（机械制造及其自动化专业论文）高速铣削铣削力的建模分析与试验研究.pdf

论文题目：高速铣削铣削力的建模分析与试验研究 学科专业：机械制造及其自动化 研究生：殷智华 签 名：趑鳖皇 指导教师：李言教授签 名： 摘要 在切削加工领域中，铣削加工以其高效、应用范围广的特点而一直占居着十分重要的 地位。铣削力作为表征铣削过程的重要物理参数之一，对其研究一直是学者们研究金属切 削机理的重要方法。由于铣削力随铣削过程的进行和时间的变化对工件已加工表面质量和 刀具的磨损等有着直接的影响，如何准确而快速地对铣削力做出预报，对于铣削加工过程 中铣削参数的选择和铣削设备设计参数的确定都有着十分重要的意义。特别是近年来随着 高速铣削技术的快速发展，并在汽车、模具制造、航空航天、军事工业等高技术领域方面 得到了更为广泛的应用，使得高速铣削机理的研究受到更加广泛的关注。本文以铣削力为 研究对象，采用有限元分析和试验相结合的方法，对铣削力和高速铣削技术进行研究。 利用a b a q u s 有限元仿真软件，建立了铣刀和工件的有限元模型；通过对铣刀的模态 分析，得到了实际加工中刀具共振的规律。对铣削过程中切屑和铣削力进行了动态仿真分 析，并通过有限元模型实现了铣削力的预测，可有效减少实际试验研究的时间和成本，提 高工作效率。 对高速铣削中铣削力进行了系统的试验研究。在h a a s v f l 高速加工中心上，采用立 铣刀对l y l 2 硬铝、4 5 # 钢、以及l c r l 8 n i 9 t i 不锈钢等材料进行铣削试验，运用数理统计 的方法，分析了铣削力随铣削深度锡、铣削宽度口w 、每齿进给量尼和铣削速度1 ，的变化 规律。试验结果表明，铣削深度和每齿进给量对铣削力的影响最为明显，铣削4 5 # 钢时， 随着铣削速度的增加，铣削力具有明显的下降趋势。在此基础上，利用最d , - 乘法拟合原 理获得了单因素和多因素条件下高速铣削力的经验公式，利用相关性检验的方法验证了公 式的有效性。 通过铣削力仿真结果和试验结果的对比分析，发现二者具有较好的一致性和变化趋 势，依据试验结果对铣削有限元模型进行了修正，修正后模型的最大预测误差不超过1 4 ， 这对高速铣削力的研究具有很好的参考价值。 关键词：高速铣削；铣削力；有限元建模；试验研究；经验公式 本论文的研究得到了国家重点基础研究发展计划项目( 9 7 3 计划) ( 项目编号： 2 0 0 9 c b 7 2 4 4 0 6 ) 的资助。 西安理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t i t l e ：m o d e la n a l y s i sa n dt e s ts t u d y0 fm i l l i n gf o r c ei n h i g h s p e e dm l ll i n g m a j o r ：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 z a t i o n n a m e ：z hi h u ay i n s u p e r v i s o r ：p r o f y a nl i ab s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： 一 r e l yo ni t sh i g he f f i c i e n ta n dw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n ，m i l l i n ga l w a y sp l a y sav e r y i m p o r t a n tp o s i t i o ni nt h ec u r i n gf i e l d m i l l i n gf o r c ea s o n eo f t h ei m p o r t a n tp h y s i c a lp a r a m e t e r s i nt h ec h a r a c t e r i z a t i o no ft h em i l l i n gp r o c e s s ，t h es c h o l a r sm a k ei ta sa ni m p o r t a n tm e t h o dt o r e s e a r c ht h em e c h a n i s mo fm e t a l - c u t t i n g m i l l i n gf o r c eh a sad i r e c ti m p a c to nt h em a c h i n e d s u r f a c eq u a l i t ya n dt o o lw e a rw i t ht h em i l l i n gp r o c e s sa n dt i m ec h a n g i n g i th a sag r e a t s i g n i f i c a n c ef o rc u r i n gp a r a m e t e r sa n dd e s i g np a r a m e t e r so fm i l l i n ge q u i p m e n ts e l e c t i o nt h a t h o wt om a k eap r e d i c t i o na n dm e a s u r e m e n to fm i l li n gf o r c ea c c u r a t e l ya n dq u i c k l y e s p e c i a l l y w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fh i g h - s p e e dm i l l i n gt e c h n o l o g yi nr e c e n ty e a r s ，i th a sb e e nm o r e w i d e l yu s e di na u t o m o t i v e ，m o l dm a k i n g ，a e r o s p a c e ，m i l i t a r yi n d u s t r ya n do t h e ra d v a n c e d t e c h n o l o g ya r e a s t h ep e o p l eh a v eaw i d es p r e a dc o n c e r n o nh i g h - s p e e dm e c h a n i s ms t u d y t h i s p a p e rm a k e sm a i n l ys t u d yo nt h em i l l i n gf o r c ea n dr e s e a r c ho nm i l l i n gf o r c ea n dh i g h - s p e e d m i l l i n gt e c h n o l o g yu s i n gt h em e t h o d o ff i n i t ee l e m e n ta n dt e s t t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo fm i l l i n gc u t t e ra n dw o r k p i e c ea r ee s t a b l i s h e du s i n gt h e a b a q u sf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o ns o f t w a r e m a s t e rt h el a wo fr e s o n a n c ep h e n o m e n ao f c u t t i n gt o o lt h r o u g ha n a l y s i st h ec u t t e rm o d a l f i n i s h e dt h ed y n a m i cs i m u l a t i o na n da n a l y s i so f c h i pa n dm i l l i n gf o r c ed u r i n gm i l l i n gp r o c e s s u s et h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lc a np r e d i c tt h e m i l l i n gf o r c e t h em e t h o do f r e s e a r c hm i l l i n gf o r c eb yf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nc a nr e d u c et h e a c t u a lt e s tt i m ea n dc o s te f f e c t i v e l y , t h ew o r ke f f i c i e n c yc a na l s ob ei m p r o v e d t h et e s ta b o u tm i l l i n gf o r c ei nh i g h - s p e e dp r o c e s si ss y s t e m a t i cr e s e a r c h e da n df i n i s h e dt h e m i l l i n gt e s tt h a tm i l l i n gl y i2a l u m i n u ma n d4 5s t e e lw h i c ha r ec o m m o n l yu s e dm a t e r i a l s ，a s w e l la s1c r l8 n i 9 t is t a i n l e s ss t e e lt h a td i f f i c u l tt om a c h i n e d ，u s ee n dm i l lc u r e r si nt h e h a a s - v f1 h i g h s p e e dm a c h i n i n gc e n t e r a n a l y z e dt h el a wo fm i l l i n gf o r c ew i t ht h em i l l i n g d e p t h 唧，m i l l i n gw i d t ha w ，f e e dp e rt o o t h f _ - a n dm i l l i n gv e l o c i t y ，c h a n g e du s et h em a t h e m a t i c a l s t a t i s t i c s f o u n df r o mt h ed a t ar e s u l t st h a tt h em i l l i n gd e p t ha n df e e dp e rt o o t hh a v eah i g h i n f l u e n c ei nm i l l i n gf o r c ea n dt h em i l l i n gf o r c ed o w no b v i o u s l yw i t hm i l l i n gs p e e di n c r e a s e d i 西安理工大学硕士学位论文 w h e nm i l l i n g4 5s t e e l t h ee m p i r i c a lf o r m u l a so fm i l l i n gf o r c ei nu n i v a r i a t ea n dm u l t i v a r i a t e w e r ef i t t e do u tu s et h el e a s ts q u a r e sm e t h o da n dt e s t e dt h e mu s ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n tt e s t m e t h o d t h ef o r m u l aw h i c hc a nb eu s e dt op r e d i c tt h em i l l i n gf o r c ew h e nm i l l i n gt h es a m e m a t e r i a l sv e r i f i e dv a l i d i t y t h em i l l i n gf o r c eo fs i m u l a t e da n dt e s t e di sc o m p a r e da n da n a l y z e d ，b o t ho ft h e mh a v e h i g hc o n s i s t e n c ya n d t r e n d t h ef i n i t ee l e m e n tm i l l i n gm o d e li sr e v i s e da c c o r d i n gt os i m u l a t i o n a n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h ep r e d i c t i o ne r r o ro ft h em o d i f i e dm o d e li sl e s st h a n1 4 ，t h er e s u l t h a sh i g hr e f e r e n c ev a l u et ot h es t u d yo fm i l l i n gf o r c eo fh i g h s p e e d k e yw o r d s ：h i g h - s p e e dm i l l i n g ；m i l l i n gf o r c e ；f i n i t ee l e m e n tm o d e l ；e x p e r i m e n t a ls t u d y ； e m p i r i c a lf o r m u l a t h es t u d yi ss u p p o r t e db y ”9 7 3p l a n ”n a t i o n a lk e yb a s i cr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t p r o j e c t ( n u m b e r ：2 0 0 9 c b 7 2 4 4 0 6 ) i v 第1 章绪论 1 绪论 1 1 课题背景及意义 铣削加工过程中，铣削力的变化对铣削过程中产生的铣削热、机械系统的振动、工件 的加工质量和刀具的磨损等都有着直接的影响，如何能够对铣削力做出快速而准确的预报 和测量，对于研究机械系统的振动、金属的切削机理和刀具的磨损机理等有着重要的意义。 国内外的许多学者从多方面，使用不同的研究方法对铣削力的研究做了大量的工作。随着 近些年高速铣削技术的发展和成熟，高速铣削技术以其高效率和高质量在航空航天、汽车 工业和模具制造业中得到了广泛的应用，特别是在高硬度和对难加工材料的切削加工方 面，高速铣削以其独有的优势而被广泛应用。由于高速铣削过程中，切削速度大，进给速 度快，材料的切削机理与普通切削时不尽相同，系统的振动对整个机械系统的影响将变得 更为明显，建立在以往经验和试验数据上的铣削加工工艺参数显得力不能及。如何更加准 确、合理的对高速铣削加工中的铣削力的变化规律做出预报，将有助于分析铣削加工过程， 并且根据铣削力的变化规律来提高加工效率，对实际生产有重要的指导意义。 本课题得到了国家重点基础研究发展计划项目( 9 7 3 计划) ( 2 0 0 9 c b 7 2 4 4 0 6 ) 资助。对 铣削过程中，特别是高速铣削过程中铣削力变化规律进行了建模仿真分析和试验研究。为 后期人们对于高速铣削设备的设计使用和难加工材料的加工提供数据和理论依据，以保障 设备的安全可靠、充分利用，提高整体加工效率和加工质量。 1 2 高速切削技术 1 2 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 t i n g ，h s c ) ，它的概念由德国 学者c a r l j s a l o m o n 博士于1 9 31 年提出【l 2 j 。 s a l o m o n 博士设想，在切削过程中，刀具的磨 损速度和切削温度会随着切削速度初期的增 加而增加，但当切削速度超过某一临界值时， 刀具的磨损速度会减缓，产生的切削热也会下 降，而该临界值随着材料的不同而不同。图1 1 所示为s a l o m o n 博士设想的切削速度与切削 温度的变化曲线图。随着近几年高速切削技术 的成熟和发展，s a l o m o n 博士的设想也得到了 切削速度v c 图卜1 切削温度随切削速度变化曲线 f i g 1 - lt h ec u r v eo fc u t t i n gt e m p e r a t u r ew i t h c u t t i n gs p e e dc h a n g i n g 实验验证【3 1 。对于高速切削的定义，目前国际上还未达到共识，对于高速的定义大致有以 下几方面：高切削速度；高主轴转速；高进给速度；高生产率的切削。其中常以 高切削速度来对定义高速切削4 。8 1 。 西安理工大学硕士学位论文 由于材料的化学成分和金相组织的不同，它们的高速切削速度的临界值也存在着差 异。目前，通过实验分析己知铝合金的高速铣削临界值为2 0 0 0 7 5 0 0 r n m i n ；铸铁为9 0 0 - - 5 0 0 0 m m i n ；钢为6 0 0 - - 3 0 0 0 m m i n ；钛合金高速切削速度为1 5 0 1 0 0 0 m r a i n ；纤维增强 塑料为2 0 0 0 - - 一9 0 0 0 m m i n 9 1 。如图1 2 所示是德国h s c h u l z 1 0 】教授在1 9 9 2 年通过大量试验 分析研究后，对不同材料提出的高速切削范围。 纤维增强塑料 隧荔 铝台金 麟 绸_ 黄铜、青铜 麟 _ 铸铁 嘲- _ 钢 隧_ 钛台金 黼 糍w 镍基台金 i 高速切削区 圜 过渡区 1 0 1 0 0 1 0 0 01 0 0 0 0 切削速度v ( m m i n ) 图卜2 不同材料高速切削的速度范围 f i g 1 2t h es p e e dr a n g eo f t h eh i 【g hs p e e dc u t t i n go fd i f f e r e n tm a t e r i a l s 1 2 2 高速切削的特征 从高速切削概念诞生到现在，高速切削技术已经过了机理和可行性分析与研究、切削 工艺的技术研究和系统的技术分析，并从9 0 年代初开始应用于实际加工之中。并在9 0 年代后期己应用十分广泛。2 l 世纪初，高速切削技术得到了普遍应用，并发展成为切削 加工的主流技术r i o 。 由于高速切削过程中，主轴转速 高、切削速度和进给速度快，因此为了 减小切削过程中系统的振动和提高已 加工表面质量，常采用适当的进给量、 较小的切削宽度和切削深度的加工方 式，但由于切削速度大，单位时间内工 件的切削去除量增加，提高了生产效 率。但切削速度增加的同时，刀具的磨 损也随之加快，因此，高速切削对刀具 有着更为严格和苛刻的要求。图卜3 所 示为切削速度对加工性能的影响。 1 2 3 高速切削技术的优点 切削速度_ 卜 图卜3 高速切削的特点 f i g 1 3t h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g h - s p e e dc u t t i n g 与普通的切削加工工艺相比，高速切削加工的切削机理发生了较大的变化，因而，高 第1 章绪论 速切削加工有着不同于普通切削的特点【1 1 】【1 2 i ，主要有以下几个方面： 生产效率提高 高速切削过程中，由于切削速度和进给速度大，因此单位时间内材料的去除率得到很 大的提高，使得加工时间降低，使生产率大幅度提高。 工件己加工表面质量好 在以相同的切削参数进行高速加工时，刀具受到的单位切削力明显减小，同时，产生 的热变形明显减少，减小了已加工表面和刀具的热变形，有利于提高加工精度，使加工表 面保持良好的物理和机械性能。特别对于薄壁件加工来说，高速切削加工技术将是一种有 效且高效的加工方法。 单位零件的能耗低 高速切削加工时，由于单位时间内材料的去除率增加，因此降低了单位工件的加工时 间，降低了零件生产的能耗，大幅度提高了能源和设备的利用率，使切削加工在制造系统 资源中占有的比例下降，节省了制造资源。 工艺流程得到简化，生产成本降低 由于随着切削速度的增加，单位时间内的切削热反而降低，因此减小了已加工表面的 热应力和热变形，使已加工表面质量得到了有效改善，甚至可与磨削加工质量相媲美。因 此在某些加工场合，可直接将高速铣削作为最后一道精加工工序，避免了多次加工带来的 不变，使一次装夹可完成半精a l t o 和精加工等多重工序，提高了生产效率和加工质量，降 低了生产成本。 当然，高速切削也存在一些缺点： 高速切削设备价格昂贵，对刀具材料和控制系统要求高。 由于切削加工过程中的速度高，对于主轴系统的急停和启动性能要求高，加剧了 导轨传动系统的磨损 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外高速切削研究状况 自2 0 世纪7 0 年代后，高速切削技术的理论与工艺技术研究已相对成熟，世界上各工 业发达国家纷纷投入了大量的物力、人力、财力对高速切削及相关技术进行研究和开发， 一些工业制造强国，如德国、美国、瑞士和日本等相继走在了世界前列。 ( 1 ) 高速切削机理研究 高速切削机理作为高速切削技术的理论基础，对它的研究和分析常作为学者们研究高 速切削技术的突破口。在高速切削切屑形成机理方面，国内外的学者作了大量的研究工作。 他们认为，由于绝热剪切和周期脆性断裂现象的存在，高速切削过程中会有锯齿形切屑的 的产生【13 1 。k o m a n d u r i 1 4 a 5 1 和r e c h t 【1 6 】对切屑形成过程和切削过程中的动力学进行了分 析，并将锯齿形切屑和绝热剪切现象联系起来。1 9 9 5 年h o uz b 和k o m a n d u r i l l 。7 】提出了 西安理工大学硕士学位论文 锯齿切屑形成的热力学模型。b a r r y i l 引、k o m a n d u r i 与h o u 1 9 1 通过试验研究了t i 6 a 1 4 v 切屑的微观结构和热塑剪切模型，验证了绝热剪切理论观点。m c s h a w l 2 0 】和a v y a s 2 1 1 对锯齿形切屑形成机理进行总结后，提出周期脆性断裂理论，即切屑在向切削刃扩展的时 候，在约一半距离处出现周期性整体断裂。m a e l b e s t a w i l 2 2 1 ，w k o n g 等人【2 3 】通过车削 试验，研究了锯齿切屑形成机理和周期脆性断裂机理。h k t o n s h o f f 2 4 j 通过对两个理论的 分析研究认为，在距前刀面一段距离的某位置处，到载荷量达到某一阂值时，会发生绝热 剪切现象而出现锯齿形切屑。 ( 2 ) 高速切削刀具磨损研究 高速切削过程中，由于主轴转速大，刀具受力情况复杂而严重，因此使得刀具的磨损 速度增加。在高速切削过程中刀具磨损规律和磨损机理方面，国外许多的的学者进行了大 量的研究，特别在新型材料制作的刀具磨损方面做了大量试验和分析，达成了一些共识。 在刀具磨损形式方面，他们将磨损分为前刀面磨损、后刀面磨损、边界磨损和微崩刃等四 种形式。在磨损机理方面，他们认为常见的磨损机理有磨料磨损、粘结磨损、相变磨损、 扩散磨损和氧化磨损五种形式。而且根据工件和刀具材料特性的不同，切削过程中出现的 刀具磨损和磨损机理形式也不尽相同。s l a v k od o l i n s e t 2 5 】对淬硬钢进行了大量的高速切 削试验后发现，在高速切削过程中淬硬钢主要发生了粘结磨损和扩散磨损。a d r i a n s h a r m a 2 6 1 通过对涂层刀具的高速切削试验，得出结论：涂层刀具高速切削过程中主要的 磨损机理形式为粘结磨损，而且随着刀具涂层的不同，刀具的磨损机理也会发生一定的变 化。z n f a r h a t 2 7 1 研究了c b n 刀具的磨损机理。f m a h d o u d i 等人【2 8 】通过研究p c b n 刀具 在车削淬硬钢过程中的磨损形式和磨损机理，研究分析了切削温度对刀具磨损的影响规 律，根据研究结果建立了刀具磨损与切削温度的数学模型关系式。在理论和试验研究刀具 磨损机理的同时，随着有限元理论的成熟和有限元技术的快速发展，许多学者也通过有限 元方法对刀具磨损进行了分析和研究。例如x i e | 2 9 j 利用有限元的方法在有限元分析软件通 过建立刀具与工件的二维模型，对二维切削过程中的刀具磨损问题进行了分析研究。 通过对刀具磨损机理长期的理论和试验分析研究，许多学者们一致认为：在高速切削 过程中，刀具磨损机理已发生了变化，已不同于低速切削时刀具的磨损现象。他们认为， 在高速切削过程刀具的磨损形式已不再以磨料磨损为主，而是以粘结磨损和扩散磨损为 主，出现这种变化的原因是在高速切削过程中在未达到死区前的剧烈温升引起的。 ( 3 ) 高速切削设备的发展 2 0 实际9 0 年代，随着高速切削技术的快速发展和成熟，高速切削技术已成为各工业 强国发展的重点加工技术，大量的高速切削设备也开始投入到世界市场当中，其中在1 9 9 3 年首次出现了以直线电机对工作台进行驱动的高速加工中心，该机床由德国科学家设计制 造，并在德国汉诺威国际机床博览会上亮相展出，此次展出也拉开了世界各国对高速切削 设备研发制造的序幕，此后，高速切削技术便正式进入到自己的应用时代。由德国设计生 产的实用化高速立式铣削加工中心主轴的转速已经达到了6 0 0 0 0 r m i n ，三个轴向的快速进 4 第1 章绪论 给速度也已达到了6 0 m m i n 的速度，瞬时加速度可达2 5 9 ，该加工中心不但主轴转速高， 而且精度高，它的重复定位精度也达至f j t + l p m 。与此同时，他们还深入研究了高速切削 加工工艺，并已经形成了系统的高速切削理论。日本也在1 9 9 6 年生产制造出主轴转速为 3 0 0 0 0 r m i n 的卧式高速切削加工中心，该加工中心的最大进给速度可达8 0 m m i n ，加速度 为2 9 ，重复定位精度4 - 1 1 t m 。同时美国、法国、瑞士等工业发达国家也相继设计制造出了 各自的高速切削设备l a 0 1 。瑞士m i k r o n 已研制出6 0 0 0 0 r p m 的高速主轴，而美国m o o r e 的坐标磨床，其主轴转速为1 6 0 0 0 0 r p m 时可采用铣刀进行铣削曾在新加坡一家航空企业 使用，这可能是世界上最高的铣削转速。 1 3 2 国内高速切削研究状况 在高速切削的理论和技术研究方面，我国研究的时间比较短，但也取得了许多令人瞩 目的成绩。 ( 1 ) 高速切削机理方面 大连理工大学的王敏杰和胡荣生【3 1j 通过试验，分析研究了高速切削过程中的绝热剪 切现象，他们证明了热塑失稳现象是高速切削过程中锯齿形切屑产生的主要原因。他们认 为多数塑性材料在切削过程中都会出现热塑剪切失稳现象，他们还根据自己的研究建立了 材料失稳时材料软化效应的临界判据。段春争【3 2 】等人通过高速切削3 0 c r n i m o v 材料，从 微观角度研究了切削过程中锯齿切屑产生的原因，他们研究发现绝热剪切带有两种，可分 为形变带和转变带。形变带指回火马氏体组织切削时，剪切带的第一变形区发生了大塑性 变形的，切屑发生加工硬化现象，而硬化速度受到切削速度的影响；转变带指剪切带内发 生了组织相变，金相组织发生了相变硬化现象，而该硬化现象不受切削速度的影响且相变 硬度值高于加工硬化时的硬度值。南京航空航天大学的鲁世红1 3 3 j 等人通过试验研究和分 析了高速切削过程中，切削速度对4 c r 5 m o v l s i 热作模具钢切屑形成的影响，结果表明， 绝热剪切现象的存在是形成锯齿切屑的主要原因j 而锯齿切屑形态的产生也与材料的硬度 和导热性等材料特性有着密切的关系，同时切削速度和刀具前角对锯齿切屑的形成有着重 要的影响。而当工件材料和刀具等条件一定时，切削速度将成为影响锯齿形切屑形成的主 要因素。山东大学杨奇彪、刘战强等【3 4 】综合的分析研究了绝热剪切理论和周期脆性断裂 理论，认为绝热剪切现象常发生在塑性材料的切削过程中。对于一些脆性材料，若在切削 过程中，由于切削温度的升高而使得局部脆性材料软化而发生塑性切削，则绝热剪切理论 对之成立。但由于研究的方法和理论的不同，学者们还未对锯齿切屑形成的具体原因达成 共识，不知到底是由于热塑性失稳而形成绝热剪切，还是裂纹诱发几何失稳导致的集中剪 切现象。 ( 2 ) 刀具磨损研究方面 龙震海【3 5 】利用x 射线能谱仪和电子扫描显微镜对刀具前刀面上的磨损形态和机理进 行了试验研究，他们利用硬质合金涂层刀具和细晶粒硬质合金刀具对不锈钢进行高速铣削 加工，通过试验研究发现刀具磨损主要形式为扩散磨损和氧化磨损。山东大学的艾兴教授 西安理工大学硕士学位论文 在高速切削方面做了大量的研究，他通过试验研究发现，陶瓷刀具在高速切削过程中发生 的磨损机理主要有磨料磨损、粘结磨损和扩散磨损三种形式【3 8 】。哈尔滨工业大学的刘献 礼研究分析了p c b n 刀具高速切削过程中刀具的磨损形式和机理【3 9 1 ，他们认为p c b n 刀 具磨损的主要形态包括后刀面磨损、前刀面月牙洼磨损和微崩刃等三种形式；而磨损机理 主要有磨料磨损、氧化磨损、粘结磨损、扩散磨损、相变磨损、粘接剂磨损和微裂解磨损 等形式。南京航空航天大学的何宁1 4 0 1 等人研究了高速切削刀具在低温m q l 和低温冷风条 件下的磨损情况。经过分析试验发现，在低温冷风和低温m q l 条件下，刀具高速切削时 的温度明显下降，有效的防止了刀具的软化，使刀具寿命得到了提高，降低了生产成本。 ( 3 ) 高速设备的设计生产方面 2 0 世纪9 0 年代，我国开始了对高速切削设备设计研发及加工工艺等方面的研究工作， 投入了大量的物力、人力和财力从事于超高速电主轴、磁悬浮轴承、快速进给系统、和高 速切削刀具等方面的研发和设计工作。经过长时间的认真研究和艰苦工作，我国在各项关 键技术上都取得了重大的突破，缩小了我国与其他发达国家在高速切削技术研究方面的差 距。但是，由于我国起步相对较晚，在理论和科研方面的能力较国外还有较大的差距。 由于在市场经济环境的引导下，我国通过引进国外的一些先进技术和设备进行学习， 使得我国高速加工设备技术有了显著的发展。现在我国已设计生产出的立式加工中心主轴 转速为1 0 0 0 0 - - 1 5 0 0 0 d m i n 、卧式加工中心的主轴转速为1 8 0 0 0 r m i n ，在数控车床和车削 中心方面，主轴转速为3 5 0 0 - - 一4 0 0 0 f f m i n ，8 0 0 0 r m i n 的数控车床我国也已研发成功。同时， 我过也开始致力于高速机床的数控系统方面的研究工作，并在高档数控系统和开放式数控 系统方面已取得了重大突破，但由于我国基础技术的不健全和相对落后，对于一些高级系 统仍主要以从国外进口为主。在高速切削刀具方面，由于我国材料技术的相对落后，对于 高速切削刀具制造过程中材料性能的要求还不能满足，所以现阶段我国在高速设备上使用 的刀具仍需从国外进口 3 0 1 。 在高速切削技术发展的过程当中，主轴转速成为影响切削速度的主要因素，现在高速 切削设备中普遍采用高速电主轴技术，该技术的出现解决了机械产品制造中诸多难题，得 到了各类装备制造业的重视。由于基础和材料的限制，我国高速电主轴设计制造加工技术 还相对不够成熟，目前为止，国外许多国家在加工中心等数控机床上使用的电主轴转速已 经达到7 5 0 0 0 f f m i n ，而国内的则多在1 5 0 0 0 d m i n 以下；对于其他类型的电主轴研究，国 外已设计出的最高转速可达3 0 0 0 0 0 f f m i n 的电主轴，而国内的最高转速为1 5 0 0 0 0 f f m i n 。 在电主轴的转矩输出方面，国外生产出的低速段电主轴输出转矩已达到3 0 0 n m 以上， 国内的则多在1 0 0 n m 。同样，在电主轴润滑、轴承和配套技术等方面，我国的技术还 需要进一步的提高和发展【3 9 i 。 1 4 高速切削技术的发展趋势 虽然高速切削在理论和技术方面已得到了飞速的发展，世界各国也已取得了瞩目的成 6 第1 章绪论 绩，但随着新材料和新工艺的不断问世，对于高速切削也将提出更高的要求，主要还有以 下几个方面【3 9 l ： 超高速绿色切削 在一般的高速切削加i 过程中，为了降低刀具与工件已加工表面的切削温度，在加工 过程中必须使用切削液对该部分进行降温处理，但是切削液的使用必将引起一定程度的环 境污染，而且需求量大，所以对于切削过程中的环境污染问题更应值得我们考虑。由于高 速切削方式能有效的降低切削区的温度，因此通过高速切削加工方式实现干切削可很好的 改变这种状况，在提高生产效率的同时也使环境得到了保护。 实现重切削工艺的超高速切削 机械加工中，对于重型或大型零件的切削加工称之为重切削，由于对于此类零件的切 削加工过程中刀具的切深大，要求的切削功率高，但切削速度低，所以加工时间长，使得 生产效率极低。因此如何在重切削加工中实现高速切削加工，对于提高大中型设备的制造 生产有着重要的意义。 新型高速切削工艺的开发和完善 目前，由于高速切削加工技术对环境和设备的要求高，所能应用到的加工工艺相对较 少，并且还都不是十分完善。因此如何开发新型的高速切削工艺，适应各种加工需求，对 于全面提高生产效率和加工质量有着重要的意义。 实现难加工材料的超高速切削加工 一 由于难加工材料特殊的材料特性和导热性差等原因，难加工材料的加工效率一直都比 较低，而且由于切削过程中的切削温度高，加快了刀具的磨损速度。因此在对难加工材料 进行切削加工时，常常采用低切削速度参数进行加工。但由于它们的一些优良的材料特性， 难加工材料在航空航天工业中使用的范围的越来越广，比例也越来越大。因此解决难加工 材料加工效率低的问题，充分发挥高速切削技术的优势和作用，对于提升航空航天事业有 着重要的意义。 稳定的监控系统 在高速切削加工过程中，主轴转速高，进给速度快，外界干扰信号对整个高速切削系 统产生的影响将更为明显，因此对高速切削过程中加工状态的实时监控就十分的重要。与 此同时，对于监控系统的灵敏性、可靠性和瞬时响应性也提出了更高的要求，设计出稳定 的监控系统对于高速切削加工过程中加工的安全性和质量都有着重要的意义。 1 5 本文研究主要内容 本文以铣削过程中的铣削力为主要研究对象，通过试验与仿真的方法对铣削力与各参 数的变化关系进行了分析，主要的研究内容有以下几个方面： ( 1 ) 通过三维c a d 软件和有限元分析软件a b a q u s 对铣刀和工件进行建模，对铣刀进 行模态分析，得出其固有频率值。对铣刀和材料接触属性和单元断裂准则进行了合理的设 7 西安理工大学硕士学位论文 置，完成工件和铝合金及4 5 4 钢材料的数据模型，对铣削过程进行动态模拟仿真。 ( 2 ) 以铣削深度、铣削宽度、每齿进给量和铣削速度为试验参数，以铣削力为主要研 究对象，在高速加工中心上进行铣削试验，分析铣削常用材料l y l 2 铝合金和4 5 “钢，以 及难加工材料1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢过程中，铣削力随各参数变化的规律。 ( 3 ) 通过对试验数据的数理统计分析，利用最小二乘法回归分析出铣削力随单因素和 多因素变化的经验公式，并对公式进行显著性检验，验证经验公式的可行性和准确度。 ( 4 ) 将仿真模型中数据结果与试验结果进行对比分析，完成对模型的修正，提高仿真 结果的可信度和准确性。 8 第2 章铣削理论与切削机理 2 铣削理论与铣削力模型分析 2 1 铣削力的基本理论 铣削力和铣削热一样，都是铣削过程中产生的主要物理现象，它的大小变化对铣削过 程中铣削热的产生和整个加工系统的振动都有着重要的影响，从而影响到刀具的使用寿命 和工件已加工表面的表面质量等。通过研究铣削过程中铣削力的变化规律和产生机理，对 于研究和分析铣削加工过程中系统的振动、刀具磨损等物理现象，提高工件加工质量，优 化切削参数等有着重要的意义。 2 1 1 铣削力来源 铣削过程是刀具和工件相互作用 的过程，由刀具自身的旋转加上刀具与 工件之间的相对运动完成对待加工工 件表面材料切除，由于工件材料存在一 定的硬度，在材料的切除过程中，被切 削材料发生了弹塑性变形，对铣刀产生 阻力，如图2 1 所示。同时，由于切屑 分离过程中，在刀具前刀面流动而产生 摩擦阻力，并且刀具沿进给方向移动 时，刀具的后刀面也与工件已加工表面 产生摩擦力。 图2 - 1 切削力的来源 f i g 2 1t h es o u r c eo fc u t t i n gf o r c e 由此可知，铣削力主要来源于以下。 三个方面【4 0 】： 1 ) 切削过程中，材料发生弹性变形时产生的阻力； 2 ) 切削过程中，材料发生塑性变形时产生的阻力； 3 ) 克服切屑流出过程中与刀具前刀面产生的摩擦力和刀具后刀面沿进给方向移动过 程中与己加工表面挤压而产生的摩擦力； 2 1 2 铣削力分解 本文试验中使用的铣刀为4 刃立铣刀，如图2 - 2 所示，以该种铣刀为例。由于铣削过 程为断续切削过程，切削刃所受切削力的方向随着铣削过程的进行而周期性的变化，为便 于理解，常将铣削力沿某一坐标系进行分解，常见的分解方法有两种。 沿铣刀的轴向、径向和切向可将铣削力分解为如图2 2 所示的b 、毋和e 三向力， 其中e 所受力的大小与铣刀的刀刃螺旋角有关；毋受力大小与铣刀瞬时切削点的位置有 关，最小值和最大值分别出现在刀刃切入和切出工件时的位置；足为铣刀所受的主要切 削力，它与r 的合力r 对铣刀产生弯矩和弯曲力。 9 西安理工大学硕士学位论文 f - 图2 2 立铣刀及铣削力的分解 f i g 2 2m i l l i n gt o o l sa n dd e c o m p o s i t i o no fm i l l i n gf o r c e 由于沿铣刀的三向分解的力方向存在实时变化性，所以通常也将铣削力沿着加工机床 工作台的进给方向进行分解，如图2 - 2 所示的斤、r 和r 三向力，厢为水平方向分力， 受力方向与工作台进给方向相反；r 受力方向与斤垂直，顺铣和逆铣时，r 受力方向相 反，但都存在周期性的大小变化；r 的受力大小与铣刀的螺旋角值有关。 2 2 高速切削机理的研究 高速切削过程中，在切削力、切削热和加工表面质量方面都表现出与普通切削不同的 规律现象，为高速切削特有的机理。国内外大量的学者通过理论分析和试验研究等方法对 高速切削的切削机理进行了解释。 2 2 1 切屑的形成和变形关系 ( 1 ) 切屑的形成 根据切削条件和切削材料的不同，切屑的形式也多种多样，主要的切屑形式包括：带 状切屑、锯齿状切屑、单元切屑和崩碎切屑四种，其中前三种切屑形式发生在塑性材料之 中，以带状切屑最为常见，切削过程也最为平稳，切削力波动较小，加工表面质量较好， 单元切屑较少见。崩碎切屑发生在脆性材料的切削过程中，切削过程不稳定且切削力波动 大，加工表面较差【4 1 1 。 由于不同的切屑会对切削过程产生不同的影响，特别在高速切削过程中，由于主轴转 速高，系统振动影响大，切屑对切削过程的影响将会更为明显。若工件材料塑性较大，切 削过程中会产生较长的带状切屑，若缠绕在刀具上，则会划伤已加工表面，降低刀具的切 削性能，甚至于破坏刀具；在切削脆性材料时，由于产生崩碎切屑而产生的振动会更为明 显。所以在切削加工前，应对工件材料进行相应的处理，使材料的塑性满足较好的切削状 态。 ( 2 ) 切屑的变形关系 在研究切屑的变形关系时，常假定以某单一剪切面为研究对象，如图2 3 所示【4 1 1 ，则 根据图中各矢量的角度关系可知变形系数： i 0 第2 章铣削理论与切削机理 考：鱼 口c 式中：为切削深度；铴为切屑厚度； ( 2 1 ) 图2 - 3 切屑变形关系 f i g 2 3t h er e l a t i o n s h i po f c h i pd e f o r m a t i o n 通过对切深啦和切屑厚度的测量，可计算出切屑的变形系数亭。 由图2 3 中的几何关系可知： a c h = a o c o s ( 咖一) ( 2 2 ) 口c = a o s i n e ( 2 3 ) 式中：痧为剪切角；为刀具的前角； 则式( 2 1 ) 可表示为： 毒：竺耸掣( 2 4 ) s i n 9 由式( 2 4 ) 可求出剪切角西的大小为： t a l l ：粤( 2 5 ) 5 一s i n y o 2 2 2 材料的断裂法则 切削加工过程即就是对工件表面多余材料的去除过程，在该过程中，刀具与材料切削 层发生剧烈挤压，使得切屑层材料发生大变形而被破坏去除。因此根据切削材料的不同， 切屑层被切削过程中发生的变形机理也就存在着差异。在切削塑性材料时，切屑层的破坏 形式为塑性变形，而在切削脆性材料时，材料产生脆性断裂。材料的破坏形式不同，切屑 的断裂法则也就不同【4 2 1 。 在切削塑性材料时，根据塑性材料的拉伸试验可知，材料首先发生弹性变形，当载荷 继续增大时，产生屈服应力，使材料发生塑性变形。根据弹性力学可知，材料发生塑性变 形的屈服条件是关于屈服点的应力状态函数m