（机械制造及其自动化专业论文）轴向车铣切削力的研究.pdf

达堕望三堑堡主堂垡丝壅 一一 一一一 摘要 车铣技术是随着五轴数控机床的发展而兴起的金属先进切削技术，国内从事 车铣工艺研究的科研人员相对较少，较大的制约了车铣技术的进一步发展，致使 多数高档车铣加工中心并没有很好的发挥出它的功效。车铣加工的切削力是影响 数控机床二 艺系统强度、刚性和加工工件质量的重要因素，在自动化生产中也常 利用切削：勺来检测和监控刀具磨损、加工表面质量。本文采用单因素试验法和多 因素正交试验法相结合来研究切削参数对轴向车铣切削力的影响规律和影响程 度，主要内容有： 根据轴向车铣铣刀一齿与工件切削一次过程中切削力的基本模型，计算出切 削力模型一齿积分体积与实际一齿切削体积的误差，研究主要切削参数对体积误 差的影响规律，并通过体积误差的大小检验所建立的切削力计算模型是否正确。 通过m 触 、l a b 7 o 软件仿真一齿切削过程中瞬时切削力的变化，研究切削参数对轴 向车铣切削力以及铣刀切入角和切出角的影响规律。通过a u t o l i s p 语言仿真切屑 形态的变化来验证切削力模型建立的准确性。最后计算出每个因素对瞬时最大切 削力、平均切削力和体积误差的极差，从而确定切削参数对它们的影响程度。 以铣刀一齿瞬时切削面积建立的切削力模型，计算得到铣刀一齿实际切削体 积和切削力基本模型积分的体积之问的误差仅为3 左右，切屑形态的变化规律与 一齿切削过程中切削力的变化规律一致，从而确定切削力模型满足使用要求。对 切削力进行数值模拟，揭示了铣刀端面刃和圆周刃一齿与工件切削一次过程中切 削力的变化规律、切削参数对切削力和切削时间的影响规律、以及切削参数对切 削力和体积误差的影响程度。 关键词：轴向车铣；切削力；正交试验；仿真 a b s t r a c t t 啪1 n n h n gt e c h n o l o g yi sa na d v a n c e dm c t a l 础i n gt e d m o l o g y 砌c h d e v e l o p s q u i d d yw i 廿1t h ed e v e l o p m e n to f f i v e a ) 【i sc n cm a c h i n et 0 0 1 s d o m e s t i cr e s e 盯c h e r s w h or e s e a r c ho nd i r e c t i o no ft u m m i l l i n gt e d m 0 1 0 9 ya r er e l a t i v e l yr a r em a t c o n s 拓a i n t s 恤鼬e rd e v e l o p m e n to ft u n l m m i n gt e c h n o l o g y ，趾dm i l l i n gc e n t e r sd o e s n tp l a ya g o o dr o l eo ni t se 腩c t c 砌n gf o r c ei sa l li 唧o r r t 舭tf a c t o rg e n e r a t e db yt u n l m i l l i n g p r o c e s sm a ta 虢c t sm es t r e n 舭，s t i 甑e s so ft e c h n o l o g ys y s t 锄趾dw o r k - p i e c e 舳c e q u a l 以i ti so r e nu s e df o rd e t e c t i n ga n dm o n i t o r i n gc u t t i n gt 0 0 1 w e a ra n ds u 而c e q u a l i t yi n 恤a u t o m a t e dp r o d u c t i o n b o t l ls i n 百e - f a c t o r 觚d 舢l t i f a c t o ro n h o g o n a l t e s t m 甜l o da r ea d o p t e dt or e v e a lm l e sa i l dd e 伊e em a tc u t t i n gp a r 锄e t e r si m p a c to nc 毗n g f o r c ei n 们1 i sp a p 既t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf 0 1 1 0 w s ： 1 1 1 ev o l u m ee n d rb e 艄e e nc u t t i n gm o d e la i l da c t u a lc u t t i n gi sc a l c u l a t c do nm e b a s i so ft l e 吼i t t i n gf o r c em o d e lb ya x i a lt 1 1 m - m i l l i n gi nt h ec u t t i n gp r o c e s sb yp e rt e e t h t oc h e c kt h a tm ec u t t i n gf o r c em o d e li sc o r r e c to rr l o t i n s t a n t a n e o u sc u t t i n gf o r c e d l a n g c s ；玳s i m u l a t e db ym a t l a b 7 os o f h v a r ei nt h ec u t t i n gp r o c e s sb yp e rt e e mt o s t l l d y 也ei n f l u e n c eo fc u t t i n gp a r a m e t e r so nc u t t i n gf o r c e ，m ee m a n c e a i l de x i ta 芏l 百eo f m i l l i n g “) 0 1 c l l i ps h a p ec h a n g e sa r es i m u l a t e db ya u t o l i s pt oc h e c kt 1 1 ea c c u r a c yo f c l l t t i n g 氨) r c em o d e l i n g t h er a n g eo fm em a x i m 眦c u t t i n gf o r c e ，m ea v e r a g ec u t t i n g f o r c ea n i 王v 0 1 u i n ee r m r sa r ec a l c u l a t e dt oc o n 矗mm ei n f l u e n c ee x t e n to fc l l t t i n g p 踟e t e 陷o n t h e r l l t h ev o l u l 1 1 ee r r o rb e t w e e nc u t t i n gm o d e la i l da c t u a lc u t t i n gi so n l ya b o u t3 b y b e i n gc a 】c u l a t e do nt h eb a s i so fm ec u t t i n gf o r c em o d e l ，a r l dc h i ps h 印ec h a n g e sa r e c o n s i s t e n tw i t hm er u l e so fc u t t i n gf o r c ec h a n g e sw i t ht h ec u t t i n gp a 珊m e t e r sc h a i l g e s b yp e rt o e t l l s oc u t t i n gf o r c em o d e lc 趾b eu s e df o rc a l c u 【l a t i n gv a l u ew en e e dt os t u d y 础i n g 矗) r c e t h ec u t t i n gf o r c ei ss i i n u l a t e d ，r e v e a l i n gt l l em l e s0 ft l l ei n s t a n t a l l e o u s 吼l 钍i n gr r c ec h a n g e s i nt h ec u t t i n gp r o c e s sb yp e rt e e mo ne n dc u t t i i 玛e d g ea i l dc i r c u l a r c u t t i n ge l 王g e ，m ei n n u e n c em l e so fc u t t i n gp a r 锄e t e r so nc u t t i n gf o r c ea i l dc u t t i n gt i m e ， m ei n n u e n c ee x t e n to fc u t t i n gp a r 锄e t e r so nc u t t i n gf o r c ea n dv 0 1 u m ee r r o r k e yw o r l ：l s ：a x i a lt u m - m i l l i n g ；c u t t i n gf o r c e ；o r t h o g o n a lt e s t ；s i m u l a t i o n 沈阳理工大学硕士学位论文 口p ，泌( 伊) 口j 口，嬲( 缈) ( 伊) k 缈l 、仍 妒2 仍。、欢。、缈麒、 优 z 口p 沙 r ， d ，z w h ，l f y c 、f 兄 符号说明 圆周刃切削深度 端面刃切削深度 圆周刃切削深度 端面刃切削厚度 铣刀转角 铣刀圆周刃的切入角和切出角 铣刀端面刃的切出角 计算轴向车铣的辅助角 铣刀每转一齿工件的转角 铣刀齿数 切削深度 铣刀切向进给的升角 工件半径 铣刀半径 铣刀直径 工件转速 工件角速度 铣刀转速 切削速度 铣刀的轴向进给速度 铣刀与工件的转速比 沈阳理工大学硕士学位论文 被加工工件截面的边数 铣刀围绕工件形成完整封闭曲线的最小圈数 轴向进给量 径向进给量 铣刀每齿进给量 单位切削力( m 聊2 ) 切削力修正系数 瞬时切削合力 瞬时切削合力最大值 端面刃瞬时切削力 端面刃瞬时最大切削力 圆周刃瞬时切削力 圆周刃瞬时最大切削力 铣刀一齿与工件切削一次的平均切削力 铣刀一齿与工件切削一次的平均切削功率 铣刀旋转一周的平均切削力 切削体积 每齿切削体积 单位时间内切削体积 端面刃切削体积 圆周刃切削体积 切削模型与实际切削体积误差 。 以 ， 厶 荆 k 啪 k 驰 k 巳 匕 矿 砭 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 加工效率与加工精度是金属加工领域追求的目标。随着数控加工、计算机技 术、机床技术以及加工工艺技术的不断发展，传统的加工理念已不能满足人们对 加工效率：和精度的要求，在这样的情况下，车铣加工技术应运而生。车铣加工具 有加工精度高、加工效率高、切削平稳、间断切削、刀具寿命长等优点，可以解 决单独用车削或铣削难以实现的加工难题，从而使车铣加工技术成为先进制造技 术领域中的重要研究方向。车铣加工运动复杂，影响切肖i j 力的切削参数较多，而 且这些参数对切削力的影响又相互关联，因此对于车铣加工工艺的设置很困难， 国内有些单位，由于不懂车铣技术加工工艺，公司的车铣加工中心没有充分发挥 车铣的功能。目前一些表面形状复杂、尺寸较大的零件，如螺杆、螺旋桨、叶轮、 大型曲轴、大型棍子、发电机转子、特种车桥等，在汽车、船舶及航空航天制造 业的发展中得到了广泛的应用。对于大型精密回转体和薄壁件等零件的加工，可 以采用高速车铣加工方法，此加工方法可以实现“一次性完成的加工”。车铣加工 在大型叵f 转体的高速切削及弱刚度回转体的精加工中有其独特的优势【1 2 1 ，不但提 高了生产效率而且在加工精度和表面质量等方面都超过了传统的机械加工，是一 种高金属去除率的整体制造技术。高速车铣加工是世界公认为最具有技术带动性、 高技术覆盖面广的关键先进制造技术，具有广阔的发展和应用前景，是机械制造 领域的重要发展方向。 车铣加工技术因其具有很多突出的优点，所以在国外得到了迅速应用。国内 沈阳理工大学的姜增辉、贾春德、王德俊等人于1 9 9 8 年研究了轴向车铣加工的运 动学建模及理论表面粗糙度分析【3 】，建立了轴向车铣运动学方程和理论粗糙度的数 学模型。2 0 0 2 年姜增辉教授研究了轴向车铣内孔理论表面粗糙度，给出了轴向车 铣内孔理论粗糙度的数学模型，并分析了切削参数对粗糙度的影响【4 】。石莉、姜增 沈阳理工大学硕士学位论文 辉于2 0 0 3 年研究了切削用量对轴向车铣铸铝外圆表面粗糙度的影响，通过实验证 明了轴向车铣理论粗糙度数学模型是准确的，并分析了切削用量对粗糙度值的影 响规律【s 】o2 0 0 9 年姜增辉、梁伟、杨大卫等人对轴向车铣薄壁件【6 】和细长杆【7 1 的动 力学进行了研究，指出了合理选择铣刀转速和齿数，可使切削频率避开共振区间， 有利于得到更好的表面质量。目前完整的车铣加工切削力的研究文献还很少，无 法充分发挥车铣加工技术的优越性。姜增辉教授在车铣原型8 】这本专著中对车铣的 两种加工方式的切削力给出了理论的数学模型，但是没有对切削参数对切削力的 影响规律进行深入的研究。吉林大学的马岩利用球头铣刀对非对称工件建立了切 削力模型【9 1 ，通过切削力的分析和计算，研究了切削参数对切削力的影响规律。 在车铣加工过程中由于存在切削力，容易产生让刀现象，导致了零件的实际 加工表面质量和加工精度与理论值之间存在较大的偏：差。生产实践人员通常选用 比较保守的切削用量和多次精加工的方法，保证了零件表面的加工精度和表面质 量，但是这样使加工效率下降很多。为了从根本上解决这一问题，我们很有必要 通过建立准确的切削力模型，通过仿真切削加工过程中产生的切削力和物理现象， 揭示工件和刀具的变形规律，并对原始数控刀具轨迹进行误差补偿f 1 0 】，最终达到 改善工件加工精度和提高加工效率的目的。切削力的变化在切削加工中也会引起 刀具的磨损、破损现象，从而进一步导致加工质量和加工精度的下降。切削厚度、 切削振动无规律的变化使得c n c 车铣中心的研制、车铣加工工艺的制定及车铣技 术的应用发展一直是车铣技术研究的难点。 1 1 2 研究意义 尽管车铣加工技术具有巨大的优势，但是目前在制造领域尚未得到充分地发 挥，适用于的车铣加工结构件的工艺仍处于探索阶段，为了使车铣技术得到充分 的发展，提高产品的加工精度和效率，需要全面的解决一些关键基础问题，在这 些问题当中切削力的研究显得尤为重要。 切削加工切削力【1 1 】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，同时切削力还会直接影响切削热的产生，加快刀具的磨损、破损、降低刀 具的耐用度等，并对加工精度和加工质量造成一定的影响，是切削过程中重要的 物理参数之一。加工过程中产生的切削力还是计算切削功率，设计机床、刀具、 夹具和工艺系统不可缺少的依据。因此，研究切削条件下切削力的变化规律，对 第1 章绪论 于揭示切削过程中的切屑变形机理、改善工件的表面质量、提高刀具使用寿命和 合理选择切削参数具有重要的理论意义和应用指导价值。 现代机械制造业对加工过程中的切削力建模与仿真愈加重视。仿真的目的就 是研究切削参数在切削加工过程中对工件和刀具产生的切削力、振动、以及加工 精度等的影响。切削力的研究一直是加工研究领域中的热点课题，它包含着丰富 的切削状态信息，通过切削力可以推知刀具变形、破损、能量消耗等情况。同时 它又是振动仿真、加工表面形貌评估等其它内容的基础。合理建立轴向车铣切削 力预测模型可以对薄壁复杂的结构零件的加工变形进行一定的控制。 1 2 车铣技术的概述 1 2 1 车铣技术的特点 车铣技术是铣刀旋转和工件旋转的合成运动来完成对工件的切削加工，使工 件能够在形位精度、表面粗糙度及残余应力等方面达到规定要求的一种先进切削 加工方法。它不是车削和铣削的简单结合，而是在当今数控加工技术得到较快发 展的前提下产生的一种先进切削加工技术。车铣加工的基本运动主要包括铣刀旋 转、工件旋转、铣刀轴向进给和径向进给运动。铣刀的旋转运动是主运动。进给 运动是由铣刀的轴向、径向运动、以及工件的旋转运动来提供。 车铣技术的优点包括如下几方面【8 】： ( 1 ) 切削加工过程中的切削力比传统切削加工产生的切削力下降3 0 。由于切 削力的使得引起工件变形的径向力有明显的下降，这就使得薄壁件和细长杆加工 的形状精度得到提高； ( 2 ) 车铣加工的切削速度是由刀具和工件的回转速度合成，所以工件不需要高 速旋转也能实现高速切削，这样将有利于对大型回转体工件进行高速切削加工， 尤其是对大型锻件的毛坯，工件的超低转速可以消除由于工件偏心而引起的振动 或径向切削力的高频周期变化。 ( 4 ) 车铣加工属于多刃间断切削可以有效提高切削加工效率，使切削平稳，并 且能得到较短的切屑，有利于自动排屑，可以提高刀具的使用寿命。 ( 5 ) 如采用c n c 车铣中心，需用车、铣、钻、镗等不同方法进行加工的工件 能在一次装夹中完成，不需要更换机床，大大缩短了生产时间，防止了重复装夹 沈阳理工大学硕士学位论文 二_ 二二= 二= = _ 二一 带来的误差。 车铣加工由以上的几个优点可知， 体的毛坯件的粗加工，如发电机转予、 壁回转体等。 1 2 2 车铣技术的加工方式 车铣技术特别适用于大型难加工材料回转 大型轧辊、大型曲轴和细长炮管、航空薄 车铣技术有三种主要的切削加工方法，如下图1 1 所示。 车铣 颇铣逆铣 箩箩 轴向车铣 外圊 轴向车铣 蓟 够 内孔 正交车铣 攘凛 外圆 基 疹 切向车镜 猡 外圃 图1 1 车铣的三种切削加工方法 ( 1 ) 轴向车铣是铣刀回转轴线与工件回转轴线相互平行，依靠铣刀旋转运动和 工件旋转运动的合成运动来实现零件表面加工的一种先进金属切削加工方法。一 个典型的轴向车铣加工过程包括以下几个基本运动：铣刀的旋转运动、工件的旋 转运动和铣刀轴向进给或径向进给运动，有时加工锥体或锥孔类零件也同时采用 轴向和径向进给运动。轴向车铣最大加工优点是可以对内孔进行加工，但是有时 在加工长轴类零件时铣刀的轴向行程会受到限制。 ( 2 ) 正交车铣是铣刀回转轴线与工件的回转轴线相互垂直，它是加工大型回转 体和长轴类零件的一种高效切削方法。一个典型的正交车铣加工过程包括铣刀的 铣刀的旋转运动、工件的旋转运动和轴向进给运动。因为正交车铣加工的轴向行 程不受限制，所以适合长轴类零件的加工。 一 篁! 童堑堡 一 一_-_l_-_-_-_-_-一 ( 3 ) 切向车铣是铣刀回转轴线和工件回转轴线相互垂直，依靠铣刀旋转运动和 工件旋转运动的合成运动来实现零件表面加工的一种先进金属切削加工方法。切 向车铣不同与轴向和正交车铣加工特点是：只有圆周刃参与切削，端面刃不参与 切削，加工的表面质量要较好于轴向车铣和正交车铣。一个典型的切向车铣加工 过程包括如下几个基本运动：铣刀的旋转运动、工件的旋转运动和铣刀的直线进 给运动( 包括轴向进给和径向进给) 。切向车铣加工对象为大型回转体和长轴类零 件，而且适合加工轴向进给量较大的螺旋曲面，如大型曲轴、螺杆等。 1 3 切削力研究的发展现状 1 3 1 切削力的来源 刀具在切削工件时，存在切屑与工件内部弹、塑性变形的抗力；切屑与工件 对刀具产生的摩擦阻力；两者作用在刀具上的合力为，。合力，作用在切削刃工 作空间某方向，如图1 2 所示，由于大小方向都不易确定，因此为了便于测量、计 算和反映实际作用的需要，可将合力f 分解为三个分力： 进给抗力f 一在进给运动方向上的分力。 切源；抗力只一在垂直与假定工作平面上的分力； 主切削力f 一在主运动方向上的分力； 图1 2 切削合力及其分力 f = 瓯：噩i 了墨 e = 凡c o s 后，；t = 日s i n 七， 由式( 1 1 ) 表明，主偏角大小影响个分力间的比例。 一 沈阳理工大学硕士学位论文 二二二二_ = ：= 二二一 其中切削力只作用在工件上，并通过卡盘传递到机床主轴箱。它是设计机床 主轴、齿轮和计算主运动功率的主要依据，也是用于选用刀杆、刀片尺寸、设计 夹具和选择切削用量的重要参数。c 是影响加工精度，引起切削振动的主要原因， 但不消耗功率。t 作用在机床进给机构上，是计算和检验进给机构薄弱环节零 件强度的主要依据。b 所消耗的功率是总功率的1 5 。 1 3 2 国外发展现状 国外对切削力的建模和预报研究工作经久不衰，：限多复杂零件的制造过程往 往需先进行切削力的预报，最后确定合理的切削参数和加工工序。1 9 4 5 年，美国 者麦钱特( m e r c h a l l t ) 【1 2 】提出了塑性金属切削过程是剪切过程的力学模型，推导了切 削力与切削参数的关系式，并用最小功原理，求出了剪切角的理论公式。k a p o o r 等长期从事切削力的建模和预报工作 1 3 _ 1 5 】，其研究主要采用经验和解析相结合的 方法，其特点是针对切削过程的各种影响因素预先以求单位切削力或切削力系数 作为主要研究目标，根据经验模型统计、建模、得出结果。这需要大量的实验数 据才行。s j a v a u r 锄等【1 6 】人提出了一种估算单位切削力的新方法，其思路就是从实 际加工中收集切削力数据，根据这些数据通过f o 嘶e r 变换来估算单位切削力的大 小。采用的方法是建立切向、径向切削力模型，用m u l t i p l ei n s e nm e h o t d 来标定和 k ，和k ，从而估算出单位切削力的大小。应用1 ) x l e y s 【1 7 】切削预报理论或 m e c h 锄t s 切削理论研究切削力，主要以解析法力学方法和实验法为主，经过对切 削过程模型的简化，考虑主要影响因素，大致确定切削力的变化规律。x p “1 8 】 基于o x l e y s 的切削预报理论和神经网络研究了一般铣削过程集成加工模拟系统， 该集成模型综合利用了解析计算和神经网络单元。y a l l g 等【1 9 】运用二维坐标系的概 念对球头铣刀进行了研究，将切削刃离散成微小单元，作用于刀具上的总铣削力 则等于对所有参与切削的微元切削刃的切削力求和。针对斜角切削过程中切削方 向与切屑流动方向所构成平面内的有效前角、有效进给量、有效切深等参数，建 立了每一微元切削刃的铣削力模型。l e e 和a l t i n t a s 【2 0 】的研究采用了球面螺旋线刃 线几何模型，并在微切削刃上采用斜角切削模型，他们在研究中考虑了作用于刀 刃上的耕犁力，并将切削力沿切削刃分解为微元切削力。但是他们的实验结果仅 箜! 童笪笙一 一_一 与一个刀齿的铣刀相符，且模型忽略了后刀面上的作用力。g y u m a l l 硒n 等【2 l 】针对 球头铣刀提出了一个用切削力图来预测平均切削力的方法。用与铣刀轴垂直的一 系列格子面来表示铣刀的接触半球面，每一格子上的单元切削力可用切削力经验 参数计算，刀具任一位置的平均切削力为切削力图上所有参与切削的单元切削力 的总和。该方法通过斜角切削进行校验时，试验结果显示平均切削力的计算比较 准确、快速，但该方法仅仅针对标准零件的生产。 1 3 3 国内发展现状 目前，人们已经积累了大量的切削力的实验数据，对于一般加工方法，如车削、 孔加工和铣削等已经建立起了可直接利用的经验公式。常用的经验公式可分为两 类：一类是指数公式，在特定的刀具参数下针对不同加工材料、刀具材料和加工 形式，由大量的实验结果处理而来的。一类是按单位切削力进行计算的公式，实 验结果表明，对于不同的材料，单位切削力不同，即使是同一材料，如果切削用 量、刀具几何参数不同，单位切削力也不同。因此，在利用单位切削力计算主切 削力时，如果切削条件与实验条件不同，必须引入修正系数加以修正。 国内学者对于切削力的研究主要集中在单位切削力的铣削力模型、基于切削 机理和材料本构关系的物理模型的有限元分析【2 2 五3 】、多元回归2 4 1 的经验模型、人 工神经网络 2 5 - 2 6 1 、模糊灰色理论鲫等预测模型。文东辉、刘献礼【2 8 】在0 x l e v 的切 屑形成模型基础上，根据切削力预报反问题的原理及其求解，建立了一种更为精 确的切削力预报算法。浙江大学的王立涛等人对薄壁铝合金零件加工的特定力学 模型进行了探讨，为研究航空铝合金7 0 5 0 t 7 4 5 1 的加工变形建立了铣削力模型2 9 1 ， 采用多因素回归正交实验法进行铣削实验，在给出四因素、四水平实验模型中常 系数和指数数学推导公式的基础上，建立了铝合金材料7 0 5 0 t 7 4 5 1 的铣削力模型， 为进一步研究航空铝合金数控加工变形提供了可靠的边界条件。清华大学方刚、 曾攀对金属正交切削工艺的有限元模拟进行了研究【3 0 】，针对典型的正交切削工艺， 建立了平面应变模型，工件采用了弹塑性材料模型，而刀具采用的是考虑温度变 化的刚性材料模型。利用商业化软件d e f o r m 2 d ，对所建立的模型进行了有限 元分析，得到了切屑成形、温度分布、切削力变化以及残余应力等结果。 沈阳理工大学硕士学位论文 一一 1 4 本文的主要内容 本课题的来源辽宁省自然科学基金项目：轴向车铣切削力的研究。本文研究了 轴向车铣铣刀一齿与工件切削一次过程中端面刃和圆周刃瞬时切削力的变化规 律，并采用单因素法多因素正交试验法相结合来揭示切削参数对切削力的影响规 律和影响程度。主要内容如下： ( 1 ) 根据轴向车铣切削力切削过程中切削力的理论模型，计算出切削力模型一齿切 削体积与实际一齿切削体积的误差，研究主要切削参数对体积误差的影响规 律，并通过体积误差的大小检验所建立的切削力计算模型是否正确。 ( 2 ) 在m a t l a b 7 0 软件中完成一齿切削力基本模型的编程与仿真，选取一定的切 肖4 参数后计算出轴向车铣一齿切削过程中端面刃与圆周刃切入角和切出角、最 大切削力、平均切削力和平均切削功率以及切削力模型体积误差，并作出一齿 切削过程中瞬时切削力变化的曲线，研究其变化规律。 ( 3 ) 采用单因素试验法得到切削参数( 铣刀转速、工件转速、切削深度、轴向进给 量、铣刀齿数) 对轴向车铣切削力和切屑形态的影响规律，并通过切屑形态的 变化来验证切削力模型建立的准确性。 ( 4 ) 采用多因素正交试验法计算出每个因素对一齿切削过程瞬时最大切削力、平均 切削力和体积误差的极差，从而确定切削参数对它们的影响规律和影响程度。 ( 5 ) 总结全文并提出今后轴向车铣切削力研究的方向。 箜! 童塑堂! 垄壅堕互鲨竺堡堕 一 一一一 第2 章切削力建模方法的综述 切削过程是一个多因素的过程。刀具的材料、刀具的几何形状、被加工材料 的力学性能、切削液的性能和它们在切削过程中的作用条件、切削过程的温度、 以及整个切削系统的动态和静态特性等都会直接或间接地影响过程的结果。因此 要对切削过程出现的各种现象进行全面的分析，或者要建立一个能概括一切切削 过程的通式来预测不同切削条件下的切削结果。然而要建立一个包容所以因素的 切削过程通式显然是十分困难的，在分析实际问题时，往往需要提出一些不致于 过分地降低分析精度的假设条件，尽可能地剔除那些对分析的特定过程影响不大 的因素，然后根据简化了的条件来建立所分析问题的数学一力学模型。 近年来，国内外学者就如何建立准确的切削力预报模型给予了极大关注。现 有的切削力建模途径和方法主要有以下几种：基于实验数据的经验模型；基于切 削机理和材料本构关系的物理模型；基于力学解析法的几何模型；以及基于人工 智能的神经网络模型等，下面主要介绍几种切削力的建模方法。 2 1 力! 学解析法建模 2 1 1 二二维切削模型 二维正交切削模型如图2 1 所示。 嶷麴甥醒刃舞“蜘壤弊黉 图2 1 正交切削力模型 其中口为刀具前角，为摩擦角，e 为主切削力，f 为摩擦力，只为剪切力， 一 沈阳理工大学硕士学位论文 二二二一 r 为切削合力，矽为剪切角，e 为推向切削力，c 为法向力，为正压力。根据 主切削力e 和推向切削力e 与主剪切区的剪力只或刀具切屑界面的摩擦力，之 间的合成关系，通过分析主剪切区的材料屈服流动特性或第二变形区刀屑界面的 摩擦行为，即可建立正交切削力的解析预报模型。 麦尔钱特根据剪切面应在单位切削体积的能量消耗为最小的方向发生最小能 量理论这一原理，设剪切面上的剪应力f ，为常数，而进行、口关系式的推导。 切削功率可知道已= e y ，而单位切削功率为： 只：墨：生( 2 1 ) w z c 以wa c 口” t = 和s ( ) = 嚣篡端 ( 2 2 ) 只= 翥器瓮万 陋3 ， s l n 矿c o s 【缈+ 一口j 为求单位切削功为最小时，将只对痧求导得出c o s ( 2 痧+ 一口) = o 即麦尔钱特第一方程式： 2 + 一口= 鲁 ( 2 4 ) 以切屑形成为研究切入点，通过对切屑形成过程的建模与仿真，分析切削过 程中产生的应力、应变、摩擦力及切削力的规律，以c x l e y s 切削预报理论和 m e r c h 距t ，s 切削理论为基础，应用剪切滑移理论，以刀屑区、剪切区为研究对象， 仅考虑影响切削性能的主要因素，确定以计算剪切角为主的力学模型。根据高速 切削加工理论，由图可得出剪切角的计算式： 趾妒2 葡 ( 2 _ 5 ) 其中善：变形系数 理论总切削力： 尺：竺盖k ! 尘j 墅! 兰! 竺塑坚型兰乒粤( c 。s 口+ s i n 口) + f ( 2 6 ) c o s ( 矽一口) 一s i n ( 矽一口) 其中= t a l l ；l ：切削动量变化所需的作用力( 当切削速度小于1 5 0 0 m m i n 时，可忽略不计) 。 研究表明，在高速切削条件下，各参数( 、口) 间的关系可用m e r c h a l l t s 箜三皇塑堂! 垄堡堕銮鎏塑堡鲨 一一 剪切角公式进行估算，由此得出高速切削时，随着切削速度的提高，摩擦系数p 增 大，剪切角增大，切削变形减小从而导致切削力降低。 2 1 2 三维切削模型 为了研究方便，可将切削合力f 分解为三个互相垂直的分力。切削力c 消耗 机床的功率最多，称为主切削力。切向切削力t 为铣削合力f 在铣刀刀齿切向上 的分力。轴向切削力e 铣削合力f 在铣刀轴向的分力。图2 2 为平头铣刀的几何 模型和单元受力情况。 图2 2 平头立铣刀的几何模型和单兀受力情况 研究力铣刀上的铣削力主要是将铣刀沿其轴线方向划分成很薄的微单元，每 个微元单元可以认为是一个单刃刀具的斜角切削过程，然后运用不同的理论和方 法对微单元上的切削力进行建模【3 l 】。最后沿刀具的轴向对微单元上的切削力进行 积分得到总切削力。 每个单元切削力的大小和方向都随着刀齿的切入和切出不断的变化，每个刀 齿上切削合力为单元切削力的矢量之和。以下为平头铣刀切削力的解析模型，微 单元上切削力为： ( 矽，z ) = k 坤j l l ，( z ) 她 峨( 矽，z ) k 把j i z ，( z ) 眦 峨( 矽，z ) = k 。一( z ) 眦 ( 2 7 ) 沈阳理工大学硕士学位论文 - 二_ 二= 二：= 二一 喝( ，z ) 、蜗( 矽，z ) 、喝( 痧，z ) 分别表示微单元切削刃上的径向切削力、切向切削 力和轴向切削力。k 、k 、k 。别表示径向、切向和轴向上的剪切力系数。五，( z ) ) 为切削厚度。 球头铣刀是在立铣刀的基础上发展起来的，主要用于加工模具型腔表面及其 它成形表面。球头铣刀有效切削的刀刃角范围较大，可广泛用于各种曲面、圆弧 沟槽加工。球头铣刀复杂的加工特性和广阔的应用前景，要求对其铣削加工过程 进行全面而深入的研究。图2 3 为球头立铣刀的几何模型和单元受力情况。 图2 3 球头立铣刀的几何模型和单兀受力情况 球头铣刀切削力建模的基本方法是将铣刀沿着轴向等间距的分成若干个切削 微元，每一个微元相当于一个斜角切削，所以作用在：7 丁刃微段上的空间切削力可 以分解成微切向切削力d 凡、微轴向切削力d 而和微径向切削力d 丹。刀具所受到的 切削力合力为端面刃和圆周刃微切削单元的受力之合。切削力建模方法采用l e e 和a l t i n t a s 提出的斜角切削的切削微单元受力： d f ( 口，z ) = 砭凼+ 量，c 乙( 矽，i 吵，r ) 如 犯( 口，z ) ；足伦出+ k 把f 。( 臼，y ，r ) 沈 d c ( 秒，z ) = k 口。凼+ k 。f 。( 乡，茁) d 6 ( 2 8 ) 其中征( 口，z ) 、鸩( 1 9 l ，z ) 、识( 秒，z ) 分别表示为微单元切削刃上的径向切削力、 切向切削力和轴向切肖b 力，k 、r 、疋。分别表示径向、切向和轴向上的耕犁力 笙! 童塑堂! 查堡竖立鲨塑堡堕 一_ _ _ _ _ 一一 系数。k k 把、k 。分别表示三个方向上的剪切力系数。如切削宽度，乙( 臼，缈，r ) 为瞬时切削刃法向的切削厚度。 2 2 基二f 有限元法的切削力建模 国内对切削力的仿真多集中在有限元数值模拟，它对切削的研究主要集中在 正交切削和斜角切削，而切削的数值模拟主要集中在正交切削过程中的塑性变形、 切屑与1 ：件的分离和断裂、切屑与刀具面间的接触和摩擦、切削温度场与切削力 的耦合、切削过程中工件表层质量的模拟。有限元仿真技术在金属切削过程中的 研究尚处于发展阶段，人们大多只研究切削过程中的稳定阶段，对刀具切入切出 部分的研究还不多，利用有限元法仿真对切削过程分析与优化的研究也不是很多。 应用有限元方法对切削过程进行建模与仿真已有近三十年的历史。与其它方 法相比，作为分析应用工具，大大提高了分析精度。金属切削过程中既有弹性变 形，又有塑性变形，还有复杂的摩擦条件和很高的切削温度，对材料变形机理的 研究，有限元法有很大的优势。19 7 3 年美国1 1 l i n o i s 大学的b e kl a m e c k i 【3 2 】是最早 用有限元法对金属加工过程中切屑形成的原理进行研究的。1 9 8 4 年，1 w a t a 等利用 刚塑性模型，模拟了切屑厚度、切屑卷曲的形状以及工件的内应力、应变的分布 情况，并通过切削实验较好的验证了仿真结果。近年来，美国o h i o 州立大学净成 形制造工程研究中心的t a l t a l l 教授通过正交切削模型，研究了刀刃的几何形状 对切削力、切削温度、切屑形状、以及应力的影响。之前对切削力的有限元研究 只建立在二维切削模型中，还不能对切削过程产生的种种现象进行更清晰的解释， 所以开始有学者对三维有限元模型进行研究。日本的s a s a h a r a 和0 b i k a w 3 4 】等人， 在考虑了工件材料的几何非线性条件下，建立了金属切削的三维有限元模型，研 究了切屑和工件中应力和应变的变化情况，并且预测了切屑的流出方向。 有限元仿真金属切削过程中，在处理切屑与基体分离的问题时，目前研究人 员对采用何种标准更合适没有达成一致意见。几何标准模型很简单，但它又不是 基于切屑分离的物理条件。研究人员很难找到一种临界值标准，来适应切削加工 中不同材料以及不同加工工艺。采用物理标准更接近实际情况，但在实际的有限 元模拟中发现，当刀尖达到分离的节点时，该点的物理计算数值并没有达到给定 的物理标准，所以该点并没有实现分离，所以切屑的这几种分离准还需要进一步 鎏塑堡三奎堂堡主堂篁笙壅 研究。 2 3 实验经验切削力建模方法 2 3 1 基于单位切削力的切削力模型 切削力的大小与单位切削力、切削面积有着直接而密切的关系，以单位切削 力为研究着手点，研究切削力的变化规律是一种新型有效的建模方法。s j a v a r a m 【1 6 】 等提出了一种估算铣削过程中单位切削力的新方法。根据实际加工测得的切削力 数据，建立了切向和径向切削力模型，通过傅里叶变换估算单位切削力的大小， 从而计算出切削力。w o ns 0 0 y u n 等【3 5 】研究了一种通用的加工系统仿真程序，即在 不考虑切削条件的情况下，根据切削力的经验公式，使程序能够用瞬时切削力和 切削厚度来确定切削力系数，从而计算切削力的大小。这种方法改变了过去用大 量的实验确定切削力系数的方法，又不受实验加工条件的限制。总之，大量研究 表明，用单位切削力求解切削力是一种切实可行的研究方法。 2 3 2 基于多元回归分析的切削力模型 为了精确地反映和预测切削用量对切削力影响程度的大小和数学关系，必须 寻找出一种数学方法来解决这个问题。多元线性回归方法正是处理变量之间相互 关系的一种数理统计方法【3 6 1 。多元回归分析包含如下内容：通过对实验数据的分 析，找出这些变量间的关系；对得到的关系式的可信度进行检验；判断影响实验 结果的因素中，哪些是影响显著的，哪些是不显著的，哪些是从影响因素中可以 剔除的；利用得到的关系式对高速车铣生产过程中的切削力进行预测，以寻找切 削参数对切削力影响的统计规律，实现在切削加工前，进行工艺设计、切削力预 测和控制的目的。 如在轴向车铣加工中，主要切削参数有四个：铣刀的转速n p ，工件的转速n 。， 轴向进给量疋和切肖i j 深度口。为了减少试验次数，提高各试验点数据的信息量， 增强预测模型的准确性，采用多因素正交回归试验的方法，设计了1 6 组实验。在机 床特征和刀具几何参数确定的前提下，根据金属切削原理，切削力与切削参数之 间存在复杂的指数关系，应用正交回归试验建立切削力与切削参数之间的通用形 式为： 一一笙! 主塑堂! 垄堡堕查鎏塑箜垄 一一一 _ - _ ，- _ - 一_ _ _ - _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ 一一 e = g 咒，6 行w 6 2 六6 3 以p 6 4 ( 2 9 ) 式中e 为广义切削力；c p 为决定于加工材料、切削条件的系数：刀，为铣刀转 速( r m i i 】) ；n 。为工件转速( r m i n ) ；六为轴向进给量( m 聊r ) ：口p 为切削深度 ( 聊优) ；岛、6 ：、6 3 、钆分别为指数。 两边同时取对数得： 1 9 e = 1 9c f 她l g 聆f + 6 2l g 咒w + 6 3l g 无+ 6 4l ga p o ) 令y = l g e ，x 1 = 1 9 咒f ，x 2 = 1 9 九w ，x 3 = 1 9 无，x 4 = 1 9 口刀，= 1 9c ，可得： y = + 翻+ 6 2 吻+ 么屯+ 良硝 少l = 风+ 届x 11 + 履x 1 2 + 屈x 1 3 + 屈x 1 4 + 占1 少2 = 屁+ 层x 2 l + 及z 2 2 + 屈x 2 3 + 屈x 2 4 + 占2 y 3 = 鼠+ 屈x 3 l + 及屯2 + 屈x 3 3 + 屈4 + 9 3 ( 2 1 1 ) y 1 6 = 风+ 屈x 1 6 l + 殷x 1 6 2 + 屈x 1 6 3 + 屈x 1 6 4 + 占1 6 其中q 为试验随机误差，用矩阵表示为： 1 = x 8 七 ( 2 1 2 ) y = 量；x = ；曼曼兰曼夕= 萎jg = 主 一 沈阳理工大学硕士学位论文 二- 二= 二_ 二一 2 4 人工智能的切削力模型 2 4 1 神经网络模型 人工神经网络【3 7 】是一种类似人脑神经突触联接的结构进行信息处理的数学模 型，处理信息的能力不但很快且精确，有很强的自学习和自适应、自组织、独特 的信息存储能力。人工神经网络以其独特的结构和超强处理信息的方法，在许多 实际应用领域得到了广泛的应用，解决了目前很多传统计算机难以解决的问题。 人工神经网络建模方法与经验建模方法结合，通过选择对切削力有主要影响 的铣削参数作为输入，用试验加工数据对神经网络进行训练，从而得到精确的切 削力模型，简化了以常规方式获得切削力模型的数学工作。同时为切削力建模提 供了新的途径和方法，它可以有效