（机械电子工程专业论文）高效盘形齿轮铣刀及铣削过程的研究.pdf

堂燮 3 掣必必 摘要 利用高效盘形齿轮铣刀对大模数齿轮进行数控加工，因其具有高效率、低污染、低 成本等诸多优势，在风电、汽车及工程机械行业得到了越来越广泛的应用。但因国内相 对缺乏对高效盘形齿轮铣刀铣削过程的深入研究，使得在实际生产中未能充分发挥其优 越性。本文以高效齿轮盘铣刀的材料、结构、铣削理论、铣削实验及有限元分析技术为 基础，针对齿轮铣削过程中的铣削力、铣削热及热与应力耦合场的研究。主要研究内容 如下： 1 ) 利用坐标变换关系，推导了高效盘形齿轮铣刀的齿廓曲线，建立了盘形铣刀的一般 齿廓方程；利用盘形齿轮铣刀刀刃相对于工件的运动轨迹是一条延长摆线的原理，推导 了铣刀与工件接触线长度计算公式，为后续铣削力的研究提供了理论依据。 2 ) 依据铣削力的基本关系，建立了高效盘形铣刀铣削力的力学模型。根据盘形齿轮铣 刀在实际生产加工过程中采用顺铣法和逆铣法的不同性能，分析了铣削力模型中影响铣 削力的关键因素：刀具与工件的接触线长度、铣削厚度和铣刀刀刃钝圆半径。在铣削力 试验的基础上，得出铣刀刀刃钝圆半径是高效盘形齿轮铣刀采用顺铣与逆铣性能差异的 主要原因；并据此修正传统的铣削力公式，得出了包含工艺修正系数的铣削力公式。 3 ) 根据金属切削原理，对铣削热的产生和对产品加工的影响进行了分析；建立切削温 度场一般模型，证实了铣刀最高切削温度位于刀具刀刃，并估计了铣刀加工时的切削热 和切削温度；建立高效盘形齿轮铣刀三维模型，采用有限元分析软件a n s y s1 0 对盘铣 刀的三维模型进行了温度场分析，并将温度场分析结果作为边界条件，利用间接法对高 效盘形齿轮铣刀的热与应力耦合场进行了有限元分析。得出了铣刀铣削过程中刀片和刀 体的温度分布图和热与应力耦合场的m i s e s 应力分布图以及刀体位移变形图。为提高盘 铣刀的切削性能和设计精度提供了理论参考。 关键词：高效盘形齿轮铣刀切削力切削机理顺铣逆铣铣削热 a b s t r a c t a b s t r a c t t h eh i g h l ye f f e c t i v ed i s cg e a rc u r e ri sw i d e l yu s e di nw i n d p o w e r , a u t o m o b i l ea n d e n g i n e e r i n gm e c h a n i c a li n d u s t r yb e c a u s e i th a sl o t so fo u t s t a n d i n ga d v a n t a g e so fh i g h e f f i c i e n c y , c l e a n a n dl o wc o s t c o m p a r e dt oc o n v e n t i o n a lm e t h o d h o w e v e r ，d u et ot h e d e f i c i e n c yo fm i l l i n gp r o c e s si n v e s t i g a t i o n s a sar e s u l t ，t h es u p e r i o r i t yo ft h eh i g h l ye f f e c t i v e d i s cg e a rc u r e rc a nn o tb eb r o u g h ti n t op l a ya d e q u a t e l y t h u s ，w i t ht h ec o n s i d e r a t i o no f d e v e l o p i n gt r e n do fg e a r - c u r i n g ，t h i sp a p e rc o m b i n e dw i t ht h et o o lm a t e r i a l ，t o o ls t r u c t u r e ， m i l l i n gt h e o r y , m i l l i n ge x p e r i m e n ta n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st e c h n o l o g y ，s e v e r a lr e s e a r c ho n m i l l i n gf o r c e ，m i l l i n gt h e r m a l ，t h e r m a la n ds t r e s sc o u p l e df i e l d s w e r ec o n d u c t e da n d s u m m a r i z ea sf o l l o w s 1 ) u s i n gc o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n ，t h ep r o f i l eo ft h ec u r e ra n dt h et o o t h s h a p e dc u r v e sa r e d e d u c e da n dt h et o o t hp r o f i l ee q u a t i o ni se s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt ot h et h e o r yt h a tm o v i n g t r a c ko fd i s cg e a rc u r e re d g ei nw o r k p i e c ei sas u p e r i o rt r o c h o i d ，c o n t a c tl i n el e n g t hf o r m u l a o fc u r e ra n dw o r k p i e c ei sd e d u c e d ，w h i c hg i v e st h e o r e t i c a lb a s i sf o rf u r t h e rs t u d y 2 ) c u r i n gf o r c em o d e lo fh i g he f f i c i e n c yd i s cc u r e ri se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ob a s i cr e l a t i o n o fc u r i n gf o r c e a c c o r d i n gt od i f f e r e n tp e r f o r m a n c eo fd o w nm i l l i n gm e t h o da n du pm i l l i n g m e t h o di nm a n u f a c t u r eo fd i s cc u r e r , t h ek e yf a c t o r sa f f e c tc u r i n gf o r c e ，c o n t a c tl i n el e n g t h o fc u r e ra n dw o r k p i e c e ，c u r i n gt h i c k n e s s ，a n dc u r e re d g eb l u n tc i r c l er a d i u s ，a r es t u d i e d o n t h eb a s i so fc u r i n gf o r c ee x p e r i m e n t ，t h em a i nr e a s o no fh i g h e f f i c i e n c yd i s c c u r e r p e r f o r m a n c ed i f f e r e n c ei s c u r e re d g eb l u n tc i r c l er a d i u si nd o w nm i l l i n ga n du pm i l l i n g ， w h i c hi sn o tr e l a t e dt oc o n t a c tl i n el e n g t ho fc u r e ra n dw o r k p i e c e ，c u r i n gt h i c k n e s s ；c u r i n g f o r c ef o r m u l ai sm o d i f i e da c c o r d i n gt ot h e o r e t i c a lr e s e a r c h ，a n dc u r i n gf o r c ef o r m u l a c o n t a i n i n gm o d i f i e dc o e f f i c i e n ti sg a i n e d t h ec o n c l u s i o ni sc l e a rt h a tw h e nh i g he f f i c i e n c y d i s cc u r e ri su s e d ，d o w nm i l l i n gm e t h o di sm u c hb e r e r 3 ) a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l e sc u r i n gm e t a l ，t h ee x i s r i n ga n de f f e c t so np r o d u c t so fc u r i n g h e a ti sa n a l y z e d o nt h eb a s i so fc o m m o nm o d e lo fc u r i n gt e m p e r a t u r ef i e l d ，t h eh i g h e s t c u r i n gt e m p e r a t u r ea tc u r e re d g ei sp r o v e d ，a n dc u r i n gh e a ta n dc u r i n gt e m p e r a t u r ea r e e v a l u a t e d ；t h e3 dm o d e lo fh i g he f f i c i e n c yd i s cc u t t e ri sf o u n d e db yp r o e ，t e m p e r a t u r ef i e l d a n a l y s i so fh i 【g he f f i c i e n c yd i s cc u r e r3d m o d e li ss t u d i e db yf i n i t ee l e m e n ts o f t - w a r ea n s y s 10 c o n s i d e r i n gt e m p e r a t u r ef i e l da n a l y s i sr e s u l t sa sl o a d s ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fh i g h e f f i c i e n c yd i s cc u r e rh e a ta n ds t r e s sc o u p l i n gf i e l di sd o n eu s i n gi n d i r e c tm e t h o d t e m p e r a t u r e i i 硕士学位论文 p r o f i l eo fb l a d ea n dc u t t e rb o d y , m i s e ss t r e s sp r o f i l e ，a n dc u t t e rd i s p l a c e m e n td e f o r m a t i o n g r a p ha r eg a i n e di nt h ec u t t i n gp r o c e s s c u t t e rd i s p l a c e m e n td e f o r m a t i o nn u m b e rr a n g ei s g a i n e d f r o mc u r e rd i s p l a c e m e n td e f o r m a t i o ng r a p h ，w h i c hg i v e st h e o r e t i c a lr e f e r e n c et o i m p r o v i n gc u t t i n gp e r f o r m a n c ea n dd e s i g np r e c i s i o no f c u t t e r k e y w o r d s ：h i g h l ye f f e c t i v ed i s k g e a rm i l l i n gc u t t e r , m i l l i n gf o r c e ，c u t t i n g m e c h a n i s m ，d o w nm i l l i n g ，u pm i l l i n g i i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 高效盘形齿轮铣刀铣齿技术现状1 1 2 高效盘形齿轮铣刀研究存在的主要问题7 1 3本课题的研究意义及主要内容8 1 3 1 本课题的研究意义8 1 3 2 课题研究的主要内容1 0 第2 章盘形齿轮铣刀的齿廓形状计算1 2 2 1 高效齿轮铣刀的材料1 2 2 2 高效齿轮铣刀的结构1 5 2 3 铣刀齿廓渐开线1 7 2 4 齿廓方程计算2 0 2 5 齿廓与工件的接触线长度的计算2 4 2 6 本章小结2 6 第3 章高效齿轮铣刀铣削力模型的建立及实验研究2 7 3 1 铣削力建模方法2 7 3 2 盘形铣刀铣齿的理论基础及切削力模型及分析3 0 3 2 1 铣削力的基本关系3l 3 2 2 盘形齿轮铣刀切削力模型3 3 3 3 高效盘形齿轮铣刀切削力的实验研究3 7 3 3 1 铣削接触线的计算及比较3 7 3 3 2 铣削厚度的计算4 0 3 3 3 刀刃钝圆半径p 对铣削力的影响4 1 3 3 4 铣削实验研究4 4 3 - 3 5 试验结果的分析和讨论4 7 3 4 本章小结4 8 第4 章高效盘形铣刀温度与应力耦合场的研究。4 9 4 1 盘形铣刀切削温度的产生及影响4 9 硕士学位论文 4 1 1 金属切削热的产生4 9 4 1 2 铣刀温度的主要来源5 0 4 1 3 切削温度对加工的影响5 l 4 2 高效盘形铣刀切削温度场的理论分析5 2 4 2 1 切削温度场的一般模型5 2 4 2 2 盘形铣刀铣削加工切削热分析5 5 4 2 3 盘形铣刀最高切削温度求解5 5 4 2 4 盘铣刀切削加工切削热与切削温度估计5 6 4 3 高效盘形铣齿刀温度场的有限元模拟5 7 4 3 。1 有限元方法简介5 7 4 3 2 盘形铣齿铣刀温度场和应力场耦合的有限元模拟5 8 4 3 3 盘形齿轮铣刀实体模型的建立5 9 4 3 4 盘形铣刀有限元分析的求解5 9 4 3 5 盘形铣刀热、力耦合分析6 3 4 4 本章小结6 5 第5 章结论和展望6 6 5 1结论6 6 5 2 展望6 6 参考文献6 8 攻读硕士学位期间取得的成果。7 l 致谢7 2 v 硕士学位论文 第1 章绪论 大模数齿轮是工程机械、风力发电、船舶等行业重要的基础传动元件，其市场需求 量日益增多，与其相关的加工行业亟需提高内齿轮的生产效率，以满足市场齿轮。所以， 如何大幅度提高齿轮的加工效率一直是行业的关注焦点。二十一世纪的制造业将日益走 向全球化，国际制成品市场的竞争将愈加激烈，由此要求制造企业必须满足市场现有和 潜在的需求，并做出快速响应。这就必将使制造加工技术朝着快速、低消耗和优质、高 精度的方向发展。以高效率和高精度为基本特征的高速铣齿技术，是近2 0 多年来迅速崛 起的先进制造技术之一。 本课题来源于江苏省工业装备数字制造及控制技术重点实验室高技术项目 ( b m 2 0 0 7 2 0 1 ) 、江苏省高校科研成果产业化推进项目( j h 0 7 0 1 3 ) 及南京市科技计划 项目( 2 0 0 6 0 2 0 9 5 ) 。依托南京工业江苏省工业装备数字制造及控制技术重点实验室，借 助该实验室和马鞍山方圆支承( 集团) 有限责任公司的设备条件，进行高速铣齿切削力 及切削机理方面的研究。 1 1高效盘形齿轮铣刀铣齿技术现状 1 高效盘形齿轮铣刀的应用现状 近几年来，我国的机械制造业发展迅猛，大模数齿轮作为重型机械传动的主要核心 部件，市场对齿轮加工产品的数量和质量都提出了更高的要求。以往粗加工该类齿轮通 常是用指状铣刀铣削或用滚刀滚削等方法完成；但是当加工中硬齿面或硬齿面齿轮时， 这几种加工方法刀具磨损快，加工效率低，不能满足用户日益增长的要求，所以提高它 的加工效率一直是行业关注的焦点，可以说如何大幅度提高生产效率已成为燃眉之急。 盘形齿轮铣刀的技术代表：可转位大模数齿轮粗铣刀既高效盘形齿轮铣刀就是在切 削技术的进步和产品市场升级更新的结果。其在大模数齿轮加工特别是内齿轮的粗加工 中，具有独特的优势。目前国际齿轮铣刀市场上，德国英格索尔( i n g e r s o l l ) 和费特 ( l m t f e r e ) 公司的高效盘形齿轮铣刀占据了主要份额。他们不仅开发出了多系列的粗 铣刀具，还开发出了可以完成加工渐开线齿形的精铣刀。i n g e r s o l l 公司，研制的内冷式 可转位盘形齿轮铣刀已经面世。在国内，以哈尔滨第一工具厂为代表的刀具公司经过多 年的研究，其开发的可转位盘形粗铣刀以在国内得到了大量运用，目前正在积极开发可 第1 章绪论 转位精铣刀。哈尔滨第一工具厂研制的可转位盘形铣刀采用立装刀片结构型式，刀片为 切向安装，切削力方向硬质合金截面大，抗压力强度高，因而可进行大切深、大走刀量。 刀片采用切削力夹紧，随着切削力的增大，夹紧力增大，省去了夹紧元件，增加了铣刀 的有效排屑空间。顶刃采用适宜的刀片，完成顶刃全型线的完整搭接，能够承受大的切 削抗力；侧刃刀片可以开前角，切削轻快，又可减少由于切削热而产生的工件表面硬化 皮，保证工件在后续工序中易被加工。由于顶刃加工状态比较恶劣，刀片易磨损，将顶 刃有效齿数增加为侧刃刀片有效齿数的2 倍，既可以满足加工要求，又可提高效率。加 大铣刀的排屑槽，增加容屑空间，保证排屑顺畅。该铣刀为齿轮粗加工使用，给后续加 工留余量约1 5 一 2 m m ，余量均匀。 该类铣刀一般采用的切削参数( 采用国产非涂层刀片) 为【i 】：切削速度l o o m m i n 左 右；迸给量0 2 - - - 0 5 m m 有效齿，视切深大小可一刀或分两三刀加工完成，采用涂层刀 片线速度还可提高，切削效率可以达到滚刀的5 倍以上、指状铣刀的2 0 倍以上，属于高 效粗加工铣削刀具。 目前，使用该类齿轮铣刀的机床通常为价格昂贵的进口高速滚铣两用机床或改造滚 齿机，国内以滚齿机居多。南京工业大学机电一体化研究所课题组研制的高速铣齿机以 其性能和价格的优势在国内数十家齿轮加工和轴承行业骨干企业得到了成功应用，拥有 了一定的市场占有率。使可转位齿轮盘铣刀的到了越来越广泛的应用，同时也有力地促 进了国内齿轮加工业的技术进步。 在高速铣齿机床上应用该类铣刀，机床转速高、刚性好，铣刀可以采用较大的切削 参数。在某厂进行切削试验，被加工工件模数为1 2 m m ，铣刀直径4 0 0 m m ，铣刀盘转速 9 5 r m i n ，切削进给速度为1 4 0 m m m i n ，一刀切，吃刀量为3 0 m m 切削平稳，效率大大提 高，加工后的工件表面粗糙度也较好。 2 高效铣齿切削力的研究现状 国外对铣齿过程的仿真技术十分重视，西德和日本早在7 0 年代就开始了研究，并且 有的已应用到生产实践中去了，如西德的研究能够对被加工参数进行优化，给出最佳的 切削条件 5 】。前苏联从8 4 年以后也陆续有文章发表，他们均用不同的方法建立了滚齿切 削过程的数学模型，并在此基础上分析了不同刀齿的切削图形、工作角度、切削负荷等， 有的还分析了各种因素对加工精度、表面质量和刀具磨损的影响度等，得出了一些有益 的结论。在研究的具体方法上，他们又有所区别。 以梅崎洋二为代表的日本学者，从7 0 年代末就开始对滚齿过程进行计算机仿真研 究，建立了滚齿过程的数学模型。他们利用自己建立的数学模型以及通过试验方法对如 2 硕士学位论文 何确定切削力和力矩做了很多研究工作，计算了滚刀的几何误差对被加工齿轮精度的影 响，并且提出了一些提高滚齿精度的办法。他们用滚刀加工只有一个齿的齿轮，记录下 切削力矩变化的波形图，发现这个波形与数学模型计算出的理论值很相似，说明数学模 型能客观地模拟滚齿加工过程 6 j 。 由于铣刀刀齿的切削力受被切材料和切削条件( 包括模数、切削速度、进给速度、 铣刀刀齿数、切屑形状等) 的影响，因此在每个位置，刀齿的切削力并不相同。他们用 车削代替铣削，采用横向进给，车刀的刀刃同铣刀的刀齿一样，尽可能的模拟铣齿的切 削状态。在考虑两个因素即材料和切削条件的情况下，他们发现切削力随模数的增大而 减小，随进给速度的增大而减小，随铣刀刀齿数的增加而减小，而切削速度的影响很小； 不同材料的毛坯，影响切削力的主要因素是粘附在切削刃上的切屑，即积屑瘤的影响p 】。 前苏联学者认为，决定切削力的主要因素是加工过程中铣刀切下的切屑层的尺寸变 化，而和其他加工方法相比，用铣刀加工齿轮产生的切屑形状以及其形成机制比较复杂。 他们就是从铣齿过程中产生的不断变化的切屑尺寸形状入手，逐步建立了铣齿切削过程 的数学模型。 根据工件与刀具的运动关系，前苏联学者分析了切屑截面边界点分布的各种可能性， 研究了各种可能的切削方式，并预先用计算机计算了铣齿过程中各种情况下的边界点坐 标，确定出刀齿切削刃在切削区的位置，并且确定出由铣刀刀齿左侧刃、右侧刃和顶刃 切下的切屑可能形式。切屑宽度由切削刃与毛坯的接触线长度确定，而切屑厚度由切屑 截面积与其宽度的比值来确定。对每种切屑截面形状都导出了根据边界点计算其宽度和 厚度的公式。前苏联学者发现切削力的变化与切屑宽度b 的变化成比例，而切屑厚度a 对切削力的影响较小，因此得出表征切削负荷数值的综合系数k ，有关系式k = a 卜x b 。对 整个铣刀来说，其切削截面参数的计算要考虑刀齿切削刃的相互位置。 根据所提出的分析方法，前苏联学者用f o r t r a n 语言编写了计算机程序。针对铣齿加 工各种典型情况计算了切削截面的参数，按照这些铣齿条件都实际测量了切削力的圆周 分力，得出圆周分力p 的实际测量结果和反映铣刀切削负荷的切屑截面综合系数k p 有 关系k p _ a o 7 5 b 。加工直齿轮向= 1 0 m m ，z = 5 0 ) ，全齿深为2 2 5 m m ，逆铣，进给量3 m m r ， 圆周力的方波和切屑截面综合参数曲线形状相当吻合【6 】。 我国对铣齿切削过程的研究尚属起步，目前还没有人对此进行过系统的研究。对滚 齿技术开展了部分研究。辽宁工学院利用a u t o c a d 开发了一套动态显示滚齿加工原理 的三维仿真软件。在输入相关参数后，可清楚的显示滚刀旋转、滚刀进给、工件旋转与 齿轮形成的整个过程。华北电力学院把刀具各刀刃的实际廓形以工件回转角为基本参数 3 第l 章绪论 转换到工件坐标系上，建立比较符合实际的滚齿过程数学模型，求出实际方程，利用数 值计算方法求出齿形误差，实现了滚齿过程及齿形误差检测过程的仿真。东华大学提出 了以齿条取代滚刀的等价加工模型，描述了曲线包络得到被加工齿轮的齿廓的分析方法， 应用v i s u a lb a s i c6 实现对模拟系统的编程。燕山大学提出了滚齿时基面内切削厚度的计 算方法 6 】。但总的来说，这些研究均从某一个局部或某一个侧面进行探讨，并且针对切 削力的计算模型几乎尚未涉足，因而尚未达到系统和深入的程度，距实用化还有一定的 距离。 上述国内外研究现状，可以看出：在齿轮加工也中，铣齿法研究得较少，而对滚齿 法研究得相对较多。国外的研究起步早，研究的也比较深入和系统。但是他们所建立的 切削过程的数学模型并不十分完善。日本学者建立的数学模型，在原理上有较大误差存 在，如切削面积以及由此推导出的面积矩就存在着方法误差，在分析齿形误差时也没有 充分考虑到展成过程中的误差均化现象，而且叠代速度慢，没有充分分析切削刃的实际 工作角度。前苏联学者的数学模型在计算切削面积时用的公式非常之多，显得过于复杂， 计算量也大得多。而且，国外这些学者的研究范围大多局限在直齿圆柱齿轮或螺旋角很 小的斜齿轮上，计算机输出的结果也不够直观，研究者必须进一步处理才能对滚齿过程 进行深入了解。此外，除个别文献外，大多数文献对模型的介绍很笼统，具体细节根本 没有公布，直接借鉴尚有一定困难。国内的研究近年来发展较快，但由于计算机硬件的 局限，仿真效果并不十分理想，特别是距真正用于生产实践还有一定的距离【6 】。 3 高效铣齿的研究现状 高速铣齿就是采用高效盘形铣刀以较高的切削速度进行铣齿加工的方法。可使用冷 却液和润滑油剂或不使用冷却液进行切削。属于成型法加工齿轮的工艺范畴。在传统的 齿轮加工中，通常因使用整体合金盘形铣刀，造成齿轮加工效率低，刀具寿命短，而且 齿轮刀具制作成本较高和重磨困难等原因而在齿轮加工业中使用较少。随着高效盘形齿 轮铣刀的研究和制作技术的突破，特别是可转位盘形齿轮铣刀的成功应用为高速数控铣 床机械的成功研制提供了必要的基础条件。按照环保观点，切削油中要限制使用硫化物， 禁止含有氯化物和异味，否则对生态环境及操作者的健康特别有害。从生态学和技术经 济角度出发，废除切削油是大势所趋，也是近年来讨论的热点，所以利用高效盘形齿轮 铣刀高速铣齿的干式齿轮加工方法得到了越来越广泛的运用。因此，对高效盘形可转位 齿轮铣刀的几何原理及切削机理的研究将为高速数控铣齿机技术的发展及完善提供基础 理论的依据。 高速铣齿与传统的齿轮加工相比具有显著优点 4 硕士学位论文 1 ) 随着切削速度和进给速度的提高，单位时间的材料切除率大大增加，从而缩短了切 削加工工时，提高了生产效率，降低了加工成本。 2 ) 较高的切削速度使得大量的切削热来不及传给工件就被切屑带走，工件表面受热变 形小，适合加工容易热变形的零件。 3 ) 由于采用了较高的切削速度和进给速度，允许采用较小的每齿进给量行切削加工。 切削力大幅度减少，切削热也随之下降，工艺系统变形减小。 4 ) 采用热硬性好的刀具材料，常常可以不用切削液进行干切削，减少了环境污染。 因此高速铣齿具有提高生产效率，降低切削力，提高加工精度和表面质量，降低生 产成本并且可加工高硬材料等许多优点，可广泛用于航空、汽车、模具等制造业中，获 得重大的经济效益，对提高滚齿加工技术的水平，推动机械制造技术的进步具有深远的 意义。 高速切削加工是在上世纪2 0 年代由德国的萨洛蒙博士提出，1 9 3 1 年4 月他发表了 著名的切削速度与切削温度理论。该理论的核心是建立在一个设想基础上的，即切削温 度一般总是随着切削速度的提高而上升，但上升到一定程度后就达到了极限。在这之后， 切削速度继续提高切削温度反而开始下降。近年来，在高速切削机理研究方面，成就比 较突出的是美国洛克希德导弹和空间公司的科学家罗伯特金( r o b e r ti k i n g ) 和麦克 唐纳( m c d o n a l d ) 。他们在2 0 世纪7 0 年代中期开始着手验证和发展沃汉( v a u g h a n ) 的 研究结论，并提出了一个比较完整和可靠的高速切削机理，从理论上证实了高速切削的 可行性和优越性。他们的研究主要集中在切屑成型理论、金属断裂、突变滑移、绝热剪 切及各种材料的切屑成型方面【2 】。早在6 0 年代初，美国空军就开始了超高速切削机理的 研究。1 9 7 9 年，美国国防高科技技术研究总署规划了超高速切削基础技术研究。美国福 特公司的印第安那工厂，在世界上最先将干式高速滚齿成功地用于实际生产。该厂以难 度较大的大螺旋角转向齿轮作为攻关对象，材料为s a e l 0 4 5 ，硬度2 2 r c ，采用硬质合金 滚刀干滚，最终将生产时间压缩4 6 ，生产成本降低2 9 ，刀具寿命延长4 倍，工件的 几何精度和齿面粗糙度都得到了改善。美国格里森公司用硬质合金铣刀在p h o e n i x 机床 上用于式切削法加工锥齿轮，与传统的高速钢刀具湿式切削法相比，降低切削时间约5 0 ，而且齿轮的表面光洁度也大大提高【i 】。德国英格索尔公司( i n g e r s o l l ) 和费特 ( l m t f e r e ) 公司的硬质合金刀具铣切齿轮也取得显著成果，并且占据了我国进口高效 齿轮铣刀的主要份额。美国俄亥俄州大学的工程研究中心进行了大量的高速切削试验研 究工作，并建立了包括切削速度、进给量、刀具几何参数和适合高速切削的刀具材料等 内容的高速切削数据库。研究中采用了虚拟切削的方法，使用了功能强大的仿真软件包。 5 第1 章绪论 只要改变参数，就能进行不同的切削实验，大大加快了研究工作进程。该研究中心与日 本牧野公司( m a k i n o ) 合作，采用牧野公司的卧式加工中心来验证仿真结果，进一步提 高仿真精度，使仿真结果更接近于实际。特别是对切削热的产生和散热方面进行了系统 研究，得出的结论很有意义。 日本也于6 0 年代开始了超高速切削机理的研究，注意吸收各国的研究成果并将其应 用到新产品的开发上，进入9 0 年代，以松浦、牧野、马扎克等公司为代表的一些机床制 造厂，已将一批高速加工机床推向市场。日本尖端技术研究会己把超高速切削列为五大 现代制造技术之一。日本坚藤铁工所开发的k c 2 5 0 h 型铣齿机，采用硬质合金滚刀、冷 风冷却、微量润滑，进行高速滚齿，由于供给的是温度稳定的冷风，工件的热变形极小。 它与传统的采用高速钢滚刀和二刃型湿式滚齿机相比，加工速度提高了3 2 倍，齿轮精 度也明显提高。日本三菱公司采用涂层高速钢铣刀滚切齿轮时切削速度可达2 0 0 m m i n ， 是传统滚切速度的2 倍。 在德国，高速切削得到了国家研究技术部的高度重视，1 9 8 4 年拨款1 1 6 0 万马克组 织了以d a r m s t a d t 工业大学的生产工程与机床研究所为首的4 1 家单位进行联合研究，全 面系统地研究了超高速切削机床、刀具、控制系统等相关的高速加工技术，并分别对各 种工件材料的高速切削性能进行了深入的研究和试验。德国在高速干式切削领域中处于 领先地位，现有8 左右的企业采用干式切削，这预示着高速铣齿技术将是未来齿轮加 工发展的一个方向。 目前，我国对高速铣齿技术的研究还比较少，在这方面的研究成果也比较少，不过 有关单位亦有不小进步。北京理工大学较为系统地研究了软钢、灰铸铁、高强度装甲钢 的高速铣削和淬硬钢、钨合金和硅铁的高速车削机理及刀具安全结构问题。山东大学对 高速铣削状态下刀具的磨损状态、磨损机理进行了研究，分析了引起主轴一刀具系统不 平衡的因素并研究了刀具的动平衡技术。上海交通大学研究超高速铣削硬铝时切削力和 切削温度的动态规律，表明只有超过某一临界速度，铣削力和铣削温度才开始明显下降。 南京航空航天大学一直致力于难加工材料的切削研究，尤其是在切削加工钛合金领域已 取得很多阶段性成果。西北工业大学研究了高速铣削钛合金时刀具适配和参数优化问题， 采用红外辐射测温技术对铝合金高速铣削温度进行了间接测量，发现了其速度临界点。 南京工业大学在高效数控铣齿专用设备、螺旋曲面、大重型机床数字化再制造等方面的 研究基础近几年取得了长足的进步，取得的成果和技术优势已成功转化为市场产品。其 研制的数控高速铣齿机填补了国内多项技术空白，并在国内齿轮加工和轴承行业数十家 骨干企业得到了广泛应用。 6 硕士学位论文 1 2 高效盘形齿轮铣刀研究存在的主要问题 1 高效铣齿研究存在的主要问题 高效铣齿是一项综合性的先进技术，不是简单地将普通铣齿机的转速提高就能行的， 实现高效铣齿的前提条件是研究和开发与高效铣齿相关的新技术。这些新技术包括：刀 具技术( 刀具材料、刀具夹持装置) 、机床设计技术( 机床结构、主轴结构、导轨设计、 冷却处理、排屑技术) 、数控系统技术( 能适应高效铣齿加工设备控制的c n c 控制系统 等) 等等。由于缺乏高效铣齿基础理论体系和工艺技术应用系统的研究，高效铣齿技术 应用非常有限，存在的主要问题有： 1 ) 高效铣齿过程中，高效机床结构须要足够的刚度，切削过程中受到切削力的作用会 发生变形，切削完成后拆掉夹具工件也会发生变形，且其变形量会远远大于切削过程中 的变形量。因此只有对切削振动和加工变形这两个问题加以研究和控制才能更好的提高 工件的加工精度。 2 ) 高效铣齿加工过程是一个动态的过程，伴有各种颤振的发生。切削颤振影响切削加 工过程的平稳性，切削过程一旦发生颤振，刀具与工件之间的相对正确位置将被破坏， 使工件的表面加工质量下降，可以说切削颤振是影响工件表面加工质量的主要因素，因 此很有必要对切削颤振进行控制。 3 ) 现代高效铣齿往往采用干式铣削，由于缺少切削液的润滑作用，高效铣齿加工中的 切削力会大大增加，刀具与工件之间的振动会加剧，从而导致工件加工表面质量变差， 刀具磨损加快，刀具使用寿命缩短；由于缺少切削液的冷却作用，高效铣齿加工会在加 工瞬间产生大量热量，这些热量主要集中在切屑中，会影响切屑的成型，过热的高温环 境会导致切屑形成带状和缠结状并缠绕在刀具上，影响后续切削，加剧刀具磨损。如不 及时将热量从机床的主体结构中排出，同样会使机床产生严重的热变形，影响加工精度 和降低工件表面质量。 4 ) 高效干式铣齿加工与高效湿式切削加工的过程有所不同，为使机床能够稳定地完成 切削过程，需要对原来高效湿式切削加工选用的切削参数作相应修改和调整，才能应用 于高效干式铣齿加工。生产实际中缺乏较全面的实用化的高效铣齿切削工艺数据库。由 于缺乏必要的工艺技术研究和试验，无法向齿轮加工工业界提供合理可靠的工艺参数， 大多数引进的高效机床均没有充分发挥应有的效益，造成设备的严重浪费。 2 高效铣齿切削力研究存在的主要问题 7 第1 章绪论 通过查阅国内外关于切削力方面的相关资料，可以发现主要存在以下几方面问题： 1 ) 对常规切削过程研究较多，对高效切削研究较少，特别是对高效铣齿的研究更少； 2 ) 对静态切削的模型研究较多，对动态模型研究较少； 3 ) 对二维切削研究较多，对三维切削研究较少，绝大多数切削力模型只研究切向力和法 向力，而不涉及轴向力； 4 ) 在讨论切削参数对切削力的影响时，许多文献未考虑切削速度的影响。 1 3 本课题的研究意义及主要内容 1 3 1 本课题的研究意义 高效铣齿技术是当前国内外公认的先进制造技术之一，在国内主要还处于实验研究 阶段。从前面的介绍可以了解到，由于缺少高效切削设备和高效能的铣齿刀具，国内对 于真正意义上的高效铣齿研究还刚起步。事实上，国内的学者对高效铣齿的切削机理研 究还是比较少，很多是停留在高效切削设备关键部件的研究。对于高效铣齿切削工艺方 面的研究几乎是空白。国内南京工业大学和一些机床厂开发研制出的高效铣齿机已经逐 步占领了部分国内市场，于是高效铣齿切削工艺方面的研究就变得更加紧迫了。虽然国 内有些企业进口了大批高效数控铣齿机，但由于缺乏合理的切削参数选择方案及刀具选 择方法，在生产中仍然不能实现高效铣齿加工。机床性能得不到充分发挥，一方面造成 功率浪费，另一方面不合理的使用导致机床寿命下降。或者，还要依靠以往的经验或进 行大量的“试切 来选择参数，盲目性大且耗费大量的时间和材料。 高效铣削最显著的特点和技术核心是采用高效齿轮刀具，以较高切削速度和高进给 速度进行高精度和高表面质量加工，满足上述功能要求的高效铣刀成为实现高效铣削加 工的关键。国内高效切削基础理论和高效刀具技术滞后于高效切削加工实际应用，在高 效铣刀及其加工数据完整性和清晰度方面存在诸多问题，使得高效机床效能未能得到充 分发挥，严重限制了高速铣削技术的应用范围 9 】。研究高效铣刀及其相关技术，对深刻 认识高效铣削本质，推动高效铣削技术的应用与发展具有重要理论价值和实际意义。 对切削过程进行建模，并通过仿真模拟高效铣齿加工过程，可以提高对切削参数选 择的准确性，为制定合理的高效铣齿切削工艺规程提供理论依据。高效铣齿最大的优势 在于提高生产效率，使工件获得高精度的表面质量。而切削力正是计算切削扭矩、切削 硕士学位论文 功率和保证机床、刀具及夹具正确工作的必要依据，又是分析加工过程中的切削热与温 升、工件变形及刀具磨损、破损等各种物理现象的基础。本课题研究了高效齿轮铣刀的 几何参数及力学过程，以期达到对切削过程中切削力的变化规律进行预报和控制，并初 步探讨了切削热的过程，这对研究刀具磨损机理、指导高效铣齿切削用量的合理选择具 有积极意义。 利用高效盘形齿轮铣刀进行齿轮铣削的过程中包含有丰富的过程信息。而其中切削 力和切削热直接影响到刀具的切削性能，是刀具设计和机床设计的主要参考因素。 切削力是切削过程中重要的物理参数之一。切削力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，同时切削力还直接影响切削热的产生，并进一步影响刀 具的磨损、破损、刀具耐用度及工件的加工精度和表面质量等。此外，切削力对于研究 切削机理，计算功率消耗，制定合理的切削用量，优化刀具几何参数等都有重要意义。 在自动化生产中，还可通过切削力来监控切削过程和刀具工作状态，如刀具折断、磨损、 破损等。对切削力的精确建模是预报切削力、颤振、表面质量以及加工过程稳定性的基 础。多年来国内外学者对计算切削力的理论分析作了大量的研究工作，希望获得能充分 反映切削过程、并能解释切削过程中各种物理现象的理论公式。然而，由于切削过程的 复杂性，至今未能得出成熟的理论分析模型，在生产实践中常采用由实验得出的经验公 式。经验公式法以大量实验为依据，且受到实验条件和特定加工的限制，没有太大的外 推价值。因此，如何建立准确、有效的切削力模型显得尤为重要【3 】。 研究高效铣齿切削力的变化规律有助于对切削过程中的切削参数进行优化控制，并 指导生产实际。萨洛蒙在高效切削专利中指出，在高效切削范围，随着切削效度的提高， 切削力降低，而一系列切削试验表明切削力并非在每种切削条件下都随切削速度增加而 减小。因此，对不同高效切削条件下切削力的变化规律还需要做更深入的研究和探讨【4 】。 切削热及由此产生的切削温度，直接影响刀具的磨损、破损状态和耐用度，并影响工 件的加工精度和表面质量，切削温度直接影响刀具体内的热应力分布，尤其在断续切削过 程中，刀具受到周期性的热冲击，易使硬质合金刀片产生热裂纹而导致破损。因此，研 究切削热和切削温度的产生和变化规律是研究金属切削的重要方向。切削加工过程中切 削温度对很多切削性能有较大影响【8 】。 1 ) 刀具磨损的增大刀具产生温升，通常刀具的强度和硬度就降低了，刀具容易磨损。 此外，温升促进了刀具和切屑之间的相互扩散，也推进了扩散磨损。 2 ) 因热应力而发生崩刃