（机械制造及其自动化专业论文）螺旋铣孔动力学研究.pdf

摘要 螺旋铣孔加工作为近几年兴起的加工方式，以其节约加工成本，自动化程度 高，促进新材料的应用，以及比普通钻孔质量高等特点，有力的推动了航空装配 加工领域的发展。 目前，国内外对螺旋铣孔的研究处于起步阶段，一些刀具厂商虽然推出了可 以应用于螺旋铣孔的刀具，但对螺旋铣孔的动力学分析甚少。本论文以模具工业 中使用广泛的塑料模具钢( 4 2 c r m o ) 为对象，研究了其在新型螺旋铣孔加工方 式下，切削力和力矩的建模情况，并且对加工表面质量进行了分析研究。 论文首先介绍了模具钢加工性能特点，对加工测试系统做了简要介绍，通过 螺旋铣孔力的二次回归混合正交实验，对实验数据进行回归拟合，得到了铣削力 的二次回归表达式，并以此为基础分析了切削参数对x 向和z 向铣削力的影响，证 明了螺旋铣孔切削力比传统钻削低很多。从切削厚度估计切削力的理论基础出 发，建立了螺旋铣孔加工的力矩理论模型，通过实验数据求解压力常数、从而建 立了螺旋铣孔力矩的理论模型。通过分析螺旋铣孔加工表面质量的影响因素出 发，分别对粗糙度和圆柱度进行检测。用直方图对粗糙度精度做了清晰的描述， 证明了螺旋铣孔在表面粗糙度方面有极高的精度。通过对圆柱度检测分析，从几 个方面考察了圆柱度偏大的原因，并提出了解决方案。 本文对螺旋铣孔的动力学进行了一些初步的研究，并对参数进行了优化，为 后续硬质合金螺旋铣孔过程的更进一步研究提供重要参考，对刀具厂商合理调整 刀具结构参数和加工过程提供生产效率提供了重要依据。 关键词：螺旋铣孔，模具钢，切削力，力矩，表面质量 a b s t r a c t h e l i c a lm i l l i n gc a ni n c r e a s eh o l eq u a l i t y , r e d u c el e a dt i m ea n d p r o d u c t i o nc o s t s i t h a v eh i g hd e g r e eo f a u t o m a t i o n ，a n db o o mt h ef a c i l i t a t e su s eo fn e wm l t e r i a l s b u tt h er e s e a r c ho nh e l i c a lm i l l i n gi su n d e r w a yn om a t t e ri nd o m e s t i co ra b r o a d a n ds o m ec u r i n gt o o l sp r o d u c e r sp u tf o r w a r ds o m eh e l i c a lm i l l i n gt o o l sw h i c h a r e l a c ko fd y n a m i c sa n a l y s i sa tt h es a m et i m e t h i sp a p e rr e s e a r c h e dc u t t i n g f o r c e ，a n d t o r q u eu n d e rt h ec o n d i t i o no fn e wt y p em a c h i n i n gh e l i c a lm i l l i n gd i es t e e lw h i c hi s u s e di nd i ea n dm o u l di n d u s t r yw i d e l y , a n da l s or e s e a r c ha n da n a i v z et h eh o l e s q u a l i t y f i r s t , d i es t e e l sc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ee x p e r i m e n ts y s t e m sa r ei n t r o d u c e d w e d i de x p e r i m e n to f c u r i n gf o r c ei nt h ew a yo fq u a d r a t i co r t h o g o n a lc o m b i n a t i o nd e s i g n ， t h e ne s t a b l i s h e dt h eq u a d r a t i ce q u a t i o no f c u t t i n gf o r c eu s i n gt h ed a t ao fe x p e r i m e n t ， a n a l y z e dt h ee f f e c t so fc u r i n gp a r a m e t e r sf o rxa n dzd i r e c t i o n sc u t t i n gf o r c e s ，w h i c h i sp r o v e dm u c hl o w e rt h a nc o n v e n t i o n a ld r i l l i n g t h e n ，b a s e do nt h e t h e o r ya b o u t c u r i n gt h i c k n e s s ，t h eh e l i c a lm i l l i n gt o r q u em o d e lh a sb e e ne s t a b l i s h e d w h i c hh a v e u s e de x p e r i m e n td a t e st os o l v et h ep r e s s u r ec o n s t a n t s f i n a l l ya n a l y z e dt h ef a c t o r so f s o m ei n f l u e n c ef o rh e l i c a lm i l l i n gh o l e sq u a l i t y , a n ds e p a r a t e l yt e s t e dt h es u r f a c e r o u g h n e s sa n dc y l i n d e r , t h eh o l e sq u a l i t yh a v eb e e nr e s e a r c h e d d e s c r i b e dt h eh o l e s r o u g h n e s sb yc o l u m nd i a g r a m ，i ti sp r o v e dt h a tt h eh o l e sr o u g h n e s si sv e r yg o o d ， w h i c ha r em a d eb yh e l i c a lm i l l i n g b ya n a l y z i n ga n d r e s e a r c h i n gt h eh o l e sc y l i n d e r , i t i su p p e rt h a ni d e a lv a l u e s o m es u g g e s t i o n sh a v eb e e np r o p o s e d ，a n da f e ws o lu t i o n s h a v eb e e np r o p o s e d t h e s er e s e a r c h e sa r em a d et od os o m eh e l pf o rd e e p e rr e s e a r c ho nh e l i c a im i l l i n g a n dt o o ld e s i g n ，a n dp r o v i d et h ei m p o r t a n tb a s i st oa d j u s tt o o lp a r a m e t e r , a n dg u i d e t h ep r o c e s s k e y w o r d s - h e l i c a lm i l l i n g ，d i es t e e l ，c u t t i n gf o r c e ，t o r q u e ，s u r f a c eq u a l i t y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤童苤堂或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：参鼋圣 签- 7 - e t g e t ： 劲8 年参月哆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 磊匆拿 导师签名： 签字日期：厶3 年岁月 多日 签字日期：知8 年 月3 弓e t 第一章绪论 1 1 课题的来源 第一章绪论 本学位论文开展的研究工作，得到天津大学一肯纳金属( 美国) 合作项目第 三期“硬质合金螺旋铣孔动力学研究”的资助。通过深入研究螺旋铣孔该项最新 技术基于模具钢的动力学，并且对孔加工表面质量进行了分析和研究，为今后硬 质合金螺旋铣孔的研究打下一个基础。 1 2 课题意义 现在我国正处于制造技术快速发展的时期，切削加工作为制造技术的主要基 础工艺，随着制造技术的发展，取得了很大进步，进入了以发展高速切削、开发 新的切削工艺和加工方法、提供成套技术为特征的发展新阶段。切削加工是制造 业中重要工业部门，如汽车、航空航天、能源、军事、模具、电子等的主要加工 技术，也是这些工业部门迅速发展的重要因素。切削技术不仅是制造业中主要工 业部门和装备制造业的基础工艺和关键技术，还关系着机械加工企业加工效率、 质量、成本的高低、产品性能的好坏和竞争实力的大小，是制造技术进步的重要 组成部分。航空航天是制造业最为重要的组成部分之一，是高新技术最为富集的 产业，大量新材料，新技术首先在航空制造业得到应用。为了降低飞机自重，提 高结构强度，一些大型复杂结构零件都采用新型合成复合材料，一些主承力结构 件以及机翼普遍都采用新型轻型材料，大量零部件都需要进行装配，需要) j n - r _ 成 千上万的孔，对此类航空装配孔要实现高效、高精度、高质量加工，需要一种新 型技术来代替传统钻孔技术i 。 目前，我国已成为世界飞机零部件的重要生产国，波音、麦道、空客等世界 著名飞机制造公司都在我国生产从尾翼、机身、舱门到发动机等各种零部件，这 些飞机零部件的加工生产必须采用先进的加工装备和加工工艺。与此同时，大量 高速、高效、柔性、复合、环保的国外切n ) j n 工新技术不断涌现，使切削加工技 术发生了根本性的变化【2 】。空客公司已经在飞机的研制上应用螺旋铣孔技术，由 于螺旋铣孔是在一个工序内完成对不同孔的加工，n o v a t o r l 3 】公司的研究表明，这 项技术的应用相对于传统钻孔技术缩短了5 0 的时间，通过拆卸来消除毛刺的工 第一章绪* 艺被彻底消除了。为了降低研制周期和降低生产成本，深入研究了螺旋铣孔的优 势。空客公司1 5 1 几年前与n o v a t o r 公司# 作启动一项发展轻型便携式的螺旋铣孔装 置的研究，应用于法国、德国的空客飞机装配生产车间中，最近又推出 t w i n s p i n p x 3 轻型便携式的螺旋铣孔装置。空客已经将该项技术应用到了装配生产线上， 验证了该项技术的生产能力。各公司效仿，部署这项技术的研发工作，鉴于螺旋 铣孔技术在航空飞机上打孔的优势，其他传统的钻孔工艺慢慢将会减少。 在机械i q k 产品更新换代，日益发展的过程中特别针对高新技术密集的航 空、模具行业，对上述要求将会愈加明显与迫切。螺旋铣孔提高了打孔工艺的效 率，产品质量和企业收益率。这种技术采用全新的，先进的工艺，在新型材料上 也能取得非常高的孔质量，如碳化纤维和钛合金等，为促进企业开发新产品提供 了保证，螺旋铣孔只需要一把刀具就可以加工不同直径高质量的孔，减少了换刀 时间，不需要再进行精加工，这样大大提高了效率。螺旋铣 l 技术极大的提高了 制造企业的效率，产品质量，并节约了n i 成本。 下面简要介绍螺旋这种新型打孔丁艺的特点： 1 提高孔质量 相对于传统的打孔技术螺旋铣孔显著的提高了孔质量和强度。螺旋铣孔属 于断续间歇的切削，较低的铣削力使得所加工的孔无毛刺，如图1 i 所示。散热 快，切削温度低。刀具直径比孔小，切屑很好的得到排除，极大地降低孔表面的 粗糙度，在加工复合型材料的情况下，消除了以往传统打孔由于刀尖钝化导致的 脱层、剥离，孔表面质量低的情况。如图i 2 a 、b 、c 所示，传统钻孔和螺旋铣 孔加工三种不同材料的的孔质量对比。左边为传统钻孔加工，右边为螺旋铣孔加 工。 图i - 1 孔光滑无毛刺 第一章绪论 j ：j j 嚣。誓i 妻誊 馒黔j 窝蠢 图1 - 2b 钛台金 刚1 2a 铞台金 图l - 2c 纤维增强复台材料 2缩短研制周期和节约企业加工成本 在制造加工飞机以及其他重型机器时，使用螺旋铣孔技术将会大大缩短研发 周期和降低企业成奉花费。首先由于其刀具对不同加工孔的通用性较低的铣削 力提高了刀具寿命。传统钻孔刀具由于其刀具中心切削能力低下蚍及积聚发热快 速磨损，致使刀具寿命普遍比较低。应用螺旋铣孔技术，同一把刀加工不同赢径 的孔，复杂形状的孔，由于其加i 具有高质量的性能，可咀节省传统的锪锥孔， 铰孔等工作。这将会预示着，今后加i ? l 的刀具种类型号会不断减少。就整个研 制周期来看，螺旋技术会减少很多工序，如分解拆卸后对不同孔分g 进行毛刺去 除处理，铰孔清除冷却液，再进行组装。这些工序在使用新的螺旋铣孔技术后 都将会消除。如图i - 3 在飞机制造业中使用螺旋铣孔技术，能大大缩短加工周期， 降低成本。 醋戳 削1 - 3 飞机打孔装配 雕1 4 螺旋铣孔轻型装置 3 高度自动化 实现更高的自动化程度，也是降低加工成本的一种方式。由于螺旋铣孔加工 具有比较低的铣削力，此项技术才能得咀应用到工业机器人装置上，如图1 4 所 示。这种装置由于比较柔弱，传统钻孔轴向力太大，无法应用于在此种类型的装 第一章绪论 置上。 4 促进新材料的使用 航空工业领域的发展趋势，是在飞机的零部件采用新型先进材料，铝合金、 钛合金、复合材料等新型材料得到广泛的发展。新型材料的研制使用需要得到适 合的加工工艺支撑，对于这些新型材料应用传统钻孔技术进行孔加工是非常艰难 的挑战。在这些材料进行的螺旋铣孔技术的研究表明，相对传统钻孔技术，这项 技术有显著的优势。 鉴于螺旋铣孔技术的优势，各大企业都开始将其应用到生产实际中，特别是 航空、模具行业。随着这种技术的推广和应用，其他传统的钻孔刀具慢慢将会被 淘汰，新型的铣孔装置也将越来越多的呈现在市场中。 综上所述，本论文研究的主要目的是针对目前这种新型螺旋铣孔技术的出现 和应用，针对该项技术应用到模具钢4 2 c r m o 铣孔加工过程中的动力学进行探索 性研究，对今后的航空材料钛合金螺旋铣孔研究打下基础。以这种加工方式为基 础，通过对铣孔过程中力的测试，建立其铣削力经验模型和力矩理论模型，对影 响因素进行分析研究，并对其加工孔的表面质量分析研究，主要针对粗糙度和圆 柱度方面进行分析和研究，并提出了获得高圆柱度的相关措施，为螺旋铣孔技术 推广应用提供可靠的，科学的依据和技术支撑。 1 3 螺旋铣孑l 动力学发展现状 1 3 1 螺旋铣孑l 研究现状 螺旋铣孔是一个全新的孔加工方法，与传统的钻孔加工有很大的区别。其实 质是一个断续铣削加工过程，显著的特点是由两种运动的合成：1 主轴的高速旋 转，同时向下进给。2 刀具中心轴绕孔中心做旋转运动。 n o v a t o r 是一家致力于发展航空航天工业的高新科技公司，为以航空为代表 的各种工业部门进行专门的螺旋铣孔研究，以提高孔效率、孔质量以及高新材料 的为目标进行了广泛而深入的螺旋铣孔研究。该公司基于传统的d b 4 0 钻孔管理 系统，创新性的开发了o r b i t a ld r i l l i n g 系统。作为高级钻孔方案基础的t w i n s p i n 管 理软件，可以在工程中一次设定每个孔的全部钻孔参数同时可以进行所有孔设置 的批处理操作，而且在钻孔过程中该系统还提供在线实时检测与记录功制3 1 。 美国肯纳公司与n o v a t o r 公司就螺旋铣孔加工技术达成战略伙伴【4 1 。作为世界 第二大刀具厂商的美国肯纳刀具集团，其生产的肯纳金属切削刀具在现代制造领 域一直处于世界领先地位。肯纳公司可以向用户提供完整的车削刀具、孔加工刀 4 第一章绪论 具、铣削刀具及刀柄系统，并且提供多功能、高质量和简便的解决方案。肯纳提 供螺旋铣刀，同时n o v a t o r 公司提供解决方案，针对飞机组装时所需的铣孔加工， 双方共同为提高效率与降低成本进行了研究。通过研究表明，采取新型技术进行 螺旋铣孔，即用同一把刀具加工不同直径孔，并获得高表面质量，可以减少飞机 机翼等零部件的拆卸、避免附加的毛刺去除等工作，显著的提高生产效率，降低 刀具成本。同时肯钠公司研制出一系列专门解决螺旋铣孔技术的铣刀，由专门设 计的刀具角度和结构，硬质合金基体、特殊的涂层组成。 国内外已经有一些学者进行了螺旋铣学动力学的研究和探索，其中 w a n g y a n gn i 峭j 从不同材料的传统钻削与螺旋铣孔加工质量上进行对比，进行了 螺旋铣孔加工动力学研究，并针对于新型材料钛合金，铝合金，c f r p 等材料的 螺旋铣孔刀具提出了一些解决方案；e r i cw h i n n e m l l j 通过在航空制造业领域以螺 旋铣削进行了对比，分析了螺旋铣孔在加工效率和孔质量方面的优势，并研究了 螺旋铣孔便携式装置的性能和发展。r i y e r 9 】等人研究了某些特殊材料螺旋铣孔 力，以及加工质量，证明了螺旋铣孔方式的优越性。 在航空制造业领域中，针对飞机装配时的螺旋打孔技术，肯纳公司提供一种 高效，以最大投资回报的螺旋铣孔刀具解决方案，其中也包括铣孔工艺设计，优 化，服务管理等。 目前，现在国内企业和各大高校对研究螺旋铣孔技术的研究较少，为进一步 提高对该领域的科研水平，本论文对此项技术进行深入研究。 1 3 2 铣削动力学研究发展趋势 国外很早就开始了加工过程机理的研究，m e r c h a n t t l 0 1 在4 0 年代初以剪切面 理论为基础，对剪切滑移理论进行了大量的研究，建立了直角切削模型。其它学 者如l e e 和s h a f f e r t 等人依据塑性定律提出了剪切角预测模型。o x l e y ! 眩】和 b o o t h r o y d 1 3 对温度变化与铣削力的关系进行了理论分析和实验研究，提出了相 应的温度预测模型。具体对铣削力模型而言，y a m a z a k i t m 】和w a n g 【1 5j 研究了根据 平均功率来估算切削力的平均刚性力模型；t l t i n t a s 等人从刀具与工件之间相互作 用的动力学角度，提出了再生动力学模型，在理论上基本解决了加工过程中动力 学所涉及到的问题，为切削加工过程颤振稳定域的研究提供了坚实的理论依据。 m a r t e l l o t t i 主要研究了铣削表面生成的运动学原理，并进一步将刀具的静态变形 作为铣削表面生成误差的影响因素考虑进去。 在以往的切削力一力矩模型研究中，i 扫k o e n i g s b e r g e r 等人最早提出局部铣削 力的经验力学模式n6 1 ，此模式提出切向力与未变形切屑面积之间存在一比例系 数。a l t i n t a s 等人假设对于特定的刀具材料对和加工参数，切削力系数为常数， 第一章绪论 并据此提出铣削力的解析模型，根据这个模型可以求出特定条件下的切削力系 数。为了更准确的预测铣削力，w a k l i n e t l 7 1 等人假设切削力系数是进给、径向切 深、轴向切深的多项式函数，而这需要更复杂的数学方法来对切削力系数进行预 测。 本文所研究的螺旋铣孔属于铣削形式的一种，同样是断续间歇的切削方式。 关于铣削过程的动态铣削力模型已经有很多研究。本文参照由m a r e t l l o t t i 、 s a b b e w a l 、t l u s t y e t a l g 和m a c n e i l i 等不断发展，后来被张智涮1 8 】、郑力【1 9 】、解顺 强等系统使用的方法，建立螺旋铣孔动态加工过程的铣削力模型。本文参考山东 大学【2 0 】针对面铣过程中力矩的理论建模方式，对螺旋铣孔加工孔的工艺过程进行 力矩建模。 通常，基于加工过程的动力学建模方法主要有3 类【2 2 1 。 l ：机理分析方法以金属切削理论和多体动力学原理为基础，从理论分 析的角度出发，建立铣削过程中各种物理量的动力学关系。 2 ：实验辨识方法把所要研究的铣削过程看成函数问题来处理。针对所 研究的对象，进行一定量的切削实验，对得到的实验数据进行模型辨识，得到各 物理量之间的规律。 3 ：混合建模方法机械建模方法融合了机理分析和实验辨识两种方法的 优势。该方法既能考虑到切削机理的变化规律，同时又可以通过少量的实验来确 定所需的模型参数，因而己成为目前复杂系统动力学建模的主要实现手段。 本文在铣削力的建模上采取的是实验辨识方法，利用多元正交回归分析法， 建立了螺旋铣孔4 2 c r m o 模具钢，得出铣削参数对切削力的直接影响关系，为生 产实际提供参考依据。在力矩的建模上采取混合建模方法。 1 4 主要章节内容和结构 此课题为美国肯纳金属公司资助项目，课题的题目为：螺旋铣孔动力学研究。 研究目的是通过实验和理论分析，研究螺旋铣孔加工特点以及针对塑料模具钢的 切削加工性能。从中发现螺旋铣孔的切削规律，为后续关于钛合金等航空材料的 螺旋铣孔打下基础，为螺旋铣孔刀具的设计，切削条件的优化等提供理论支持。 本文通过对4 2 c r m o 塑料模具钢进行螺旋铣孔加工实验，并对其工艺过程进 行理论分析，对切削力和力矩分别进行了实验及理论的建模，阐述了螺旋铣孔过 程中的动力学原理，模型起到了很好的预测效果。并进一步对其加工孔表面进行 表面质量，包括粗糙度、圆柱度等进行分析和研究，为实践生产提供了理论基础。 第一章从当今制造业新型铣孔技术的研究现状和发展出发，提出了基于模具行 6 第一章绪论 业高效率，高新发展，铣削加工过程动力学技术研究的意义和必要性。 对螺旋铣技术加工特点进行简要阐述，对动力学的主要研究方法以及国 内外动力学研究较为系统的论述和分析。 第二章针对目前螺旋铣孔这种新型工业技术，简要介绍螺旋铣孔运动特点、适 用范围、优势，以及实验平台软硬件设备的系统搭建。 第三章对螺旋铣孔铣削力进行了实验建模和分析。利用e x c e l 中的回归分析功 能对实验数据进行回归分析，由实验数据进行拟合，得到了铣削力关于 铣削速度、螺旋转速、轴向进给的二次回归表达式。并以此表达式为基 础分析了各铣削参数对铣削力大小的影响程度。 第四章螺旋铣孔力矩的理论建模。参照m a r e t l l o t t i 著作中提到的关于端铣切削 厚度理论，对螺旋铣孑l 进行理论建模。分析在螺旋铣孔中，影响铣削力 矩的主要因素。通过建立理论模型，利用实验所测切削力的数据，利用 1 s t o p t 数学优化分析综合专业拟合软件对理论模型的压力常数进行求 解，从而得到力矩的模型。 第五章表面质量的分析与研究。本章从加工误差的产生，影响因素出发，对螺 旋铣孔的孔表面粗糙度，圆柱度进行分析研究，并进一步对圆柱度的产 生误差过大的原因进行研究调查。为以后研究，生产提供了有利的证据 和理论支持。 第六章结论和展望 7 第二章螺旋铣孔加工过程工艺特点及实验平台的搭建 第二章螺旋铣孔加工过程工艺特点及实验平台的搭建 2 1 螺旋铣孑l 加工孔工艺 孔加工是飞机制造业中的一个典型环节，孔加工效率及其加工精度在飞机制 造业中要求非常高，传统的孔加工方法很难满足航天制造业的要求，因而改进传 统孔加工方法和发明新型的孔加工方法具有重大意义。螺旋铣孔是一个全新的孔 加工方法，与传统的钻孔加工有很大的区别。其实质是一个断续铣削加工过程， 其一显著的特点就是由两种运动的合成第一主运动是主轴的高速旋转，第二主运 动是刀具中心轴绕孔中心做旋转运动的同时z 轴向下进给，下图是螺旋铣孔加工 示意图。 工俘 曩旋铣刀 孔 图2 - l 螺旋铣孔运动不慈图 从图2 1 中可以看出螺旋铣孔与传统的钻孔的区别主要有以下几个方面：1 ) 螺旋铣孔由两个运动合成来实现的；2 ) 刀具直径小于所加工孔直径；3 ) 刀具中 心的运动轨迹不再是直线。 就螺旋铣孔的机理而言，螺旋铣孔是一种与传统钻孔完全不同的加工方式。 主要表现再以下三方面： 其一，在传统的钻孔过程中，主轴中心的线速度为零，即其钻头的中心不参 与切削，而这一中心区域工件材料的去除完全是依靠钻机向下的推力将其挤出 的，因而钻孔加工时的钻头所承受的z 向力非常大，在加工钛合金等高硬度材料 时，刀具的快速磨损失效是很普遍的现象。 第二章螺旋铣孔加工过程工艺特点及实验平台的搭建 其二，传统钻孔加工过程是一个连续的切削过程，刀刃与工件始终接触，切 削时刀刃与工件接触面温度很高，钛合金的导热性又比较差，切削过程导致温度 的累积，这也将加速刀具的磨损失效导致加工表面质量下降。 其三，传统钻孔加工方式的排屑方式是导致刀具失效的原因之一，钻孔过程 中，切屑是由钻头中的狭槽中排出的，大大降低了排屑速度，切削热主要由切屑 带走的，切削热得不到及时的疏散，大量切削热留在了工件和刀具上，加速了刀 具的磨损失效，显然这种排屑方式也影响了孔的表面质量，切屑和已加工孔的表 明有直接接触，划伤加工表面，降低了孔的加工质量，一般说来传统钻孔加工质 量是无法满足飞机制造业的精度要求的，还必须由其他工序来保证孔的表面质 量，从而降低了工作效率，同时也提高了加工成本。从技术和经济的角度考虑， 传统钻孔工艺已经不适用于当前竞争日益激烈的飞机制造业。 本文将对螺旋铣孔的铣削力，力矩以及所加工孔的表面质量进行深入探讨， 研究螺旋铣孔机理，为后续的螺旋铣孔研究提供理论基础。 2 2 实验平台的搭建 为了建立螺旋铣孔力的模型建立，需要进行切削力测量，根据螺旋铣孔的特 点，搭建测试平台。 2 2 1 硬件平台设备 1 ) 机床日本m a z a k 马扎克数控加工中心，型号v c n 4 1 0 b h sv e r t i c a l m a c h i n i n gc e n t r e 机床整体结构：采用移动工作台结构。主要结构件采 用高品质的密烘( m e e h a n i t e ) 铸铁，刚性好、精度保持性强，外型 美观。如图2 2 所示，该设备有关参数具体如表2 1 所示 9 第二章螺旋铣孔i 过控i 岂特点实验f 台的镕建 罔2 2 数控机床 表2 1 机床技术参数 2 ) k i s t l e r 三向测力仪( 9 2 5 7 a 型) 是以石英晶体为力电转换元件的压 第二章螺旋铣孔加工过程工艺特点及实验平台的搭建 电传感器其静动态性能稳定性好对使用环境没有特别的要求。主要技术 参数为： 测量范围：x ，y 向：5 0 0 0 n ：z 向：1 0 0 0 0 n ： 灵敏度x y 向：75 p c n ；z 向：一3 5p c n ； 测量精度：( 00 】n ； 线性误差：进】( m a xe r r o r l 。 3 ) k i s t l e r 电荷放大器( 5 0 0 6 一l s m ) 主要技术参数为： _ ：量范围：“o p c 一5 0 0 0 0 0 p c ： 传感器灵敏度，5 个等级，在01 与1 1 0 0 0 p c m u 之间连续调整； 精确度：q 3 ( 两个最灵敏的范围) ；畦4 ( 其他) 4 ) n i 数据采集卡( 6 2 2 1 e 型) ，如图2 - 3 所示，其技术参数如下： 分辨率：1 6 - b i t ，采样率：2 5 0k s 如，1 6 路模拟输入： 每通道可设计的输入范围为：( 士1 0 ，5 ，】，i 02 v ) ： 两个3 2 位8 0 m h z 的时间间隔计数测量器。 图2 3n i 采集卡 5 ) 刀具采用的是肯纳公司的某新型整体螺旋铣刀。材质结构：基体较硬， 含少量粘结物。为非合金的w c c o 精细颗粒硬质合金材质。应用：刃 u 的耐磨性好，同时具有很强的韧性，用于加工钛台金、铸铁，奥氏体 小锈钢和非铁金属，非金属和大多数的高温合金。具有很好的抗热变形 能力和耐切深处抗磨损能力，晶体细化的材质可以减少加工中的裂纹和 剥落，使刀片寿命长而且安全可靠。 6 ) 工件工件材料为塑料模具钢4 2 c r m o 。尺寸：1 2 x 1 1 0 x 2 5 0 m m 。 第二章螺旋铣孔加工过程工艺特点及实验平台的搭建 2 2 2 软件平台设备 这套铣削力信号的采集主要是基于美国n i 公司的6 2 2 1 e 数据采集卡把测力 仪产生的电信号转化为数字信号，然后再通过计算机使用本课题组自行开发的基 于n i 公司l a b v i e w 软件的采集和分析程序进行信号的采集和处理。 ( 1 ) l a b v i e w 开发工具 l a b v i e w 与v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 、l a b w i n d o w s c v i 等编程语言不 同，后几种都是基于文本的语言，而l a b v i e w 则是使用图形化程序设计语 言g 语言，用框图代替了传统的程序代码，编程的过程即是使用图形符号表 达程序行为的过程，源代码不是文本而是框图。一个有三个主要部分组 成：框图、前面板和图标连接器。框图是程序代码的图形表示。 l a b v i e w 的框图中使用了丰富的设备和模块图标，与科学家、工程师们 习惯的大部分图标基本一致，这使得编程过程和思维过程非常的相似。多样 化的图标和丰富的色彩也给编程者带来不一样的体验和乐趣。 前面板是v i 的交互式用户界面，外观和功能都类似于传统仪器面板，用 户的输入数据通过前面板传递给框图，计算和分析结果也在前面板上以数 字、图形、表格等各种不同方式显示出来。 图标是v l 的图形符号，连接器则用来定义输入和输出，每一个v l 都有 图标和连接器。用户要做的工作就是恰当地设置参数，并连接各个子v i 。编 程一般步骤就是使用鼠标选取合适的模块、连线和设置参数的过程，与烦琐 枯燥的文本编程相比更为简单、生动和直观。 如果将虚拟仪器与传统仪器作一类比，前面板就像是仪器的操作和显示 面板，提供各种参数的设置和数据的显示，框图就像是仪器内部的印刷电路 板，是仪器的核心部分，对用户来讲是透明的，而图标和连接器可以比作电 路板上的电子元器件和集成电路，保证了仪器正常的逻辑和运算功能。 ( 2 )采集分析程序介绍 本采集系统建立了四通道数据采集，实现对多路电压信号的大样本采集 和连续存储，其主要功能基本由五个部分组成， 1 ) 波形显示面板：分别对用四个通道，瞬时显示其波形； 2 ) 通道参数：选择通道( 单通道和多通道) 、设置增益； 3 ) 时间参数：设置采样频率和读取点数； 4 ) 文件信息：设置数据保存的路径； 5 ) 过程参数：设置目标时间和所用的时间，当所用时间到设置时间时， 指示灯将变红。 第二章螺旋铣孔加工过程工艺特点及实验甲台的搭建 国2 4 采集程序前面板 数据分析系统对于原始数据可以进行前处理( 包括加宙处理，数字滤波，趋 势项去除，一次积分，二次积分) ，显示基本的统计量( 最太值、最小值、均值、 均方著、峰值等) ，同时可以进行时频域分析、幅值谱和功率谱分析。螺旋铣孔 切削力的信号就是采用此分析程序进行分析的。 23 本章小结 p 嚣嚣箸掣! 兰坠。j ! ! 兰苎一! 嚣擎怒。譬“? 筝警苫。 受? “二= = 二= 二二_ 二二二二： ! ! l ! l ! l ! 一一“ 图2 - 5 分析程序前面板 本章主要对螺旋铣孔加工特点进行了描述，并且对螺旋铣孔动力学建模的实 验搭建平台的仪器设备进行介绍。 田 第三章模具钢螺旋铣孔铣削力研究 第三章模具钢螺旋铣孔铣削力研究 在铣削加工过程动力学研究中，铣削力的分析研究有着至关重要的地位。这 不仅仅因为铣削力是整个铣削过程动力学研究的主要内容和组成部分，更重要的 是铣削力的研究是对整个加工系统的振动，工件表面加工性貌，工件和刀具变形， 刀具磨损和残余应力等一系列问题进行研究的前提和基础。作为加工过程动力学 研究的基础，目前铣削力模型已经得到了广泛而深入的研究，本文采取外形简单， 在实际加工应用中最为常见的圆柱螺旋立铣刀，针对4 2 c r m o 模具钢进行螺旋铣 孔铣削力的分析与研究。 3 1 实验材料 3 1 1 模具钢介绍 模具钢大致可分为冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢3 类，用于锻造、 冲压、切型、压铸等。由于各种模具用途不同，工作条件复杂，因此对模具用钢， 按其所制造模具的工作条件，应具有高的硬度、强度、耐磨性，足够的韧性，以 及高的淬透性、淬硬性和其他工艺性能。根据用途不同，基于工作条件复杂，因 此对模具用钢的性能要求也不同。 本文研究的是塑料模具钢4 2 c r m o ，属于铬铝合金。它的机械性如下：淬火 性好，可进行深度淬火，而不是防锯形锁的表面淬火；对回火脆性倾向少；高温 加工性好，加工后美观；熔接性好；冲击的吸收性能好，锤子砸上去会有反弹感， 无法进行暴力破坏。它的优点是加工性好；冲击的吸收性能好；焊接容易。 3 1 24 2 c r m o 材料介绍 本论文研究的4 2 c r m o ，其对应国际标准组织牌号：4 2 c r m 0 4 ，属于塑料模 具钢，塑料模具钢包括热塑性塑料模具钢和热固性塑料模具钢。塑料模具用钢要 求具有一定的强度、硬度、耐磨性、热稳定性和耐蚀性等性能。此外，还要求具 有良好的工艺性，如热处理变小、加工性能好、耐蚀性好、研磨和抛光性能好、 补焊性能好、粗糙度高、导热性好和工作条件尺寸和形状稳定等。一般情况下， 注射成形或挤压成形模具可选用热作模具钢；热固性成形和要求高耐磨、高强度 的模具可选用冷作模具钢。如表3 - l 、3 2 所示4 2 c r m o 的化学成份及力学性能： 1 4 第三章模具钢螺旋铣孔铣削力研究 表3 一l4 2 c r m o 的化学成分 表3 24 2 c r m o 的力学性能 4 2 c r m o 耐磨性： 4 2 c r m o 具有良好的韧性和机械强度，其表面有良好的淬火硬性，其表面淬 火硬度可达h r c 6 2 ，作为机械的传动轴较好，锤头选用锰钢更好一些，结实耐 用比较耐磨，表面易形成硬化层，耐久性极佳。本文所研究的硬度是3 2 h r c ， 属于探索性研究。 3 2 螺旋铣削力的实验设计和分析 3 2 1 铣削力测试原理 实验测试系统由机床、刀具、工件、k i s t l e r 测力仪、电荷放大器、n i 6 2 2 1 数 据采集卡、基于l a b v i e w 的软件测试平台和个人电脑组成的。其整体测试系统如 图3 1 所示。 切削力的理论公式的计算结果与实际测量值比较误差较大，所以目前定量的 研究切削力规律大多采用实验方法，而理论公式只是做定性的指导。下面我们就 通过实验的方法，在不同的切削条件下测试其相应的切削力值，然后用统计回归 的数学方法，找出切削力随切削条件变化的定量规律。 采取第二章介绍的实验仪器及图3 1 的测试系统平台进行螺旋铣孔铣削力的 实验，下面对实验设计安排，数据分析处理，建模进行详细介绍。 第三章模具钢螺旋铣孔铣削力研究 3 2 2 螺旋铣削实验设计 图3 1 测试系统 安排正交实验，可分为以下两个步骤： 第一步：明确实验目的，选定实验指标，挑因子、选水平。本螺旋铣孔实验 的目的在于测试在切削过程中三个方向上的力的大小，从而为后续的力矩建模奠 定基础。在此实验中，数控程序中有4 个变量，因此选定这4 个变量作为因子， 切削速度1 ，螺旋转速国，轴向进给厂，孔轴中心偏距大小d 。通过这4 个因子 来说明在加工过程中与铣削力的关系。由于编制程序费时，费力，其中螺旋轴向 进给和孔轴中心偏距对于数控程序的编制难易有相当的影响，为了节省时间和资 源，本实验采用混合水平表格，如表3 3 所示，前2 个因子各采用4 水平，后2 个因子采用2 水平。 第二步：作表头设计。本实验设计不考察交互作用的表头设计，不考察交互 作用的实验，一般采用未带交互作用列表的正交表进行设计。如上若不考察交互 作用，可采用l 1 6 ( 4 3x2 6 ) 进行设计。l 表示正交表，l 的下标代表正交表的行 数，即实验次数；括号内的底数4 和2 表示各因素的水平数，指数表示表的列数， 即最多可以安排实验的因素个数。本实验方案采用的无交互作用的正交表格设 计。将因子、缈、 d 分别确定在l 1 6 ( 3 4 ) 的列上，则得表头设计如表3 4 。 1 6 第三章模具钢螺旋铣孔铣削力研究 表3 3 因子水平表 因子 五m m i n而r p m恐m m r而衄 水平 ，切削速度国螺旋转速 轴向进给刀孔轴偏距 表3 - 4 正交实验设计 实验号 鼍恐屯x4 1 8 06 00 1 2 0 1 0 2 0 2 0 2 0 2 0 1 0 1 0 1 0 1 0 2 0 2 o 2 0 2 0 1 1 6 1 1 0g o0 14 3 2 3 实验数据分析 正交实验数据处理方法有2 种，即直观法和方差分析法，虽然直观法简便、 快速，但是由于没将偶尔误差和条件误差分开，尚存在缺陷，因此此处选择方差 分析法，方差分析就可以解决这个问题。 在数据分析中，对于成对成组数据的拟合是经常遇到的，涉及到的任务有线 1 7 2 4 l 2 o o o 0 o o 6 7 8 9的瑚m 1 2 3 4 2 4 4 2 2 4 4 2 2 4 4 2 2 4 加 鲫 加 舳 加 踟 姗 姗 姗 姗 m m m 2 3 4 5 6 7 8 9 加 u 地 墙 m 垢 第三章模具自旋n 铣削力研究 性描述，趋势预测和残差分析等等。常用的估计回归系数的方法有最小二乘法， 极大似然法，广义矩估计等。目前常用的统计软件，如e x c e l 、s p s s 、m a t l a b 等。但使用e x c e l 就完全够用了，本文就是利用e x c e l 提供的回归分析工具进行 计算。 首先通过l a b v i e w 程序读取三个方向上的力的大小，力的信号如图3 - 2 、3 - 3 、 3 - 4 所示。从原始波形可以看出x ，y 方向上的力基本相同，在0 点的上下波动， z 方向上的力在0 点以上，保持一个平稳的态势，直到切削结束。 图3 - 2x 向铙削力原始信号 图3 - 3 y 向铣削力原始信号 t 日 圈3 - 4 z 向铣削力原始信号 下面通过e x c e l 对上面数据的实验结果进行回归分析。 注：本功能需要使用e x c e l 扩展功能，如果您的e x c e l 尚未安装数据分析 第三章模具钢螺旋铣孔铣削力研究 请依次选择“工具”“加载宏”，在安装光盘支持下加载“分析数据库。加载 成功后，可以在“工具 下拉菜单中看到“数据分析 选项。 表3 5 回归系数及其相关数据分析 c o e f f i c i e n t s标准误差ts t a tp v a l u e i n t e r c e p t 一4 4 0 1 8 1 5 4 1 5 1 3 1 7 - 2 8 5 5 5 0 5 9 40 0 4 6 1 3 8 4 xv a r i a b l e17 7 6 5 2 4 5 6 1 3 5 1 83 1 6 1 4 7 0 9 4 70 0 3 4 1 3 5 8 xv a r i a b l e22 0 3 7 2 5 2 0 6 5 6 0 7 7 50 9 8 6 2 7 1 4 7 40 3 7 9 8 3 5 5 xv a r i a b l e37 4 3 7 53 1 5 7 2 8 3 2 52 3 5 5 6 6 4 4 8 10 0 7 8 0 3 1 2 xv a r i a b l e40 000 表3 - 6 实验参数及其结果列表 - _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ l _ _ l - _ - _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - - _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ - l - _ l - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ l - 一 18 0 6 0 1 1 0 8 0o 1 9 8 1 61 1 0 9 0o 11 1 2 如表3 - 4 得知只： 只， 只， 只。，可知螺旋铣孔4 个因素中，孔轴偏距对 于力的影响是最小。下面不考虑这个影响因素，考察一下其他三个因素对于力的 影响关系。加工参数及其x 方向铣削力实验值，表3 - 6 所示。再次将上表数据录 入到e x c e l 表格3 7 中。 1 9 弘 9 8 ；8 姗 鼹 虬 踮 盯 踮 l 1 2 2 2 2 1 l 1 l 2 2 2 2 仉 m m 仉 m 仉 m m m m 仉 m 仉 c ； 加 阳 加 舌； m 姗 啪