（机械制造及其自动化专业论文）高速数控铣削表面形貌的仿真与研究.pdf

一 州 一， 苍暑 卜 q 一 t h e m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nf o rs u r f a c et o p o g r a p h yi nh i g h - s p e e d n c m i l l i n g b y z h a n gn a b e ( l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g i n m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r l e s s o ry a oy u n p i n g a p r i l ，2 0 11 5 5洲7删58舢8il_y ，t ? 弋 p 一 一 j i - 州 一 、 一、 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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 法律后果由本人承担。 作者签名： 弓饫书擗 e l 期：如i 年6 月乙日 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，即： 学校有权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。本人授权兰州理工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。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： e l 期：州f 年6 月ze l 咀强：| 1 年6 具f 日 廿宁 刁-石一 娟，马f独捌 一 k - ， 1 硕十学位论文 目录 摘要i a b s t a c t ! i i 插图索引i v 第1 章绪论1 1 1 高速切削技术概述1 1 2 数控加工仿真技术概述1 1 3 表面形貌仿真技术国内外研究现状3 1 3 1 铣削力预测研究现状。3 1 3 2 表面相貌预测研究现状6 1 4 物理仿真研究中的难点问题8 1 5 目前存在的问题9 1 6 选题研究的意义和目的9 1 6 1 课题研究意义：9 1 6 2 课题研究目的。1 0 1 7 研究内容和方法1 1 1 8 本章总结1 1 第2 章数控加工中表面形貌的影响因素及其控制1 2 2 1 表面形貌概述1 2 2 2 表面粗糙度对零件功能的影响1 3 2 3 影响已加工表面粗糙度的因素1 4 2 4 减少已加工表面粗糙度的措施1 5 2 5 理想切削状态下工件微观形貌1 7 2 6 表面粗糙度评定参数。1 8 2 7 本章小结2 0 第3 章球头铣刀铣削力建模与仿真2 1 3 1 建立模型2 1 3 2 瞬时切削厚度计算模型2 2 3 2 1 刀具变形模型2 2 3 2 2 瞬时切削厚度的确定2 4 砖 、 r r 代 弋 高速数控铣削表面形貌的仿真与研究 3 3 参数确定和试验验证2 5 3 4 仿真结果分析一2 7 3 5 本章小结2 8 第4 章建立零件表面形貌仿真模型及仿真过程2 9 4 1 铣削过程简化模型2 9 4 2 加工表面形成过程3 0 4 3 刀具刃线表达式3 1 4 3 1 平面刃铣刀3 1 4 3 2 螺旋刃铣刀3 2 4 4 表面形貌模型的建立3 3 4 4 1 坐标系的建立3 3 4 4 2 坐标转换矩阵3 4 4 4 3 加工表面创成模型3 5 4 5 表面形貌仿真。3 8 4 5 1 水平面表面粗糙度3 8 4 5 2 自由曲面表面粗糙度3 8 4 6 表面形貌模型数字仿真计算3 9 4 7 表面形貌模型的仿真4 0 4 7 1m a t l a b 简介4 0 4 7 2 表面形貌仿真算法4 0 4 7 3 仿真过程流程图一4 1 4 7 3 1 仿真过程总体流程图4 1 4 7 3 2 仿真表面形貌流程图4 2 4 8 本章小结5 0 第5 章表面形貌仿真试验及分析。5 l 5 1 仿真试验5 1 5 1 1 试验方案5 1 5 1 2 试验测试系统。5 1 5 1 3 设计加工条件时，主要考虑的因素5 3 5 2 刀具偏心和变形对走刀路径的影响5 4 5 3 切削速度屹对表面粗糙度的影响5 5 5 3 1 加工条件5 5 5 3 2 试验结果5 6 5 3 3 试验结果分析5 8 。 厂 ， ，j ， 硕十学位论文 5 4 加工倾角亭对表面粗糙度的影响5 8 5 4 1 加工条件5 8 5 4 2 试验结果5 8 5 4 3 试验结果分析6 0 5 5 轴向切削深度a 。对表面粗糙度的影响6 1 5 5 1 加工条件6 1 5 5 2 试验结果6 1 5 5 3 试验结果分析6 3 5 6 仿真结果与试验结果比较分析6 3 5 7 小结6 4 总结与展望6 5 参考文献6 6 致谢7 0 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录7 1 1 1 1 j - ， - - 1 硕十学位论文 摘要 在现代模具生产中，自由曲面所占的比例不断增加，塑件的内部结构设计及 外形设计也日趋复杂，而且还要保证高的制造精度和表面质量，这些都对模具加 工技术提出了更高要求，因此研究自由曲面表面形貌预测对模具制造具有重要的 理论及实际意义。 本文在建立球头铣刀铣削力预测模型、铣削过程简化模型、刀具刃线表达式 的基础上，建立了高速数控铣削表面形貌创成模型，并进行了如下主要研究： ( 1 ) 球头铣刀铣削力预测模型的建立。在将刀具简化为一个悬臂梁结构的基 础上，根据刀具铣削力与切削负载之间的经验公式，综合考虑刀具偏心、力变形 和热变形，推导出三维进给状态下瞬时切削厚度表达式，建立了球头铣刀铣削力 模型并进行仿真。 ( 2 ) 表面形貌创成模型的建立。运用图形矩阵变换原理求出切削刃上任意点 的运动轨迹方程，得到刀具运动包络体；在考虑刀具安装偏心、刀具受力及受热 变形对走刀路径的影响的基础上给出了走刀路径变化图；拓展保留最小z 值法到 自由曲面加工，通过b o o l e a n ( 布尔代数1 运算，得到了自由曲面加工表面创成模型， 并给出了仿真流程图。 ( 3 ) 用m a t l a b 仿真软件对所建立的预测模型进行仿真。首先对球头铣刀铣削 力模型进行仿真，得到球头铣刀三个相互垂直方向的铣削力戥，毋，屁随时间 的变化曲线并分析了仿真结果；最后对表面形貌仿真模型进行了仿真试验，以压 气机叶片为研究对象，在a n s y s 环境下分析切削速度屹、刀具加工倾角亭和轴向 切削深度n 。分别对其表面粗糙度的影响，并对试验曲线和仿真曲线进行了比较 分析。 关键词：高速数控铣削；铣削力；表面形貌；建模与仿真 一 - o 广 o 1 a b s t r a c t i nt h em o d e r nm o l d p r o d u c t i o n ，t h ep r o p o r t i o n o ff r e e - f o r ms u r f a c e s c o n t i n u o u s l yi n c r e a s e d ，t h ed e s i g no fi n t e r n a ls t r u c t u r ea n do u t e rs h a p eo fp l a s t i c p a r t sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ec o m p l i c a t e d ，s i m u l t a n e o u s l y ，h i g h e rp r e c i s i o na n d s u r f a c eq u a l i t ya r ed e m a n d e d ，a l lt h e s eb r i n gf o r w a r dh i g h e rr e q u i r e m e n t st ot h e m o u l dm a n u f a c t u r i n g t h e r e f o r e ，t h ei n v e s t i g a t i o no ns u r f a c et o p o g r a p h ys i m u l a t i o n f o rf r e e f o r ms u r f a c em a c h i n i n gh a sg r e a ts i g n i f i c a n c et h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a l a p p l i c a t i o nt om o u l dm a n u f a c t u r i n g i nt h i sp a p e r ，b a s e do nt h em o d e l i n gf o rp r e d i c t i o no fm i l l i n gf o r c ea b o u tb a l l m i l l i n ga n dt h ep r e d i g e s t e dc o u r s co fm i l l i n g ，a n dt h ee x p r e s s i o no ft h ec u ts w o r d l i n e ，e s t a b l i s ht h em o d e lo ft h es u r f a c et o p o g r a p h yi n n o v a t i o n ，t h em a i nc o n t e n ta n d a c h i e v e m e n t sc a nb es u m m e du pa sf o l l o w s ： ( 1 ) b a l lm i l l i n gc u t t e r sm i l l i n gf o r c ep r e d i c t i o nm o d e li se s t a b l i s h e d t h et o o l i ss i m p l i f i e da sac a n t i l e v e rb e a ms t r u c t u r e ，a c c o r d i n gt ot h ee m p i r i c a lf o r m u l a b e t w e e nt h el o a da n dt h ec u t t i n gt o o l sm i l l i n gf o r c e ，c o n s i d e r i n g t h et o o l e c c e n t r i c i t y , t h ed e f o r m a t i o na n dt h e r m a ld e f o r m a t i o n ，d e r i v e dt h ei n s t a n t a n e o u s c h i pt h i c k n e s se x p r e s s i o nu n d e rt h r e e d i m e n s i o n a lf e e d ，e s t a b l i s h e da n da n a l y z e d t h em o d e l i n gf o rb a l lm i l l i n gf o r c e ( 2 ) t h ee s t a b l i s h e df o rs u r f a c et o p o g r a p h yp r e d i c t i o nm o d e l u s i n gg r a p h i c m a t r i xt r a n s f o r m a t i o np r i n c i p l et of i n da n yp o i n to nt h ec u t t i n ge d g eo ft h et r a j e c t o r y e q u a t i o n ，t og e t t h et o o lm o v e m e n te n v e l o p eb o d y c o n s i d e rt h ee f f e c t e do f e c c e n t r i c i t yo ft h et o o li n s t a l l a t i o n ，t o o lh e a ts t r e s s a n dd e f o r m a t i o nt ot h ep a t ho f t o o l ，g i v e nt h ec h a n g e si nt o o lp a t h ，e x p a n dt h ez m a pm e t h o dt o f r e es u r f a c e m a c h i n i n g ，t h r o u g h b o o l e a n o p e r a t i o n s ，h a v e ac r e a t e dm o d e lo fs u r f a c e t o p o g r a p h y ( 3 ) b ym a t l a b s i m u l a t i o ns o f t w a r et h ep r e d i c t i o nm o d e li ss i m u l a t e d f i r s t ， s i m u l a t i o nf o rt h em i l l i n gf o r c em o d e l ，o b t a i nt h ec u r v ev e r s u st i m et h a tt h eb a l lm i l l o ft h r e em u t u a l l yp e r p e n d i c u l a rd i r e c t i o n so ft h ec u t t i n gf o r c ef x ，b ，f z ；t h e n ， s i m u l a t i o nf o rt h em o d e lo fs u r f a c et o p o g r a p h y , t h ec o m p r e s s o rb l a d e s a st h e r e s e a r c ho b je c t ，b ya n s y ss o f t w a r ea n a l y s e st h ep a r a m e t e r so fc u t t i n gs p e e dv c ， p r o c e s s i n ga n g l e 乡a n da x i a ld e p t ho fc u ta p e f f e c to ns u r f a c et o p o g r a p h y ，c o m p a r e d a n da n a l y z e dt h ec u r v eo ft e s t i n ga n ds i m u l a t i n g 一 、 硕士学位论文 k e yw o r d s ：h i g h - s p e e dc n cm i l l i n g ；c u t t i n gf o r c e ；s u r f a c em o r p h o l o g y ；m o d e i i n g a n ds i m u l a t i o n i 一 高速数控铣削表面形貌的仿真与研究 插图索引 图2 1 表面粗糙度影响因素示意图1 5 图2 2 理想状态下的工件微观形貌1 7 图2 3 考虑刀具偏心和变形后的表面微观形貌1 7 图2 4 轮廓的平均算术偏差值r 计算示意图1 8 图2 5 不平度平均高度足计算示意图1 9 图2 6 轮廓最大高度计算示意图尺2 0 图3 1 球头铣刀的受力分析2 l 图3 2 刀具转角为0 时x 方向的受力和变形2 3 图3 3 瞬时切削厚度计算示意图2 5 图3 4 切削力试验测试系统2 6 图3 5 铣削力试验与仿真结果的比较2 7 图4 1 切削过程简化模型( p 一0 ) 2 9 图4 2 切削过程简化模型( p o ) 2 9 图4 3 铣削加工工件表面形成过程3 0 图4 4 平面铣刀任意点坐标示意图3 1 图4 5 螺旋铣刀任意点坐标示意图一3 2 图4 6 仿真模型加工坐标系图一3 4 图4 7 自由曲面粗糙度计算示意图3 8 图4 8 保留最小z 值实现过程流程图4 1 图4 9 仿真模型总体程序流程图4 2 图4 1 0 仿真表面形貌主流程图4 4 图4 1 1 函数m 1 流程图4 5 图4 1 2 力函数f 流程图4 6 图4 1 3 函数n 流程图4 8 图4 1 4 切削力中心函数r 流程图4 9 图5 1 表面粗糙度试验测试系统5 2 图5 2 加工前的表面形貌图。5 3 图5 3 ( a ) 理想状态下的走刀路径变化图5 4 图5 3 ( b ) 受刀具偏心和变形影响走刀路径变化图5 5 图5 4 表面形貌变形情况5 5 图5 5 切削速度对表面粗糙度的影晌5 7 图5 6 加工倾角对表面粗糙度的影晌6 0 图5 7 轴向切削深度对表面粗糙度的影晌6 3 硕+ 学位论文 第1 章绪论 1 1 高速切削技术概述 高速切削( h i g hs p e e dm a c h i n i n g ，h s m 或h i g hs p e e dc u t i n g ，h s c ) 的概念源于德 国学者c a r lj s a l o m o n 博士在二十世纪二、三十年代的研究。s a l o m o n 博士认为： 在加工有色金属时，当切削速度达到临界速度之前，切削温度和刀具磨损率随着 切削速度的增大而增大；当切削速度达到临界切削速度之后，切削温度和刀具磨 损率反而随着切削速度的增大而减小。 高速切削是一个相对概念，一般地，高速被定义为速度明显超出普通切削速 度的5 1 0 倍。其中具有代表性的有德国d a r m a t a d t 大学h s c h u t z 教授提出的铣削速 度范围：黄铜、青铜9 0 0 5 0 0 0 m m i n ；铝合金1 0 0 0 7 0 0 0 m m i n ；钛合金 1 0 0 1 0 0 0 m m i n ；铸铁8 0 0 3 0 0 0 m m i n ；钢5 0 0 2 0 0 0 m m i n 和镍基合金 5 0 5 0 0 m m i n 2 咱1 等。 作为高速切削技术主要组成部分的高速铣削技术主要有以下优点h 1 ： ( 1 ) 改善工件的加工精度和表面质量 高速铣床必须具备高精度和高刚度等性能，同时由于铣削深度小，切削力较 低，工件热变形小，因此高速铣削的加工精度较高。 ( 2 ) 提高生产率 高速铣削技术，提高了材料去除率，减少了刀具a nt 及空运时间，显著的提 高了整体切削加工效率，使加工时间明显缩短。 ( 3 ) 降低制造成本 综合加工质量提高、工序简化、效率提高、刀具投资和机床投资以及维护费 用增加等各方面的因素，高速铣削加工在综合经济效益方面较之普通切削加工有 显著提高。 ( 4 ) 有利于加工薄壁零件和高强度脆性材料 高速铣削技术有较小的铣削力和较高的稳定性，可以高质量地加工出薄壁零 件。高速铣削的另一大特点就是高硬度和高强度材料的加工，因此，高速铣削可 以在热处理以后再进行加工，这样大大简化模具制造工艺。 目前，高速切削技术在工业发达国家的汽车、航空航天、军工、机床和模具 等行业得到了广泛的应用，并取得了巨大的经济效益。 1 2 数控加工仿真技术概述 数控加工仿真是指数控机床在虚拟环境中的映射，它集成了制造技术、机床 硕士学位论文 数控理论、计算机辅助设计、计算机辅助制造和建模与仿真技术于一体。人能够 凭直觉感知计算机产生的三维仿真模型的虚拟环境，在设计新的方案或更改方案 时能够在真实制造之前在虚拟环境中进行零件的数控加工，检查数控程序的正确 性、合理性，对加工方案的优劣做出评估与优化，从而最终达到缩短产品开发周 期、提高产品质量和生产效率、降低生产成本的目的1 8 】。 表面相貌仿真技术的分类 表面相貌仿真技术按是否考虑切削加工过程中的刀具制造及安装偏心、受力 变形、机床振动、工件表面的塑性流动等物理因素可划分为几何仿真和物理仿真 两个方面。 ( 1 ) 几何仿真 几何仿真是将数控机床、刀具、工件和夹具组成的工艺系统看作成一个刚性 系统，在不考虑刀具制造及安装偏心、刀具变形、机床振动、工件表面的塑性流 动等因素影响的情况下，单纯从几何学和运动学的角度对建立的数学模型进行仿 真，分析在切削速度、主轴转速、刀具加工倾斜角度等条件下表面形貌的差别及 其变化规律和趋势。 ( 2 ) 物理仿真 几何仿真模型是一种理想化的模型。但在实际加工中，加工参数和切削参数 等都受到很多内部和外部条件的影响，如：刀具在加工中的受力变形、机床振动、 刀具加工制造及安装偏心、温度变化等复杂因素对工件表面形貌的影响。这种考 虑整个工艺系统的动态特性对实际切削过程影响的仿真叫物理仿真。 目前数控加工物理仿真主要有以下几种形式阳1 ： 切削力预测。切削力使刀具和工件产生弹性变形，该类仿真主要是分析切 削力的变化规律及其对工艺系统产生变形的影响。 机床和工件热变形对加工精度影响的预测。 刀具切削性能的预测。它可较准确地预测出由于切削振动、刀面磨损及冲 击力所引起的刀具断裂，并可预测出刀具正常及非正常磨损。 切屑的大小、形状的预测。若切屑形态不好，它会缠绕在工件或刀具上， 以至拉伤工件表面或打坏切削刃甚至伤人等，因此，对切屑的大小、形状的预测 很有必要。 表面加工质量的预测，可以优化加工参数。 刀具切削状态的预测。这种预测主要用来分析刀具的正常磨损情况。 由于物理仿真建模涉及到数控加工的每一个环节，目前的研究成果中大多有 大量的假设条件，目的是降低模型的复杂性，但同时也削弱了仿真模型与实际情 况的拟合程度。因此在建模时如何处理这些参数和干扰因素，使加工过程模型一 方面正确反映切削实际，另一方面又能分析参数变化及干扰因素对切削过程的影 2 硕十学位论文 响是物理仿真的关键。目前物理仿真大多是针对某一特定的加工过程，如机床种 类、刀的种类和工件材料等参数，而且都有很明确的规定，当某一参数变化时， 模型必须进行很大的修改，使模型的应用范围受到限制。如何在总结前人积累的 有关切削机理及规律的基础上，综合人工智能、仿真建模等先进科学技术，建立 通用性强的物理仿真模型，是物理仿真需要解决的又一关键问题。 另外很多研究将几何仿真与物理仿真完全脱离，在切削过程力学仿真中，由 于无法获得各时刻精确的切削状态，很难获得准确的动态切削力。因此如何将几 何仿真与物理仿真有机结合起来，关系到物理仿真的成败。物理仿真的最终目的 是保证产品质量，如何通过实用、可靠的物理仿真发现刀具变形、磨损、加工参 数、工艺规程等引起的加工误差或错误，提供高效的误差补偿方法是数控加工物 理仿真的精髓。 1 3 表面形貌仿真技术国内外研究现状 1 3 1 铣削力预测研究现状 刀具受铣削力的影响产生力变形，而这个力变形又直接影响着表面形貌。这 里首先从铣削力预测研究现状来说明表面形貌研究现状。 球头铣刀铣削力建模主要包括以下几个方面：刀刃刃线几何模型；基于局部 铣削力和刀刃切削区间计算的整体铣削力模型；刀刃微元上的局部铣削力模型 n 引。目前所采用的铣削力建模方法可分为两种：即经验系数法和理论建模法。经 验系数法是用一组铣削力系数来描述铣削力与铣削几何参数关系方法，用不同几 何参数的刀具及刀具一工件材质组合在不同铣削条件下获得的铣削力实验数据， 通过曲线拟合识别铣削力系数，该方法实验量大，铣削力系数求解难度较大。理 论建模法是基于剪切角理论和摩擦角理论，结合铣削力数据库，利用正交切削或 斜角切削对铣削过程进行分析，从而建立铣削力模型，该方法可以预测任意种类 或刃线形状刀具的铣削力，不必为每一种刀具进行特定的铣削实验。但由于目前 对切削机理理解的局限性，该方法的精度受到限制。 早在二十世纪，h o s o i n u 为解决刀齿破坏问题研究了球头铣刀铣削的几何特 征，指出螺旋刃铣刀具有较高的切削能力。m a r t e l l o t t i l l 2 就平面铣削做了运动分 析研究，证明其精确轨迹在平面内为摆线，导出了瞬时铣削厚度的表达式，并且 指出在常见铣削条件下，如果刀具半径远大于每齿进给量，刀刃轨迹可以近似为 圆，其铣削厚度可简单表示为： h f s i n ( o )( 1 1 ) 式中：厂为每齿进给量；0 为刀具转角。该表达式在后来的铣削力研究中被广为 采用。m y a n g 等n 3 3 采用近似的铣刀刃线表达式，用球坐标下法向前角表示切削 3 硕十学位论文 刃几何特征： x r c o s ( a 。) s i n ( 0 ) y 一一丢r s i n ( 2 a ) c o s ( 口一1 ) z 一一r ( c o s 2 口。c o s 0 + s i n 2 口。) ( 1 2 ) 并率先在球头铣刀铣削力研究中应用了正交切削模型，对铣刀刃线微元基于剪切 角和摩擦角理论，针对切削方向和切屑流动方向所构成平面内的有效前角、有效 进给、有效切深等参数建立了局部铣削力模型： a f ，玉竺一 ( 1 3 ) s i n 妒c 0 s 劬+ 卢- - 1 2 。) 、7 式中：鲋为瞬时切削面积；a a l e d 。；为剪切强度；妒为剪切里；吒为有效 前角；卢为前刀面的摩擦角；五和吐分别是在切削速度方向的切屑流动方向所构 成的平面内进给量和切削深度。铣削力基本参数由正交试验确定。j a i n 和 k c y a n gn 们研究了球头铣刀的铣削力，给出了刀具旋转角为妒时径向力和切向 力的表达式： j e = k 够s i n ( g , )( 1 4 ) i e t r g r d ls i n ) 、7 式中：d 为切削深度；k 、墨、仇为切削常数，由实验确定。t a i 等n 引提出了一种 球头铣刀几何特征的描述方法，把铣刀刃线视为一倾斜平面与球面的交线，通过 一系列变换矩阵将一竖直面与球面的交线变换到切削刃的实际位置，得到铣刀刃 线的几何模型。通过薄壁圆管车削实验确定切削力基本参数，把剪切角和摩擦角 表示为有效前角的指数函数，建立了球头铣刀铣削力模型。n a k a y a m a n 6 1 f f f l u e d a n 针对材料切削机理表示切削速度、进给量和前角函数。针对用高塑钢刀具加工钢 件的情况，给出了以下表达式： 妒= 1 0 6 7 ( v f ) 0 j + o 3 7 5 a + 1 3 6 4 吒i1 5 8 6 ( v f ) 。0 郐+ 6 7 7 0 3( 1 5 ) 一4 8 4 ( v f ) n 1 2 5 + 2 8 5 8 6 一妒+ a f e n g 等n 引根据近似的铣刀刃线方程( 将圆柱铣刀上的螺旋刃线投影到半球面 上) ，采用幂函数形式的非线性局部铣削力模型，给出了球头铣刀存在偏心和倾 斜时的铣削力仿真模型。将刀刃沿轴向分解为微元，微元上的铣削力为： j 峨2 墨z ) p ( 1 6 ) i 崛a g 皿阮( 日，z ) r i 、。 式中：出是切削微元沿f 向的切削宽度：t p ，z ) 是切削厚度；肌r 和m 置是表征特 4 硕+ 学位论文 定工件材质尺寸效应的常数参数；砗q ) 和( z ) 是表征切削微元在z 处局部切削 力的系数，表示为z 的三次多项式为： j 。( z ) j 口。+ 口，( 委) + 口：( 争2 + 口，( 争3 ( 1 7 ) ( z ) = c o + c 1 ( 云) + c 2 ( 云) 2 + c 3 ( 云) 3 式中：a e , ( o ，z ) 、a f ，( o ，z ) 和e f 。( o ，z ) 分别表示作用在刀具上的切向、径向和轴向切 削力；也、如和k 是耕犁系数：d s 为切削刃微元的长；q ( a ，妒，r ) 为瞬时切削 如，k 。a b r a r i 等乜”基于y a n g 的球头铣刀几何模型讨论了球头铣刀和平头铣刀 刚燕矧刘 n 5 硕十学位论文 1 3 2 表面相貌预测研究现状 工件表面形貌是在刀具切削刃与工件的相对运动的作用下，最终残留在工件 表面上的痕迹。作为表面相貌重要评价标准的表面粗糙度的研究正在从车削加工 转向铣削加工，从基于加工理论到人工智能手段，从只考虑切削速度、进给率和 切削深度基本影响因素的预测模型到考虑了刀具变形、机床震动等更多影响因素 的预测模型。 1 3 2 1 表面形貌几何仿真研究现状 m a r t e l l o t t i n 2 1 研究了铣削过程中刀尖的运动形式。b a b i n 等心5 1 基于刀具轨迹的 参数表达式，研究了周铣形成的表面三维形态。m i z u g a k i 等心们人利用几何仿真， 基于切削刃运动和刀具方向，研究了球头刀铣削加工中已加工表面轮廓的理论估 计。t a e s u n gj u n g 等瞳 研究了球头立铣刀平面加工的表面形貌仿真，对加工中 刀刃走刀及工件表面残留高度进行了详细的计算仿真。j e n q s h y o n gb yc h e n 等 通过几何运算仿真表面形貌，推导出球头立铣刀铣削平面时每齿进给量及径向切 削深度与表面粗糙度之间的关系。c k t o h n 们研究了不同加工进给方式对球头立 铣刀平面铣削加工表面形貌及其粗糙度值的影响，并进行了实验验证。j s c h e n 等b 町在端铣加工过程中利用基于神经网络的表面粗糙度预测系统。基于加工理 论的研究主要是基于预测零件加工表面形貌的生成，通过解析刀具切削刃几何形 状对表面残留高度的生成机理，来预测其中所含的表面粗糙度信息。a n t o n i a d i s 等订提出的m s n ( m i l l i n gs o f t w a r en e e d l e ) 算法，该算法通过一个功能强大的图形 用户界面来实现球头铣刀铣削表面形貌和表面粗糙度的预测。 国内，杨国艳等口幻通过理论解析的方法，讨论了使用球头铣刀的垂直加工 中进给量和走刀行距对表面粗糙度的影响，给出了表面粗糙度的计算公式，并提 出了通过改变进给间隔和进给量，提高加工效率而不增大表面粗糙度的加工方 法。赵晓明等3 1 的五坐标数控加工中工件表面形貌的计算机仿真，对五坐标数 控加工中工件表面形貌的计算机仿真进行了研究，主要探讨了切削中刀具的倾斜 方向、倾斜角度、进给方式、主轴的回转偏心、轴向窜动等因素对刀刃数学模型 的影响，并且开发出了球头铣刀在精加工时表面微观形貌的计算机仿真系统。曲 云霞、徐安平等们在分析影响加工表面形貌诸多因素的基础上，首先提出一种 广义的铣削加工表面创成模型；然后运用图形矩阵变换原理和矢量运算法则，导 出刀具切削刃上任意切削点相对于工件实际运动的轨迹方程；最后，构造出一高 效的三维表面形貌仿真算法。徐安平、张大卫口钉建立了圆锥螺旋铣刀的三维铣 削力模型，并通过对几何特征的分析提出非线性模型的参数识别方法。孙宏伟等 6 1 建立了基于加工质量预测与分析的数控铣削过程仿真系统，该系统在实际加 工之前预测具体切削参数下的零件加工质量，以便选择合适的加工工艺规划，并 6 硕十学位论文 曼i i i i =： mm mm mm m 皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼曼皇曼曼置皇曼寰曼鼍曼鼍曼曼鼍曼曼皇 辅助加工过程在线检测与控制。 1 3 2 2 表面形貌物理仿真研究现状 在国外，e lb s u i 等b 刀将金属切削过程的研究分为分析型和预测型，提出对 切削过程的研究不仅要侧重于分析切削机理，还应根据生产的实际需要，在总结 各种切削理论的基础上发展与开发预测型模型，构建加工过程的物理仿真模型， 以适应现代化生产的要求。其提出的预测模型是当前物理仿真系统建模的重点。 s t a k a t a b 印开发了一套面向智能化加工的仿真系统，他称之为实际加工过程为 “预演 ( s c e n a r i o ) 过程，该系统中包括了检验刀具路径的几何仿真过程和预测 切削力和加工误差的物理仿真过程，可用于优化加工过程、在线自适应控制，并 能够对异常情况进行检测和报告。m d t s a i 口们对棒铣刀的颤振预测进行了仿真研 究，基于刀具的几何模型建立了棒铣刀瞬时切削力模型，在此基础上研究刀具切 削振动，通过简化稳定性判据来预报切削颤振。g m z h a n g h 们针对钻削和断续车 削，建立了以瞬时切削力相对振动工件表面质量为主的加工过程模型，通过对工 件材质及再生机理等因素的分析，仿真分析了加工过程中切削力、振动及工件表 面质量等物理因素的变化规律，并建立了工件表面三维形貌分析系统。 y s t a r n g h 妇对铣削动态过程进行仿真，其研究内容主要是影响铣削力的参数， 如轴向的切削深度、径向切削深度等。w j e n d r e s h 幻针对车削加工建立了全面的 加工过程模型，该模型综合考虑了刀具的几何形状、变化的切削层参数、工件的 材质及刀杆相对于工件的振动等因素，并建立了车削力的动态模型和工艺系统的 振动模型，同时该系统还能够对工件的微观形貌进行分析。j c c h e n h 引等在端铣 加工过程中利用基于神经网络的表面粗糙度预测系统。基于加工理论的研究主要 是基于预测零件加工表面形貌的生成，通过解析刀具切削刃几何形状对表面残留 高度的生成机理，来预测其中所含表面粗糙度信息。y i z u g a k i 等h 们利用几何仿真， 基于切削刃运动和刀切削方向，研究了球头刀铣削加工中己加工表面轮廓的理论 估计。d a v i dw ，s m i t h e y ，s h i vgk a p o o r ，r i c h a r de 等h 础提出了用于平面铣削加工的 表面粗糙度模型，此模型考虑进了刀齿的表面轮廓和磨损产生的误差，应用二分 法解决在给定的表面粗糙度限制下最大材料切除速度的优化问题( 表面粗糙度和 进给量是非线性关系) 。但是，其工作是在假设“机床一刀具 系统是线性的前提 下，只考虑了位移的自由度问题，与实际的加工过程不相符。z h a o 等人 利用 z m a p 仿真分析了多轴铣削加工中刀具前角对精加工表面粗糙度和纹理的影响， 并在其研究中提出了用于单向和双向进给加工的最适宜的临界前角的概念。 在国内也开始了关于仿真零件加工表面形貌的相关研究。阎兵等乜3 1 人在球 头刀动态铣削过程的基础上，基于广义加工表面创成模型、球头铣刀刃线模型和 铣削运动模型，建立了球头铣刀铣削的表面创成模型并给出了表面形貌仿真算 法，该模型具有良好的可扩充性，能够容纳更复杂的运动方式和更多的引起加工 7 硕士学位论文 误差的因素。徐安平、张大卫等副以圆柱螺旋立铣刀铣削过程物理特性为研究 对象，考虑机床主轴偏心和刀杆静态、动态变形等因素的影响，建立了一种新的 螺旋立铣刀数控铣削过程表面创成物理模型，在此基础上给出了一种数控铣削三 维表面形貌高效仿真算法和仿真实例。乔咏梅h 7 1 分析了数控仿真技术的发展情 况，强调物理仿真技术的研究应与几何仿真的发展同步以