散微元化， 求一个微元在整个切削过程中的切削力，然后将所有参与切削的微元进行求和， 针对正交切削过程中切削和切屑方向的平面内的，进给量、切削深度、有效