（机械电子工程专业论文）三维槽型可转位刀片的开发研究.pdf

芝童耋登：盔兰：耋矍圭：竺丝塞 三维槽型可转位刀片的开发研究 摘要 本文是黑龙江省重大科技攻关项目：。大型、复杂零部件用现代刀具系 列产品化与开发研究”课题中的部分研究成果的总结。可转位刀片优化其槽 型可使其切削性能得到改善，多年以来人们对刀片的三维槽型进行了深入的 研究，取得了很多重要的成果，但随着工业的发展不断对刀片的切削性能提 出新的要求，本文对三维槽型刀片进行了较系统的实验研究、理论研究、产 品歼发和设计，其主要内容： 1 采用不同材质、槽型的铣刀片切削不同工件材料进行切削力对比试 验研究。在不同切削参数下采用平前刀面铣刀片和三维槽型波形刃铣刀片， 采用超细晶粒材质铣刀片和4 0 3 0 、4 0 4 0 切削4 5 号钢和不锈钢进行切削力对 比试验研究；并在电机厂对上述刀片进行寿命对比试验研究。 2 对重型车刀片进行二维、三维槽型的开发研究。对大型容器新产品 切削加工用重型车刀片进行结构设计及槽形设计对车刀片槽型的磨削工艺 进行理论分析，并应用v c 完成计算应用程序的编制，重型车刀片不同槽形 槽宽、箭角设计完成后应用该程序可以得到砂轮进行磨削的倾斜角。 3 对圆柱螺旋刃铣刀片的的刃型优越性进行了研究。得出圆柱螺旋刃 的空间几何模型并对螺旋刃铣刀片和直刃铣刀片的加工表面波度误差进行对 比分析，对圆柱螺旋刃铣刀片进行了优化设计。 4 运用i d e a s 软件中有限元分析模块对铣刀片受力情况进行有限元 分析。从不同角度可以看到三维复杂槽型螺旋刃铣刀片在切削加工时的受力 情况；对三维复杂槽型螺旋刃铣刀片和相同尺寸的直线刃带修光刃铣刀片以 及直线刃封闭槽铣刀片有限元对比分析。 关键词三维槽型；铣刀片；车刀片；有限元分析 竺釜鎏耋：銮：三兰要土兰竺耋兰 r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to fm i l l i n gi n s e r t w i t h 3 dc o m p l e xg r o o v e a b s t r a c t t h i st h e s i sc o m e st ot h ec o n c l u s i o n st h a ta r ep a r t so fr e s e a r c ha c h i e v e m e n t s o fa ni m p o r t a n tt e c h n o l o g yp r o j e c t , w h i c hb e l o n g st oh e i l o n g j i a n gp r o v i n c ea n d i s “p r o d u c ta n dr e s e a r c ho fl a r g e s c a l ec o m p l i c a c yp a r t sw i t hm o d e r nk n i f e s e r i e s ”m i l l i n gt o o lo p t i m i z e si t sg r o o v et om a k em a c h i n a b i l i t yb e t t e r p e o p l e w o r k e do nr e s e a r c ho f3 dg r o o v ei n s e r t sf o rm a n yy e a r sa n dg o tl o t so fi m p o r t a n t a c h i e v e m e n t s w i t hc o n t i n u o u s l yd e v e l o p m e n to fi n d u s t r i e s ，n e wr e q u i r e m e n t s o ft o o l sm a c h i n a b i l i t ya r ep r o p o s e d t h i sp a p e rp r o c e e ds y s t e mr e s e a r c h ， t h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n td e s i g no fp r o d u c t s t h em a i nc o n t e n t so f t h i sp a p e ra r ef o l l o w i n g ： 1 u s i n gd i f f e r e n tm a t e r i a l , g r o o v ei n s e r t st oc u td i f f e r e n tw o r k p i e c ea n d c o n t r a s tr e s e a r c ho fm i l l i n ge x p e r i m e n t sw i t hc u t t i n gf o r c e t h ec o n t r a s tr e s e a r c h o fm i l l i n ge x p e r i m e n t si sp r o c e e du s i n gd i f f e r e n te x p e r i m e n t sp a r a m e t e r sw i t h p l a n em i l l i n gi n s e r t ， 3 dg r o o v ew a v em i l l i n gi n s e r t ，u l t r a f i n eg r a i n ，4 0 3 0 ， 4 0 5 0 c o n t r a s tr e s e a r c ho ft h e s et o o l s l i f ei sm a d eb ym i l l i n ge x p e r i m e n t si n h e c 2 d e v e l o p i n g2 da n d3 dg r o o v eo fh e a v yc u u i n gi n s e r t s s t r u c t u r ea n d g r o o v eo fh e a v yc u t t i n gi n s e r t f o rc u t t i n gl a r g e - s c a l ec o n t a i n e ra r ed e s i g n e d t h e o r e t i c a la n a l y s i si sm a d ef o rg r i n d i n gp l a n n i n go ft o o l sg r o o v e c a l c u l a t i n g s o f ti sp r o g r a m m e du s i n gv c a f t e rg r o o v ew i d t ha n df o r t ha n g l ei nh e a v y c u t t i n gt o o l sa r ec o m p l e t e d ，r o l lo fg r i n d i n gw h e e lw i l lb eg o tw h e na p p l i c a t i n g t h ep r o g r a m 3 t h r o u g h r e s e a r c ho fc y l i n d e r s p i r a lm i l l i n g i n s e r t ，w eg e t s p a c e g e o m e t r i c a lm o d e lo fs p i r a lb l a d ea n dp r o c e e ds u r f a c ew a v i n e s se r r o ra n a l y s i so f s p i r a la n ds t r a i g h tb l a d e a c c o r d i n gt oc u t t i n gt h e o r y ，w ep r o c e e do p t i m u m d e s i g no fc y l i n d e rs p i r a l u k 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文1 - - 维槽型可转位刀片的开发研 究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研究 工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰 写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：爿咤岛以 日期：1 咖年月j 岁日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 三维槽型可转位刀片的开发研究系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位 期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所 有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工大 学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子 版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密回。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名 导师签名： # 舀以 艺掘徽 日期：t 一锌；月f 妇 日强：沙 年；肖据 第1 章绪论 i i 大型容器新产品切削加工国内外相关行业现状和发展趋势 随着我国石油工业、煤液化工业、核工业和核电站设备的发展，对大型、 复杂零部件的需求量不断增大，而且逐步向大型化发展。千吨级以上的特种耐 热不起皮钢材质的加氢反应器制造工艺复杂，技术难度大。其材质是2 2 5 c r - i m o 、3 c r o l m o 0 2 5 v 、2 2 5 c r - i m o - 0 2 5 v ，后两者添加钒元素后，其高温韧性 大幅度提高，高温强度要比2 2 5 c r - i m o 钢高l o 1 2 ，所以新型容器的材质 均是难切削加工的新材料。美国、德国、日本和原苏联等国对各种难加工材料 进行了大量的切削实验研究，并开发了适合于加工难加工材料的新型硬质合金 刀具、陶瓷刀具和超硬刀具。如原西德切削数据情报中心的i n f o s 切削数据 库和美国金属切削联合研究公司( m d c ) 的机械加工切削数据手册等便是上 述研究成果的总结，在生产中起到了指导作用。但是，上述研究成果都是针对 普通切削情况，不能解决大型容器的加工制造难题。大型容器只有少数几个工 业发达国家能够生产，对我国是严格保密的，不让参观加工现场。国内外查新 均没有大型、复杂零部件切削加工技术研究方面的报导。1 9 9 4 年，哈尔滨理工 大学和中国第一重型机械集团公司曾共同承担黑龙江省科技攻关项目，基本上 解决了2 2 5 c r - i m o 钢筒节的切削加工问题。但对于使用3 c r - i m o 0 2 5 v 钢和 2 2 5 c r - i m o 一0 2 5 v 钢两种新开发材质制造的大型容器，由于其材质粘结性更 大，高温韧性、热强性更高，切屑难于折断，切削加工性比2 2 5 c r - i m o 钢更 加困难；其次，大型容器的吨位已由四百吨提高为千吨以上，加工过程中刀具 破损严重、刀具使用寿命及生产效率很低；其三，大型容器新产品品种不断增 多。因此，大型容器的切削加工及刀具产品化问题已经成为开发大型容器新产 品的关键问题。 “ 根据查新结果，国内相关文献均未涉及本项目所开展的针对3 c r - i m o - 0 2 5 v 和2 2 5 c r o l m o 一0 2 5 v 两种钢的切削加工技术研究，国内对上述大型容器 新产品还没有系统地进行重型切削加工技术及刀具产品化的研究工作：其次， 汽轮发电机组向大型核电、百万千瓦级机组发展，水轮发电机组以三峡7 0 万 千瓦机组为代表，将给“哈电”、。哈汽”带来新的挑战和机遇；此外，新型超 硬刀具和高速铣削技术及其刀具产品化的研究和推广应用将为汽车、机床行业 哈尔滨理t 大学t 学硕+ 学位论文 的竞争能力和技术升级提供技术支撑。为提高我省重型机械、电站设备、汽 车、机床行业在国际市场上的竞争能力，研究先进的n i 技术和开发先进刀具 是紧迫而艰巨的任务和课题。 1 2 国内外刀具的发展趋势 机械工业是为国民经济各工业部门提供机电一体化技术装备的基础工业， 舍属切削加工是机械工业中的基本工艺方法。目前，凡是精度和表面加工质量 要求较高的机械零件，一般都需要经过切削加工。刀具是金属切削加工中的主 要工具，刀具在很大程度上影响着机械产品的质量与可靠性。国内外历来都十 分重视切削刀具的研究和改进。 从上个世纪7 0 年代以来，随着数控机床发展起来的数控刀具，引领着切削 刀具朝着三高一专( 高效率、高精度、高可靠性和专用化) 方向不断发展， 并把传统的刀具产品发展成为具有高附加值、高科技含量的产品。目前，在 刀具材料、涂层技术、刀具结构等方面所取得的进展均属于当代材料、信息科 学、计算机技术、微电子技术在此方面应用的最新成果。 首先在刀具材料和涂层技术方面的研究进展迅速叫”。各种刀具材料的性 能都有显著提高，形成了每类刀具材料既有独特的优势和使用范围又可互相取 代补充的格局，使切削加工的各领域、各工序的效率和总体水平有显著的提 高。硬质合合成为刀具的主要材料，出现了适用于做涂层基体的倾斜机能材料 和适合做量大面广的钻头、立铣刀、丝锥等通用刀具及i t 产业微型刀具的细颗 粒、超细颗粒硬质合金材料。这类硬质合金的强度超过了30 0 0 m p a ，甚至达到 40 0 0 m p a 以上，为普通硬质合金材料的一倍，从而扩大了硬质合金刀具的应用 范围。近年来，涂层技术取得了重大的进步，能针对刀具不同的n i 对象及使 用要求开发出多种牌号或复合多层、梯度结构、纳米结构的涂层“1 。最新的 a i c r n 涂层和t i n - s i 3 n 4 纳米结构涂层的硬度分别达至l j - j 32 0 0 h v 和40 0 0 h v ，抗 氧化温度达到l1 0 0 ( 2 ，显著地提高了刀具的切削性能，是材料科技领域咀的最 新研究成果”。又如已实用化的金刚石涂层和正在开发的c b n 涂层都属于高新技 术的范畴。 ， 其次，以可转位刀具为代表的通用车、铣和孔加工刀具及专用、复合、智 能型刀具，其创新的结构、优良的性能、复合的功能、高的加工效率和精度也 充分说明了刀具是现代科技产品。随着各种涂层硬质合金刀片、陶瓷刀片、金 刚石薄膜涂层刀片及超硬刀片应用的日益扩大，可转位结构的刀具己成为了刀 哈尔滓理t 大学t 学硕十学位论文 具结构发展的主流，已广泛应用于可转位车刀、可转位镗刀、可转位铣刀和可 转位钻头等”1 刀具领域。近年来日本、美国、德国等开发的各式装配硬质合金 刀片的涂层铣刀，不同于已往的装配式硬质合金铣刀，而是在刀片上采用了各 种特殊形状的三维槽型，刀刃也由原来的直线形变为多样化的各种螺旋形、波 形刃等，且有采用大前角、大容屑空间和高刚性刀体的趋势”3 。如日本住友电 气公司开发的装配波形刃刀片新型铣刀和螺旋形立铣刀，日本京陶公司开发的 m s 0 9 0 型端铣刀，瑞典s a n d v i k 公司开发的装配式螺旋形刀片立铣刀以及月 本神钢工具公司的带油孔喷雾冷却球头立铣刀等，都是采用了大前角、三维槽 型和非直线刃形技术的刀具。这样改进的刀具大都刀刃锋利，切削力减小，断 屑排屑性能优良，加工效率高，切削范围广，从普通钢材到不锈钢均可顺利加 工。 目前，我国已成为世界的第三大刀具市场。1 。但由于技术和装备落后等原 因，致使我国刀具在品种、质量和材料等各方面与国外相比均存在较大的差 距。日本、德国、美国等先进国家的刀具制造商正在大举抢占中国市场，使国 内的刀具企业面临新的挑战一，。 改革开放以来，我国的刀具技术取得了较大的进展，但同国外先进的刀具 技术相比较，仍然存在明显的差距，我国硬质合金产量在国际上虽然名列前 茅，但硬质合金刀具技术仍然相当落后。硬质合金刀具材料的利用率仍然较 低，一些先进刀具如陶瓷刀具、涂层刀具、聚晶金刚石( p c d ) 和聚晶立方氮化 硼刀具( p c b n ) 也应用很少。近年来我国也加强了这方面研究，劳被列入国家 “8 6 3 计划”项目和国家自然科学基金项目，目前该项技术尚处于引进、消 化、吸收阶段并取得了较大进展，但尚未进入大量自主开发商品化生产阶段。 1 3 三维槽型铣刀片在国内外的发展与应用情况 2 l 世纪，中国将成为世界制造业的中心，经济的全球化，带给中国机械行 业将是更多的机遇和更大的挑战。先进制造技术的发展、机械工业结构的调 整、高效率数控机床的使用，都要求现代刀具具有高效率、高精度、高可靠性 和专用化，即向所谓“三高一化”的特点发展，但国内刀具企业目前的现状 与这一要求还存在一定差距。改革开放后，国外刀具企业大量进入国内市场， 这给国内刀具企业带来竞争的同时，也带来了全新的技术和理念，促进了先进 刀具的发展。 2 0 世纪8 0 年代后，发达国家进入了所谓知识经济年代。传统的制造业， 哈尔滨理t 大学t 学硬+ 学位论文 也由于数控技术的普及推广而跃上一个新的发展台阶。在这种生产力发展的浪 潮中，刀具产品和技术作为制造过程的一个重要环节，也面临着巨大的挑战： 传统的千篇一律的标准化刀具，已无法满足现代制造业对提高效率和降低成本 的强烈追求。这种市场需求变化迫使工具行业放弃传统的生产模式，转向迎合 现代制造业要求的“高精度、高效率、高可靠性和专用化”的发展道路。 当前机械加工总的发展趋势是提高效率、提高精度、提高自动化程度、降 低非切削所占用的辅助时间，降低材料的消耗量，其目的就是提高生产率、缩 短生产周期，提高质量、降低成本。这个总的发展趋势反映在刀具方面，就是 开发新型刀具材料，改进、开发新结构刀具，针对各种被加工材质，优选最佳 刀具材料，设计最佳刀具结构，优选最佳几何参数，以此来提高切削用量，提 高刀具寿命、加工精度，并进行刀具的模块化、系统化和成套化工作，以适应 机械加工无人化、自动化的发展趋势。 铣刀切削性能的好坏，很大程度上取决于刀片的材质与槽型，目前应用在 数控设备和生产线等设备上的铣刀多数使用进口的具有槽型的铣刀片，以保证 生产效率、刀具寿命，而国产铣刀绝大多数配备自行磨制的平前刀面铣刀片， 其几何参数不尽合理，刀具寿命短，直接影响了生产效率。 目前，三维槽型可转位铣刀片与工业发达国家相比仍存在较大的差距，主 要表现在： 1 应用比例低，约占刀具总量的1 0 左右； 2 国产刀片品种少，缺少指导性选用原则； 3 制造质量差，使用寿命为同类国外刀片的4 0 6 0 ； 4 自主开发能力差，国内尚无一套完整的设计系统。这样就使得刀片及 槽型的开发周期长，且经济性差。在刀片的研制与设计方面，刀片槽型一部分 是自己开发设计新槽型，另一部分是消化、仿制、引进刀片新槽型，使之国产 化。 目前，全面考虑刀片的几何参数，切削刃的完整性，刀片牌号及涂层等因 素是十分重要的。而且硬质合金生产工艺的进步改善了硬质合金组织的整体质 量和切削刃的韧性，硬质合金制粉和压型技术的进步可在刀片上形成精密细微 的几何形状，这就使得开发新的铣刀片刃形和三维复杂槽型成为可能。 螺旋刃铣刀片就是在这种背景之下开发出来的，螺旋刃铣刀片已有十多年 的历史了。目前，瑞士、德国、以色列等国家的几大公司都在研究和开发这种 刀片，并在这方面取得了一定的成果。我国的几大公司也在这方面有一些研 究，但研究还不够深入，刀片的种类等也不够完善，还待于继续发展。螺旋刃 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 铣刀片以它独特的优点很快在国内外受到了很大的欢迎。 1 4 课题来源及论文主要研究的内容 本课题来源于黑龙江省重大科技攻关项目( 子项目) ：“大型、复杂零部件 用现代刀具系列产品化与开发研究”。 由于大型、复杂零部件高技术、高质量的要求，重型机械、电站设备、汽 车、机床等行业关键零部件的制造必须采用先进的加工技术和刀具，引进先进 技术装备不但要求先进的设计，更重要的还需大力提高工艺制造水平。目i i 存 在的问题是具体的零部件加工技术及先进刀具的应用与设计要求有很大差距， 以至使花费巨资引进的先进设备不能发挥应有功效。火电、水电设备复杂零部 件越来越多的采用不锈钢材料，其铣削加工已成为阻碍制造生产发电设备的一 个重要因素。如在转子( 材料为高强度合金钢2 6 c r 2 n i 4 m o v ) 槽铣削加工方 面，仅铣槽周期就达2 个月以上，其问题所在就是转子铣刀落后，国产刀片质 量差，刀具寿命低，加工一台转予需刀片3 0 0 5 0 0 片，价值2 5 力元。为在一 定程度上改变此局面，解决以哈尔滨电机有限责任公司、哈尔滨气轮机有限责 任公司为代表的在制造大型水电和火电设备中所遇到的加工技术问题，提高企 业承接大型发电设备的能力，进行关键零部件的加工技术和先进刀具产品化的 开发研究是非常必要的和具有深远的战略意义的。 课题对上述情况进行了深入的研究，研制一种全新的三维槽型的铣刀片和一 种重型车刀片，使刀具寿命、加工效率、加工质量都有很大的提高。 本论文研究的主要研究内容 1 采用不同材质、槽型的可转位铣刀片切削不同工件材料时，进行切削力 的对比实验研究；并在电机厂进行寿命对比试验研究； 2 对重型车刀片进行结构设计及槽型设计；对槽型的刃磨工艺进行理论研 究，并应用v c 对刃磨公式编写了计算应用程序； 3 对圆柱螺旋刃可转位铣刀片的刃型进行理论研究，并完成圆柱螺旋刃可 转位铣刀片的整体结构设计； 4 对圆柱螺旋刃铣刀片进行有限元分析：并对比圆柱螺旋刃铣刀片和直刃 铣刀片以及长方形铣刀片的有限元结果进行对比分析，来了解圆柱螺旋刃铣刀 片独特的刃形和修光刃在铣削过程中的作用。 生尘堡矍三查兰二兰鎏：兰堡丝三 第2 章铣刀片铣削性能试验研究 为了把三维复杂槽型铣刀片应用于实际生产中，必须对三维复杂槽型铣刀 片开展优化研究。为此选用三维复杂槽型的波形刃铣刀片和平前刀面铣刀片进 行对比实验研究；材质方面选用了超细晶粒材质z k 2 0 u f 及4 0 3 0 、4 0 4 0 等分别 对4 5 钢和z o o c r l 3 n i 5 m o 不锈钢进行了切削力对比实验研究；并对切屑形状 进行对比分析研究；还选择超细晶粒刀片与国产y t l 4 刀片、国外c y 2 5 0 刀片 进行了生产现场切削寿命对比试验。经优化得到超细晶粒材质波形刃铣刀片切 削性能优秀的结论。 2 1 铣削测试系统 本实验所采用的铣削测试及数据采集处理系统如图2 1 所示，其中测力仪 为电阻应变片式四向铣削测力仪；应变仪为y d 2 1 型动态电阻应变仪。使用 电阻应变片作为传感元件时，测量电桥的输出电压值很小，必须使用应变仪来 检测并放大这种微弱的输出信号。放大电路配合模数转换装置( a d 板) 使用， 把来自电阻应变仪的毫伏级电压放大至模数转换所需电压范围( 0 5 伏) 。经 a d 板出来的信号已是计算机所能接受的数字信号了，计算机通过采集程序， 数据处理程序对采集到的信号进行动态显示，存储及相应处理与分析。 1 铣刀盘2 测力仪 3 应变仪4 计算机( 数据记录)5 工件 图2 1 铣削测试系统图 f i g 2 一lm i l l i n gt e s t i n gs y s t e md r a w i n g - 6 - 哈尔滨理t 大学t 学硕士学位论文 为研究铣刀片的槽型、材质、涂层、切削条件等对铣削性能的影响，进而 优选出一种优秀的铣刀片，特建立铣刀片优选数据采集系统，如图2 2 所示。 采用s d c c 3 h x t m 四向测力仪，工件被固定在测力仪上，铣削时工件所 受力的变化会引起测力仪内部电阻应变片的形变，电阻应变片接通全桥式电桥 盒，电阻式应变片的形变会引起电桥的不平衡，进而引起输出电压的变化，使 用应变仪来检测并放大这种微弱的输出信号。测力仪需经标定，以便将测力时 的输出读数转换成力数值，所以当测出输出电压值的大小后就可以知道作用力 的大小，从而比较铣刀片切削性能的优劣。 图2 - 2 数据采集系统 f i g2 2d a t ac o l l e c t i o ns y s t e m 数据采集系统可测得铣削力的瞬时值，灵敏度高，抗干扰性好，能消除系 统和周围环境引起的零漂，并能对数据进行采集、回放及数据均值等处理，为 以后的铣刀片优选提供了试验基础。 2 2 动态数据采集与处理系统硬、 软件配备 系统硬件配置要求： 计算机：p e n t i u m ( p 1 3 3 ) 及以上微机 显示器：v g an0 2 4 * 7 6 8 ) 内存： 1 6 m 硬盘：筮0 0 m 山，d 卡：p c l2 1 6 k 2 前端放大： 动态电阻应变仪( v d 1 5 、y d - 2 1 、y d 2 8 等) 哈尔滨理t 大学t 学硕+ 学位论文 动态数据采集与处理软件f a s - 4 d e e 2 软件系统简介： 系统主菜单在该主菜单上，除了标准w i n d o w s 应用程序的“系统” 菜单和“最大化最小化”按钮外，还有五个菜单项。其中“文件”：在该菜 单中只有“退出”一项，为用户增加一条退出系统的途径；“查看”：在该菜 单中只有“状态栏”一个菜单项，用于显示或隐藏状态栏；“数据采集”：在 该菜单中包含“数据采集”、“数据回放”及“标定”和“数据窗口”，它们 的功能分别用于采集测力仪数据，回放已经采集的数据以及标定测力仪，查阅 数据，在进行d a t ap l a y ( 数据回放) 时，可以利用窗口下s a v ea s 按钮把本次文 件中数据存入任何指定的存储区；“数据处理”：在该菜单中包含“均值计 算”、“自相关分析”、“互相关分析”和“功率谱分析”四个功能，分别用 于处理已经采集的数据：“选项”：该功能用于配置测力仪及设置一些参数， 如采集点数、测力仪号码、数据存储方式、打印放大倍数等，用来控制数据采 集过程。动态数据采集与处理软件界面如图2 - 3 所示。 图2 - 3 动态数据采集处理系统软件界面 f i g 2 3t h ei n t e r f a c eo f d y n m n i cd a mc q u i s i t i o ns y s 钯m 2 3 铣刀片切削力的分析研究 具有高硬度和高韧性的材料是理想的刀具材料，通过细化晶粒可以使硬度 哈尔滨理t 大学- 学硕士学位论文 和韧性同时提高，即由微米级大小的晶粒烧结成的硬质合金比大晶粒材料具有 更大的硬度和韧性，而且密度高、工艺性能好；此外优选的刀具槽型可使刀具 的切削性能得到提高，以z k 2 0 u f 超细晶粒材质波形刃铣刀片为对象对其切削 性能进行了深入的实验研究。实验结果表明超细晶粒材质波形刃铣刀片多方面 切削性能均佳。 2 3 1 试验条件 机床型号：x 5 0 3 0 a 型立式升降台铣床 工件材料：4 5 钢、z g o c r l 3 n i 5 m o 不锈钢 工件规格：1 2 0 9 0 6 0 哪 面铣刀直径：1 6 0 r a m 铣削方式：单齿不对称铣削( 偏移量3 0m m ) 实验仪器：y 6 d 3 a 型动态电阻应变仪，s d c c 3 h x t m 型四向测力仪 刀片：实验所选用的铣刀片如表2 1 所示。 表2 - 1 切削力实验选取的刀片 犁号 s p c r l 5 0 4 2 4 z r 3s r c r l 5 0 4 2 4 - 日3s p k n l 5 0 4 e d 艮w hs p k n l 5 0 4 e d r - w h 槽犁 波形刃铣刀片 波形刃铣刀片 平前刀面铣刀片平前刀向铣刀片 材质z k 2 0 u f ，无涂层 z k 2 0 u f ，物理涂层4 0 3 04 0 4 0 生产 自贡硬质合金厂 自贡硬质合金厂 山特维克山特维克 厂家 实验铣削参数如表2 2 所示。 表2 - 2 切削力实验参数 t 曲l e2 - 2p a r a m 啪o f c u t t i n gf o r e x p e f i m e n t 序号 铣削参数( 切削速度屹= 1 1 0 m i n i n ) l 背吃刀鼍( m m ) 2 每齿进给鼍正( r a m z ) 0 1 、0 1 5 、o 2 2 每齿进给鼍五( n u n z ) o 2 背吃刀蕈口，( m m ) 1 5 、2 、3 ：至堡詈：銮：三：竺土竺竺兰三一 _ 2 3 2 试验准备 为了使铣削过程中的振动能达到最小，即单齿铣削力波形能较好地接近于 单脉冲函数，我们在做试验时先傲了以下的准备工作： 1 调整x 方向丝杠一螺母间隙，达到间隙最小( 能灵活运动但串动最 小) ； 2 调整x 、y 方向两工作台压板间隙到最佳状态； 3 观察x 、y 方向工作台润滑供油状态，做到充分润滑，以便克服工作台运 动爬行现象： 4 调整主轴轴承的问隙； 5 在吃刀前让工作台自动进给的距离从稍远的地方开始； 6 在正式进行切削试验时，当需要的切削用量和其它条件都确定好时，把 工作台的横向进给和纵向进给以及切深方向的进给必须分别锁死，以避免铣削 过程出现不必要的振动。 对装夹不同铣刀片时，尽量做到一致，以尽量减少安装误差造成的对铣削 力波形的干扰。此外还要注意在铣削过程中，当背吃刀量或每齿进给量增大 时，铣削力会变大，应避免电阻式应变片发生形变过大以及待测量电压超出数 据采集卡输入电压量程，可能会烧毁数据采集卡，因此在电压输入前要根据情 况对输入信号进行衰减。 2 3 3 实验结果及分析 1 4 5 钢切削力实验研究4 5 钢切削实验选用了三种材质铣刀片，分别为： s p c r l 5 0 4 2 4 z r 3 ( 超细晶粒z k 2 0 u f ，无涂层) 、s r c r l 5 0 4 2 4 一z a 3 ( 超细晶粒 z k 2 0 u f ，物理涂层) 、s a n d v i k 公司生产的s p k n l 5 0 4 e d r ( 4 0 3 0 ) 。其切 削力曲线如图2 - 4 、2 5 所示。 由图2 - 4 、2 - 5 可知：不同材质、槽形铣刀片在对4 5 钢进行切削时，背吃 刀量恒定变化进给量与进给量恒定变化背吃刀量所得切削力变化规律与切削理 论基本相符。两种超细晶粒铣刀片铣削力曲线在s p k n l 5 0 4 e d r ( 4 0 3 0 ) 铣刀 片铣削力曲线下面，这表明超细晶粒波形刃铣刀片在切削力方面优于 s p k n l 5 0 4 e d r ( 4 0 3 0 ) ；超细晶粒铣刀片( 无涂层) 切削力曲线在超细晶粒铣 刀片( 物理涂层) 切削力曲线的铣刀片上面，这表明切削4 5 钢时在切削力方 哈尔滨理t 大学_ 学硕十学位论文 面有物理涂层的刀片优于无物理涂层的刀片。 一5 0 0 一秽糊_ l 8 0 0 i 厂= o - 2 _ 一r 一。1 兽4 0 0；一 t 寰3 0 0 ，一： g 6 0 0 p 量 耋抽 。一娄器 l，i ，4 ，7 l r i 襄3 0 0 ，芝 ， 1 0 0 昼2 0 0 以f 。i | ： ! m * 鑫 “# # 。# # 黝 1 0 0 k q 。08 “一g 仉1 。o ：5，o 2 l5 23 进给量，w p 一背吃刀量。d 芦，m i 。 + s r c r i s 0 4 2 4 。z r 3 ( z i c 2 0 u f 物理袜层) - - v - - s e c e i s 0 4 2 4 一t r 3 ( z 船o u y 物理衿层) 一黜融5 0 4 2 4 。拍旺鼢d 据无滂层) + s b c r l 5 0 4 2 4 一r r 3 ( z 霞o u y 无谛层) 一s p i 氇l s 0 4 e d r ( 4 0 3 0 ，+ s p 研1 s 0 4 e d r ( 4 0 3 0 ) 图2 - 4 切削4 5 钢曲线图 图2 - 5 切削4 5 钢曲线图 f j g “g r a p ho f c u t t i n g4 5s t e e l f i g 2 5g r a p h0 f c u t t i n g4 5s t e e 2 不锈钢切削力实验结果及分析不锈钢切削力实验选用三种材质铣刀 片，分别为s p c r l 5 0 4 2 4 - z r 3 ( z k 2 0 u f ，无涂层) 、s r c r l 5 0 4 2 4 - z r 3 ( z k 2 0 u f ，物理涂层) 、s p k n l 5 0 4 e d r ( 4 0 4 0 ) ，其切削力曲线如图2 - 6 、2 - 7 所示。 鼬一一。一 一3 0 0l ，。一一”二麓一鼍 皂2 5 0；= _ ! = = = 吨 禽4 0 0 主2 0 0 ，一，”，一 a l 。； s 1 5 0 l 鞋= ， g 舞o o 置1 0 0 ； 一垦o o 乒多 卯 l l 霉甄o o 0。一一一 色。0 0 一。0 一0 2 1 5 ， 3 进给量f m r 碡暂眵7 1 置掣，捌暇， 。 + s p c r l 5 0 4 2 4 一z r 3 ( z k 2 0 u f ，无涂层) + s i c r l 5 0 4 2 4 z r 3 z i 2 0 u f ，无涂层) 。一s p c r l 5 0 d 2 4 - z r 3 ( z i ( 2 0 u f , 物理涂层) 小s 嘲s 0 4 2 4 圩3 ( z i 0 u f ，物理谛层) - s p k r l 5 0 4 z d r ( 4 0 4 0 ) r $ p i m l 5 0 4 z 强( 4 0 4 0 图2 - 6 切削不锈钢曲线图 图2 - 7 切削不锈钢曲线图 f i g 2 - 6g r a p ho f c u t t i n gs t a i n l e s ss t e e l f i g 2 - 7g r a p ho f c u t t i n gs t a i n l e s ss t e e l 由图2 - 6 、2 - 7 可知：不同材质、槽形铣刀片在对不锈钢进行切削时，背吃 l l - 芝玺篓墨三盔兰：璧圭兰竺篁三 刀量恒定变化进给量与进给量恒定变化背吃刀量所得切削力变化规律与切削理 论基本相符。 两种超细晶粒波形刃铣刀片铣削力曲线在s p k n l 5 0 4 e d r ( 4 0 4 0 ) 铣 刀片铣削力曲线下面，这表明超细晶粒波形刃铣刀片在切削力方面优于 s p k n l 5 0 4 e d r ( 4 0 4 0 ) 。 切削4 5 钢时，采用s r c r l 5 0 4 2 4 z r ( z k 2 0 u f ，物理涂层) 铣刀片切削力 最低，主要原因是由于具有物理涂层使刀具和切屑之白j 摩擦系数降低：同时涂 层使切屑底层与刀片基体隔离从而使刀屑之间的粘结降低。 超细晶粒波形刃铣刀片的铣削力明显小于其他材质的平前刀面铣刀片。其 主要原因是超细晶粒材质结构致密，强度上升，摩擦系数降低；同时波形刃槽 形前角大并使受力情况部分抵消所致。 2 4 切屑形状的对比分析 2 4 14 5 钢切削实验的切屑对比分析 切削4 5 钢切削力实验过程中收集了切屑，切屑形状如图2 - 8 所示。 a ) b )c ) 图2 8 切削4 5 钢切屑照相图 f i g 2 - 8c h i pp h o t o g r a p ho f 4 5s t e e l 图2 8a ) 为s p c r l 5 0 4 2 4 z r 3 ( z k 2 0 u f ，无涂层) 铣刀片切削生成的切屑 照相图；b ) 为s r c r l 5 0 4 2 4 z r 3 ( z k 2 0 u f ，物理涂层) 铣刀片切削生成的切屑 照相图：c ) 为s p k n l 5 0 4 e d r ( 4 0 3 0 ) 铣刀片切削生成的切屑照相图。两种超 细晶粒铣刀片受波形刃及波形曲面前刀面影响切屑为短螺卷屑， s p k n l 5 0 4 e d r ( 4 0 3 0 ) 为大c 形切屑。 1 2 哈尔滨理工大学 学碗七学位论文 2 4 2 不锈钢切削实验的切屑对比分析 切削不锈钢切削力实验过程中收集了切屑，切屑如图2 - 9 所示。 a ) b )c ) 图2 - 9 切削不锈钢切屑照相图 f i g 2 9c h i pp h o t o g r a p ho f s t a i n l e s ss t e e l 图2 - 9 中a ) 为s r c r l 5 0 4 2 4 z r 3 ( z k 2 0 u f ，物理涂层) 铣刀片切削生成的 切屑照相图；b ) 为s r c r l 5 0 4 2 4 z r 3 ( z k 2 0 u f ，无涂层) 铣刀片切削生成的切 屑照相图；c ) 为s p k n l 5 0 4 e d r ( 4 0 4 0 ) 铣刀片切削生成的切屑照相图。两种 超细晶粒铣刀片的切屑为短螺卷屑，s p k n l 5 0 4 e d r ( 4 0 4 0 ) 为大c 形切屑。 2 4 3 螺卷屑形状的理论分析 波形刃铣刀片、平前刀面铣刀片与切屑粘结的情况如图2 1 0 所示，图2 1 0 中a ) 为波形刃铣刀片与切屑粘结情况的照相图；图2 i o 中b ) 为平前刀面 铣刀片与切屑粘结情况的照相图。 a ) b ) 图2 - 1 0 波形刃、平前刀面铣刀片与切屑粘结情况照相图 f i g 2 - 1 0f e l tp h o t o g r a p hb e t w e e nm i l l i n gc u t c e fo f w a v e - e d g e f l a tr a k ef a c ea n dc h i p 波形刃铣刀片切削生成的切屑为短螺卷屑，下面对短螺卷屑的形状参数进 行理论分析。 a 螺旋形切屑半径： t ， p = r = 卫c o s 口 ( 2 - 1 ) 式中巧一一为切屑流出速度； 一一为切屑合成运动角速度： 一一为螺旋升角 b 螺距： p 2 2 x r t a n f l ( 2 2 ) c 切屑光滑面与螺旋形切屑回转轴线的夹角口由( 2 3 ) 式求得： 1 t a n 0 = 式中e , o 一一为切屑上卷半径； 冠一一为切屑横卷半径； 兄一一为扭卷半径； ( 2 - 3 ) 哈尔滨理_ 大学t 学硕十学位论文 一一为流屑角； 皖一一为背出屑角 对比波形刃铣刀片切削生成的切屑形状和平前刀面铣刀片切削生成的切屑 形状可知，波形刃铣刀片切削生成的切屑的屑形为短螺旋屑，平前刀面铣刀片 切削生成的切屑的屑形为大c 形屑。由图2 1 0 可知，受波形刃槽形影响，波 形刃铣刀片切削生成的切屑形状成短螺卷状，与平前刀面铣刀片切削生成的切 屑对比，在切屑流出速度相同情况下，螺卷屑螺旋卷的半径胄小。由公式2 1 可知，切屑合成旋转角速度国大；由公式2 2 可知，螺旋形切屑的螺距p 小；由图2 8 及图2 - 9 可知：夹角口也小；则切屑与刀片的接触时间短，减小 了刀具与切屑之b j 的粘结及刀具的粘结破损，提高了刀具寿命。 2 5 刀具的损坏与寿命 切削金属时，刀具一方面切下切屑，另一方面刀具本身也要发生损坏。刀 具损坏的形式主要有磨损和破损两类。前者是连续的逐渐磨损；后者包括冲击 破损( 如崩刃、碎断、剥落、裂纹破损等) 和粘结破损两种。刀具磨损后，使 工件加工精度降低，表面粗糙度值增大，并导致切削力加大、切削温度升高， 甚至产生振动，不能继续正常切削。因此，刀具磨损直接影响加工效率、质量 和成本。 刀具破损和刀具磨损一样，也是刀具失效的一种形式，刀具在一定的条件 下使用时，如果它经受不住过大的应力( 切削力或热应力) ，就可能发生突然 损坏，使刀具提前失去切削能力，这种情况就称为刀具破损。 刀具破损不仅使加工无法进行下去，而且还可能发生废品或者造成事故。 因此，研究刀具破损的机理，采取有效措施防止刀具破损的发生切削，是十分 重要的。在实验中，铣刀片的损坏形式也在很大程度上反映了刀片的性能。 2 5 1实验条件 刀片寿命实验需要切削大量的工件材料，不宜在实验室进行，因此选择 在哈尔滨电机厂生产现场进行。 1 工件 哈尔滨理丁大学 学顾卜学位论文 工件为3 0 0 0 吨油压机平台，材质为z g 3 5 c r m o 的铸钢件，尺寸为 2 8 0 0 1 6 0 0 1 2 0 0 m m ，重1 9 吨。 2 机床：采用重型铣床加工 3 切削用量 转速为6 5 r r a i n ，即线速度为8 1 6 5 m m i n ；进给量o 1 m m z ；背吃刀量为 2 m m 。 4 刀具 刀盘直径为4 0 0 m m ，刀盘上共有2 4 齿， 同时使用2 4 片铣刀片，如图2 1 2 刀盘照片图 所示。实验用铣刀片为：s r c r l 5 0 4 2 4 - z r 3 ( z k 2 0 u f ，物理涂层) 超细晶粒波形刃铣刀 片、国产1 4 平前刀面铣刀片及s p k 5 3 t r - g 3 ( c y 2 5 0 ) 日本日立公司生产的平前刀面铣刀 片，采取上述三种刀片进行对比实验。 2 5 2 实验结果及分析 图2 1 2 刀盘照相图 f i g ，2 1 2p h o t o g r a p ho f c u t t e r h e a d 其中s r c r l 5 0 4 2 4 z r