（机械工程专业论文）插铣铣削力试验研究及仿真分析.pdf

t h e s i ss u b m i t t e dt ot i a n ji nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g yf o r t h em a s t e r sd e g r e e e x p e r i m e n t a l r e s e a r c ha n ds i m u l a t i o n a n a l y s i so fp l u n g em i l l i n gf o r c e b y c u il i q i a n g s u p e r v i s o r p r o f n i ux i n g h u a j a n u a r y2 0 1 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 丞洼堡王太堂 或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：危互艰签字日期：矽哆年3 月歹日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼理王太堂有关保留、使用学位论文 的规定。特授权云洼堡王太堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：维必苏 导师签名： 卓老肇 【i 签字日期：刀易年3 月歹日签字日期：乃够年岁月厂日 摘要 插铣铣削方式是实现金属高切除率的最有效的加工方法之一，由于其具有显著的优 点，己在模具制造业和航空制造业中得到了较为广泛的应用。本文以c r l 2 钢为试验材 料，研究了插铣过程中的最大铣削力，并对插铣和侧铣加工中刀具的受力变形进行了分 析。本文的研究成果为研究插铣工艺及其应用、插铣参数的优化具有重要意义。本文完 成的主要工作如下： 首先，研究了插铣加工的工作方式及其特点，建立切削图形的几何模型。 其次，设计了单因素试验和三因素四水平正交试验，应用y d x 1 1 1 9 7 0 2 型压电式铣 削测力仪进行三向插铣铣削力的测量。根据单因素试验测得的铣削力数据，分析了插铣 加工过程中主轴转速、每齿进给量和径向切深对插铣铣削力的影响规律；根据正交试验 测得的铣削力数据，建立了基于b p 神经网络的插铣铣削力模型，并用验证试验的数据 进行了仿真，仿真结果证明了所建插铣铣削力模型的有效性。 最后，根据试验数据、插铣和侧铣时刀具的受力特点及刀具的相关参数，建立了刀 具的有限元模型，对刀具切削过程中的变形进行了分析，据此分析了插铣和侧铣加工方 式的加工精度问题。 关键词：插铣c r l 2 铣削力b p 神经网络有限元分析 a b s t r a c t p l u n g em i l l i n gi so n eo ft h em o s te f f i c i e n tp r o c e s s i n gm e t h o d sw h i c hc a n r e a l i z eh i g h r e m o v a lr a t eo fm e t a l s i n c ep l u n g em i l l i n gh a ss i g n i f i c a n ta d v a n t a g e s ，i th a sb e e nw i d e l y a p p l i e di nt h em o u l dm a n u f a c t u r i n ga n da v i a t i o nm a n u f a c t u r i n g t h i sp a p e r u s ec r l2a st h e t e s tm a t e r i a l s t u d i e st h em a x i m u mm i l l i n gf o r c ei nt h ep l u n g em i l l i n gp r o c e s s t h ep a p e r a l s o a n a l y z e st h ed e f o r m a t i o no fc u t t i n gt o o li np l u n g em i l l i n ga n ds i d em i l l i n gp r o c e s s t h er e s u l t o ft h er e s e a r c hi nt h i sp a p e ri so fg r e a ts i g n i f i c a n tf o rs t u d y i n go nt h ep l u n g em i l l i n gp r o c e s s a n da p p l i c a t i o na n dt h ep l u n g em i l l i n gp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n t h em a i nw o r ka c c o m p l i s h e d i nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h eo p e r a t i n gm o d e sa n dc h a r a c t e r i s t i c o fp l u n g em i l l i n ga r es t u d i e da n dt h e g e o m e t r i cm o d e lo fc u t t i n gg r a p h i c si se s t a b l i s h e d s e c o n d l y ，t h es i n g l ef a c t o re x p e r i m e n ta n dt h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n to f t h r e ef a c t o r sa n d f o u rl e v e l sa r ed e s i g n e da n dt h et h r e e d i m e n s i o n a lp l u n g em i l l i n gf o r c eh a sb e e nm e a s u r e db y y d x 1 1 - 1 9 7 0 2p i e z o e l e c t r i cm i l l i n gd y n a m o m e t e r t h er u l e so fa f f e c t i n go fs p i n d l es p e e d , f e e d p e rt o o t ha n dr a d i a lc u t t i n gd e p t ho np l u n g em i l l i n gf o r c e a r ea n a l y z e da c c o r d i n gt ot i ：l e m i l h n gf o r c ed a t at e s t e db yt h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t p l u n g em i l l i n gf o r c em o d e lb a s e do n b pm u m li l e t w o r ki sb u i l ta c c o r d i n gt ot h ed a t at e s t e db yt h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n ta n da s i m u l a t i o nb a s e do n l ev a l i d a t i o nt e s t d a t ai sm a d e t h es i m u l a t i o n r e s u l ts h o w st h e a v a i l a b i l i t yo ft h ep l u n g em i l l i n gf o r c em o d e l f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h et e s td a t aa n dt h ec h a r a c t e r i s t i co f t h em i l l i n gf o r c eb o t hi np l u n g e m i u i n ga n ds i d em i l l i n ga n dr e l a t e dp a r a m e t e r so ft h ec u t t i n gt o o l s , t h ef m i t ee l e m e n t m o d e l s o ft h ec u t t i n gt o o l sa r eb u i l ta n dt h ed e f o r m a t i o no ft h ec u t t i n gt o o li nc u t t i n gp r o c e s s l s 踟曲z e d a c c o r d i n gt ot h a tt oa n a l y s i st h em a c h i n i n gp r e c i s i o nb o t ho fp l u n g em i l l i n ga n d s i d em i l l i n g k e yw o r d s ：p l u n g em i l l i n g c r l2 ，m i l l i n gf o r c e ，b p n e u r a ln e t w o r k ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 目录 第一章绪论1 1 1 课题的提出及研究意义1 1 2 课题的国内外研究现状l 1 2 1 插铣加工技术的研究现状1 1 2 2 铣削力建模的研究现状2 1 2 3 国内外研究存在的问题3 1 3 课题的主要研究内容3 1 4 本章小结4 第二章插铣加工机理研究5 2 1 插铣加工方式及特点5 2 1 1 插铣加工方式5 2 1 2 插铣加工的特点5 2 2 插铣切削图形几何模型6 2 2 1 刀尖点的运动轨迹6 2 2 2 刀具切削刃运动轨迹8 2 2 3 切削图形的几何模型1 0 2 3 本章小结1 2 第三章插铣铣削力试验设计及数据处理1 3 3 1 铣削力测试系统13 3 1 1 试验用材料一1 3 3 1 2 试验用机床及刀具1 3 3 1 3 铣削力信号采集装置1 4 3 2 单因素试验1 5 3 2 1 单因素试验方案设计15 3 2 2 单因素试验及数据处理1 6 3 3 正交试验1 8 3 3 1 正交试验方案设计1 8 3 3 2 正交试验数据1 9 3 3 3 正交试验数据分析处理2 1 3 4 本章小结一2 3 第四章插铣铣削力建模2 5 4 1 人工神经网络简介2 5 4 2b p 神经网络模型的建立2 5 4 2 1 输入层及输出层设计2 5 4 2 2 传递函数及学习算法的选择2 6 4 2 3 隐含层结构设计及网络训练2 6 4 2 4 网络模型的测试与仿真2 7 4 2 5 网络模型源程序2 9 4 3 本章小结一3 0 第五章插铣及侧铣刀具受力的有限元分析3 1 5 1 有限元法简介3 1 5 2 刀具有限元模型的建立3 2 5 2 1 实体模型的建立3 2 5 2 2 实体模型的网格划分3 3 5 3 施加载荷及求解3 3 5 3 1 边界条件的确定3 3 5 3 2 求解一3 4 5 4 后处理结果及分析3 5 5 5 本章小结一3 7 第六章结论与展望3 8 6 1 文章总结一3 8 6 2 研究展望一3 8 参考文献3 9 发表论文和科研情况说明4 2 致谢4 3 第一章绪论 1 1 课题的提出及研究意义 第一章绪论 机械与我们的生活息息相关，现代社会生活中，每个人都在享受着机械带给我们的 恩惠，机械制造业始终是人类社会的物质生产的基础。对于一个国家，机械制造业所能 提供的装备技术水平的高低，在很大程度上决定了其生产技术水平的高低，机械制造业 发展的历史可以说是人类技术进步的真实写照。2 1 世纪制造业面临的挑战包括快速响应 市场能力的挑战和全新制造工艺和产品的开发等技术创新的挑战【l 】。插铣技术这种新型 的切削加工技术应运而生，极大地缩短了切削加工时间。 切削力是金属切削过程中的一个极为重要的物理现象，在插铣加工中也不例外。切 削力是指金属切削时刀具切除工件上多余金属所需要的力【2 】。切削力主要来源于加工过 程中克服工件材料的弹性和塑性变形的力以及克服刀具与切屑、刀具与工件接触面之间 的摩擦力。在切削技术研究及实际加工过程中，切削力是计算切削功率、设计机床及夹 具和刀具的重要的依据，也是制定合理的切削用量的关键所在。切削力对工件的加工质 量以及刀具的磨损等各方面也有着直接或间接的影响。建立正确的插铣铣削力模型，对 插铣力进行正确的预测，对于合理控制加工误差、刀具磨损及机床刀具振动具有重要意 义，为优化加工参数进而保证加工质量提供重要依据。 本文以应用广泛的冷作模具钢c r l 2 为试验研究材料，建立了基于人工神经网络的 插铣铣削力预测模型，分析插铣和侧铣加工过程中刀具的变形，进而分析得出插铣和侧 铣加工对工件加工质量的影响。本课题的研究结果对于掌握插铣加工工艺并进一步指导 生产实践具有重要意义。 1 2 课题的国内外研究现状 1 2 1 插铣加工技术的研究现状 插铣加工也称为z 轴铣削加工，是一种钻铣结合的新型加工方式，由国外的专家最 先提出，出现的时间还不是很长，但由于其特殊的加工特点及其显著的加工优势，得到 了国内外学者广泛的关注与研究。 国内方面，北京航空航天大学的学者郭连水、魏建中及韩雄等人将插铣加工应用到 涡轮叶盘的粗加工过程中，不但减小了叶盘的加工变形，而且提高了加工效率，并应用 蚁群优化算法对拐角的插铣路径进行了优化，建立了硬化沉淀不锈钢p h l3 8 m o 的插铣 铣削力模型，对铣削力随铣削参数的变化规律进行了研究分析【孓5 】。西安科技大学的学者 第一章绪论 石磊在大直径、宽深流道二元叶轮的数控加工过程中采用了插铣加工，并用m a s t e r c a m 软件实现了插铣的简单编程1 6 1 。在插铣动力学方面，天津大学学者秦旭达做了大量的深 入研究，主要包括以下研究：针对钛合金t c 4 的插铣过程，构建了铣削力分析试验平台 和刀具磨损监测测试平台，研究了插铣过程中铣削力的变化规律及刀具的磨损机理，并 对钛合金插铣加工参数的优化做了一定的研究。同时，应用人工热电偶法对插铣过程中 的温度变化进行了测量，建立了温度场的有限元分析模型，能够较为准确地预测插铣过 程中的温度场的分布 7 - 1 0 1 。西北工业大学学者杨振朝、任军学等人针对钛合金t c l1 的 插铣加工过程，分析研究了三向铣削力对铣削用量的绝对灵敏度和相对灵敏度以及铣削 参数对铣削规律、铣削力和铣削温度的影响，并对插铣钛合金t c l l 的铣削参数进行了 优化。通过钛合金t c 4 整体叶盘通道开槽的实际加工，对插铣工艺和侧铣工艺进行了对 比研烈1 1 1 3 】。 国外方面，英国学者j e o n gh o o nk o 提出一种掏槽插铣铣削力建模方法，其原理是 通过机械论方法得到与切屑横截面积有关的铣削力模型参数，进而建立插铣铣削力模型 【1 4 1 。英国学者y u s u f a l t i n t a s 分析研究了插铣加工过程中的动力和稳定性问题，建立了基 于刀具快速运动的插铣加工的频域模型和时域模型，对铣削力、扭矩和振颤做出了预测 【1 5 】。法国学者m o h a m a d a l a h m a d 等人建立了考虑插铣加工过程中刀具产生的偏心及弯 曲等因素的插铣铣削力模型，并通过实验进行了验证1 1 6 】。y l i 等人在忽略系统动态结 构的前提下，提出了一种针对复杂型面的插铣方法并预测了插铣铣削力的大小【1 7 】。 1 2 2 铣削力建模的研究现状 切削力是计算切削功率、设计机床及夹具和刀具的重要的依据，也是制定合理的切 削用量的关键所在，对切削力进行精确建模，是预报切削力以及研究颤振、表面质量和 切削加工性能的基础。切削力常用的建模方法有解析法、实验法、机械法、数值法和力 学法以及神经网络建模等方法 i s - 2 1 ，国内外许多专家学者都对铣削机理和铣削力建模进 行了深入的探究，并取得许多重要成果。 国内方面，清华大学学者张智海等人，根据瞬时未变形切屑厚度与铣削力扭矩的关 系，建立了预测端铣加工工件表面误差的解析铣削力模型【冽。西北工业大学学者康永刚 等人提出了根据铣削力变化曲线的形状特征建立铣削力预报模型的方法。该方法基于静 力模型，以立铣加工过程为研究对象，研究了铣削用量与铣削力变化规律之间的关系， 给出了理论切削力随刀具旋转的变化曲线图，提出了在不同切深组合下分别建立铣削力 模型的观点【2 3 1 。大连理工大学的李英松建立了基于傅里叶级数的立铣刀和球头铣刀的铣 削力模型，并探讨了铣削力模型在铣削加工参数优化中的应用【2 4 】。上海交通大学学者安 庆龙等人提出了一种新的螺旋立铣刀铣削加工中的动态铣削力建模方法。该建模方法将 斜角等厚度切削的有限元模型与基于微元法建立的铣削力数学模型结合起来，对高速铣 削淬硬模具钢s k d l l 的动态铣削力进行了预测，同时还分析了误差来源，该方法避免 了传统建模中需进行大量试验求取多个系数且预测精度差得缺点1 2 5 】。南京航空航天大学 学者张臣等人在球头铣刀的铣削力建模的研究中，应用了人工神经网络的理论和算法， 第一章绪论 考虑了影响铣削力的加工参数，采用l m 算法建立了铣削力预测的神经网络模型并，并 用该模型对铣削力进行仿真，表明建立的模型能够对铣削力进行准确地预测f 2 6 1 。 国外方面，w o n - s o oy u n 建立了以刀具旋转一周过程中的不同时刻的瞬态数据作为 预测模型常量依据的三维铣削力模型【2 7 】。w a n m 等人针对不同种类的刀具，研究了不 同形状切削刃的切削力计算，考虑了刀具偏心对瞬时铣削厚度的影响，拟合了切削系数 与瞬时铣削厚度的关系，并通过试验验证了模型1 2 粥o 】。美国学者t r a d h a k r i s h n a n 等人分 析了端铣加工中铣削参数和铣削力之间的关系，建立了基于多元线性回归的铣削力模型 和基于人工神经网络的铣削力模型。通过其研究表明，运用多元线性回归法对神经网络 的训练样本进行筛选，能够得到精确预测铣削力的神经网络铣削力模型【3 1 】。 1 2 3 国内外研究存在的问题 从插铣加工方式出现到目前为止，插铣技术得到了越来越广泛的应用，对插铣技术 的研究也逐步深入，但有些问题的研究还不是很完善，需要进一步深入，主要表现在如 下几个大的方面上： ( 1 ) 插铣过程的稳定性问题。在深腔插铣加工中，刀具的悬伸长度很长，刀杆的刚 度难以保证，容易发生弯曲变形，而且在加工过程中，插铣刀受到切削力和扭矩的综合 影响，有可能引起振颤现象，影响加工质量和刀具寿命。 ( 2 ) 插铣过程的刀具轨迹优化问题。目前，u g 和m a s t e r c a m 等c a d c a m 软件能 够进行简单的插铣编程，但其编程模块并不是很完善，最优刀具路径的选取问题仍未能 很好的得到解决，这在一定程度上限制了插铣加工在实际加工生产中的应用。 ( 3 ) 插铣过程的动力学问题。到目前为止，关于插铣动力学的研究仍不是很多，通 过对切削力及温度场等的建模，进而从预测、控制铣削力、铣削温度等方面入手来减小 刀具磨损，优化工艺参数仍然不太容易实现。 在铣削力的预测建模方面，研究人员建立的预测切削力的经验模型主要是基于最小 二乘回归法【3 2 】。此方法的得出的切削力经验公式大都以切削条件的幂指数函数表示，建 立模型考虑的因素不能过多，计算过成复杂，且所建立的模型通用性不是很强，拟合精 度也不是很高，当切削加工条件不同时，切削力的变化较大【3 3 】。 1 3 课题的主要研究内容 本文以常用冷作模具钢c r l 2 为实验材料，采用插铣方式对材料进行铣削加工，通 过理论分析和实际切削试验，对插铣过程中的铣削力进行深入的探索研究，在此基础上， 建立基于人工神经网络的插铣动态铣削力模型，实现对插铣过程中铣削力的仿真预测。 通过有限元分析，对比插铣和侧铣加工过程中刀具的变形情况，据此分析插铣和侧铣对 加工工件精度的影响。本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 概述了插铣加工的工作方式及特点，建立插铣加工的切削图形的几何模型。 第一章绪论 ( 2 ) 以冷作模具钢c r l 2 为试验材料，设计并进行单因素插铣加工试验，分析主轴 转速、每齿进给量、径向切深对插铣加工中最大铣削力的影响规律。 ( 3 ) 设计并进行三因素四水平正交试验，根据试验数据，建立基于b p 神经网络， 以主轴转速、每齿进给量、径向切深为输入，x 、y 、z 三向铣削力为输出的插铣铣削 力模型，并对模型进行验证，对铣削力进行预测和仿真。 ( 4 ) 根据试验数据及刀具参数，建立相应的刀具的有限元分析模型，通过有限元分 析软件a n s y s 对刀具的变形进行分析，并据此来分析了插铣和侧铣加工方式对工件的 尺寸精度的影响。 1 4 本章小结 本章阐述了本课题的提出依据及研究意义，对插铣加工技术及铣削力建模等方面的 国内外研究现状进行了深入的分析，并提出了国内外在对插铣加工方面所作的研究中存 在的一些问题。本章同时也对本课题的主要研究内容进行了概述。 第二章插铣加工机理研究 第二章 2 1 插铣加工方式及特点 2 1 1 插铣加工方式 插铣加工，也称为z 轴铣削加工，在插铣加工过程中，插铣刀沿主轴方向做进给运 动，利用刀具底部的切削刃进行钻、铣组合切削加工，是实现金属高切除率的最有效加 工方式之一，其加工效率远高于端铣法和侧铣法 3 4 - 3 6 1 。插铣加工原理示意图如图2 1 所 示，其中s 为插铣步距，a l c 为插铣径向切深。 图2 - 1 插铣加工原理示意图 l 进 箬 向 插铣主要用于粗加工以及半精加工，插铣刀可以切入工件的凹部也可以沿工件的边 缘切削，能够对几何形状复杂的零件进行铣削加工。专用插铣刀的切削刃与待加工表面 的角度通常为8 7 。或9 0 。，加之刀体和刀片的合理设计，使其在加工时能够以最佳的 角度切入工件。插铣加工中，刀具每次沿轴向进给，铣削到所需的加工深度，然后轴向 提刀后沿水平方向进刀一个步距s ，开始第二刀插铣，如此循环，直至加工完成。 2 1 2 插铣加工的特点 对于难加工材料的加工及刀具悬伸长度较大的型腔加工，采用插铣法能够使加工时 间缩短一半以上，同时使得零件的加工质量更为稳定。因此，插铣多用于模具型腔的粗 加工和航空零件的高效加工，涡轮叶片的加工就是其一个典型应用实例。在插铣加工涡 轮叶片时，刀具可从工件的顶部一直插铣到工件的根部，通过简单的x y 平面的平行移 第二章插铣加工机理研究 动，就能加工出涡轮叶片复杂的几何形状。图2 - 2 为插铣加工开式整体叶盘。 图2 2 插铣, o h i 开式整体叶盘 插铣加工所需的功率较小，因此当加工机床的功率有限时，可考虑用插铣法进行加 工，从而可以利用功率不足的机床得到较高的加工效率。插铣加工还可实现用低进给速 度铣削大量材料，这使得老式机床的金属切削速度可以与进行高速切削加工的较新机床 相媲美，甚至超过这些较新机床。 插铣加工具有如下显著优点【3 7 _ 3 8 】： ( 1 ) 刀具悬伸长度较大，当插铣深度达到2 5 0m n 也不会发生扭曲变形和振颤。 ( 2 ) 可以减小工件的变形，适于薄壁件的加工。 ( 3 ) 可用于各种加工环境，既适合单件小批量零件加工，也能用于大批量零件加工。 ( 4 ) 可以对高温合金材料进行切槽加工。 ( 5 ) 加工时的主要受力方向为轴向，径向力较小，这就使得轴系有一定磨损或刚度 不足的主轴仍可用于插铣加工而且不影响工件的加工质量，保证加工稳定性。 2 2 插铣切削图形几何模型 2 2 1 刀尖点的运动轨迹 为了便于研究，可将切削刃视为间隔无限小的连续点的集合，该集合中任意点，与 刀具中心轴线的垂直距离为r i 。在插铣加工过程中，刀具绕自身的中心轴线转动，并沿 中心轴线垂直向下作进给运动，此时，切削刃上各点的运动轨迹都是圆柱螺旋线，只是 不同点的螺旋线半径有所不同。切削刃上各点的运动轨迹在笛卡尔坐标系下的参数方程 可表示如下【3 9 1 ： 第二章插铣加工机理研究 ( 2 - 1 ) 式中，r i 表示切削刃上各点到刀具中心轴线的垂直距离；v f 表示刀具的进给速度； 表示刀具进行切削加工时的旋转角速度；t 为时间参数。 因为刀尖点具有典型的代表性，因此本文选择刀尖点为研究对象，对其运动轨迹进 行研究，并以此为基础来研究切削刃的运动轨迹。设刀尖点与刀具中心轴线的垂直距离 为r ，旋转角速度为，又有如下关系式： = 2 兀n v f = f z z n 为了便于应用p r o e 软件进行运动轨迹的绘制， 可转化为： = 3 6 0 n ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 角速度的单位选择为o s ，式2 - 2 ( 2 4 ) 将所设参数r 及式2 - 3 和式2 4 代入到式2 1 中，得到了用切削用量表示的在笛卡 尔坐标系下的刀尖点运动轨迹参数方程： ( 2 5 ) 式中，n 为机床主轴转速( r s ) ；f z 为每齿进给量( m m ) ；z 为刀具齿数。 本文选取的刀具参数r = 1 0i 眦，刀具齿数z = 2 。选择正交试验方案中的第八组插铣 加工参数作为参考( 见第3 章，第3 节) ，建立对应的刀尖点运动轨迹的几何模型。具 体的插铣加工参数如表2 1 所示。 表2 - l 插铣加工参数 序号主轴转速n ( r m i n )每齿进给量f z ( i t l m )径向切深a 。( m m ) 88 0 00 1 02 5 将上述各相关数据代入到式2 5 中，得到相对应的刀尖点运动轨迹的参数方程如下： ( 2 6 ) 删 o c s t r r w = i | = x y z ，、 裟文 o n c 圊 互 星蛳 = = = x y z ，l-lli，、-i-i【 d ， a m眦姗 蚪舭飞删蛳觎 0 0 6 = | i = 第二章插铣加工机理研究 三维造型软件p r o e 具有强大的绘图造型功能，根据式2 - 6 ，利用该软件由方程生 成曲线的功能编写指令程序，生成刀尖点的运动轨迹曲线。图2 3 为时间参数t 从0 变 化到1 的过程中不同视角下的刀尖点运动轨迹。 2 2 2 刀具切削刃运动轨迹 图2 - 3 刀尖点运动轨迹 b 插铣加工过程中，采用不同的切削用量，切削刃所形成的运动轨迹会有所不同，对 加工工件的表面质量、加工效率和切削力等都会有不同程度的影响。因此，研究插铣加 工过程中切削刃的运动轨迹有一定的必要性，本文针对单切削刃的运动轨迹进行了研 究。在此，首先对切削刃上特殊点的运动轨迹进行研究，进而分析研究切削刃的运动轨 迹。课题中所用插铣刀刀片示意图( 图中刀片各处圆角均忽略) 如图2 _ 4 所示，其尺寸 参数如图2 5 所示。 图2 。4 插铣刀片示意图 p n t 0 n t l 一 z l 一2 3 5 图2 5 插铣刀片尺寸参数 第二章插铣加工机理研究 根据刀片的尺寸参数和安装参数，计算可得如下参数： 点p n t l 到刀具中心轴线的垂直距离r l ： r i = 1 0 6 1 = 3 9m m( 2 7 ) 针对表2 1 所示插铣加工参数，建立点p n t o 和点p n t l 的运动轨迹参数方程。其 中点p n t 0 即为上节中所研究的刀尖点，其运动轨迹参数方程见式2 - 6 根据上节及本节 的研究内容建立点p n t l 的运动轨迹参数方程如下： 点p n t l 运动轨迹参数方程： ( 2 8 ) 根据上一节研究内容可知，切削刃上各点的运动轨迹都是圆柱螺旋线，只是不同点 的螺旋线半径有所不同，本节中点p n t l 运动轨迹参数方程的建立，也充分说明了这一 点。实际上，用直线依次连接点p n t 0 和点p n t l 所构成的直线线即为切削刃。由此可 知，插铣过程中切削刃所做的运动也是圆柱螺旋运动，其运动过程中扫略过的部分形成 一个螺旋面，即为切削刃的运动轨迹。根据切削刃上特殊点的运动轨迹方程及其关系， 用三维造型软件p r o e 绘制单切削刃的运动轨迹模型如图2 - 6 所示。其中a 图为用曲面 表示的单切削刃旋转3 6 0 0 的运动轨迹模型，图b 为用轨迹线表示的单切削刃旋转3 6 0 0 的运动轨迹模型。 图2 - 6 单切削刃运动轨迹模型 b 本文所用的专用插铣刀的齿数为2 ，根据其结构可知，在插铣加工过程中，两切削 刃的运动轨迹在相位上相差1 8 0 。，据此并根据己建立的单切削刃运动轨迹，可建立插铣 吣m s “q 0 o 刀 啷 咖 帆 9 9 6 3 3 2 = = = x y z ，j、l 第二章插铣加工机理研究 刀两切削刃的运动轨迹模型。图2 7 为用曲面表示的刀具旋转3 6 0 0 的过程中不同视角下 的两切削刃运动轨迹模型。 a 2 2 3 切削图形的几何模型 图2 7 两切削刃运动轨迹模型 b 切削图形，是指刀齿从工件毛坯上切除余量的次序和方式【删。切削图形可分为平面 切削图形和空间切削图形，其性质对加工工艺方法、加工效率、表面质量、刀具耐用度 及切削力等都有一定的影响，能够反映切削刃上每个刀齿的切削负荷的分配方式。本文 所研究的插铣加工，在一次轴向进给加工过程中，工件保持不动，刀具以转速n 做回转 运动并沿轴向做向下的进给运动，根据上节的研究内容可知，其空间切削图形是一个螺 旋的单元体，由两切削刃的运动轨迹和工件包络而成，也就是未变形切屑的几何实体。 在此以表2 1 所示加工参数为参考，研究其空间切削图形，对应的加工示意图如图2 - 8 所示。 一t 件 o y i b 一一一a 历彩历勿勿一c ，、l 一 y 图2 8 加工示意图 第二章插铣加工机理研究 如图2 8 所示，切削宽度ud ( 切削刃的有效切削长度) 随着刀具转角1 3 的变化而变 化，其值可用下式表示： u d 2 r - 面r m 丽a t ( 。b 。)( 2 9 ) 式中，a e 为径向切削宽度( m m ) 根据图2 8 及式2 - 9 可知：刀齿i 从a 点切入工件，随着转角1 3 的增大，切削宽度 d 逐渐增大，当1 3 = 0 n ，其刀尖点切削到b 点，此时切削宽度达到最大值，ud = a 。 当刀具旋转角度由0 变化到2 0 时，刀齿从c 点切出工件，此过程中d 由最大值a 。逐渐 减小到0 。由于刀齿i i 与刀齿i 相差1 8 0 。，故当刀齿i i 转过1 8 0 。时到达a 点，开始 切入工件，转过角度( 0 + 1 8 0 。) 时，其刀尖点切削到b 点，此时切削宽度达到最大值， 即d = a c ，当刀具转过角度( 2 0 + 18 0 。) 时，刀齿从c 点切出工件，此过程中d 由最 大值a e 逐渐减小到0 。图形a b c 所示的阴影部分为空间切削图形沿刀具轴向的视图， 图形a a c c 所示阴影部分为空间切削图形垂直于刀具轴线方向的视图。由此可知， 刀齿从切入到切出工件的过程中，切削宽度ud 由0 增大到最大值a 。，又减小到0 ，而在 整个过程中，空间切削图形的厚度h 恒定不变，等于每齿进给量，故切削层截面面积 ( 切削宽度与切削厚度的乘积) 与切削宽度d 成正比，因此，加工过程中的动态铣削 力在理论上是从0 逐渐增大到最大值后又逐渐减小到0 。 根据刀具参数及几何关系可知： o ：a r c c o s 丝：a r c c o s 1 0 - 2 5 4 1 4 1 。 刀1 0 点a 与点c 的垂直距离h a c ： h a c ：j z ：2 x 4 1 4 1 。o 1 2 ：0 0 4 6m m 3 6o3 6 0 。 点a 与点c 的水平距离l a c ： l a c = 2 r s i n 0 = 2 1 0 xs i n ( 4 1 4 1 。) 1 3 2 2 9m m ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 1 2 ) 根据上述分析，利用三维造型软件p r o e 绘制其相应的空间切削图形的几何模型即 未变形切屑的几何模型如图2 - 9 所示，其中图a 和图b 只是视角不同。 第二章插铣加工机理研究 2 3 本章小结 一 图2 - 9 空间切削图形几何模型 b 本章概述了插铣加工方式及其原理，同时对插铣加工的特点进行了分析研究。在此 基础上，建立了切削刃上特殊点运动轨迹在笛卡尔坐标系下的参数方程，并根据其轨迹 及相关参数，利用三维造型软件p r o e 绘制了切削刃运动轨迹的几何模型。本章还建立 了插铣加工中空间切削图形即未变形切屑的几何模型，为研究动态铣削力的变化提供了 基础。 第三章插铣铣削力试验设计及数据处理 第三章插铣铣削力试验设计及数据处理 3 1 铣削力测试系统 3 1 1 试验用材料 本文试验选用的试件材料为c r l 2 ，进行退火处理，硬度为2 3 3 h b 。试件与测力仪 接触安装的表面要进行磨削及去毛刺处理，以获得较高的表面加工质量，确保试验测量 结果的准确性。试件示意图如图3 1 所示，试件与测力仪的安装图如图3 2 所示。 图3 1 试验用试件 图3 2 试件与测力仪的安装图 c r l 2 材料是应用较为广泛的高碳高铬型冷作模具钢之一，属于莱氏体钢，其组成成 分如表3 1 所示。由于此钢碳和铬的含量极高，因此有很高的淬透性、淬硬性及耐磨性， 淬火变形小，但其抗冲击韧度、导热性和高温塑性较差。c r l 2 材料的特性决定了其主要 应用于高耐磨、冲击负荷较小的冷作模工作零件及冲头、压印模等。 表3 1c r l 2 材料化学成分 3 1 2 试验用机床及刀具 本文试验中所用数控加工设备为四轴联动立式加工中心，型号为y c m v 6 5 a ，其 主要技术参数如下： 主轴转速：6 0 6 0 0 0r m i n ； 进给速度：3 8 0 0 0m m m i n ： 第三章插铣铣削力试验设计及数据处理 行程范围：x 轴1 0 2 0m m ，y 轴5 1 0m m ，z 轴5 6 0m m ； 定位精度：0 0 0 5m m ； 运动精度：0 0 0 1m m 。 插铣加工切削试验中采用台湾a v e r e x 插铣刀杆，其型号为： 采用日本h i t a c h i 刀片，型号为：c c m t 0 6 0 2 0 4c y 2 5 0 。 3 1 3 铣削力信号采集装置 本文试验中所用的动态铣削力信号采集装置包括：y d x i i l 9 7 0 2 型压电式铣削测力 仪，y e 5 8 5 0 型电荷放大器，p c i 9 1 1 8 d g 型数据采集卡，g d f m s ( v e r 4 2 0 版) 通用切 削力测试系统，计算机。主要技术参数如下： ( 1 ) y d x i i l 9 7 0 2 型压电式铣削测力仪的主要技术参数 测力范围：x 、y 、z 三向均为3 0 0 0 n ； 重复性误差：x 、y 、z 三向均小于1 f s o ； 线性误差：x 、y 、z 三向均小于1 f s o ； 向间干扰：x 、y 、z 三向均小于5 f s o ： 固有频率：x 方向8 5 1 2h z ，y 方向3 5 8 4h z ，z 方向4 6 7 2h z 。 方向标定：x 向为侧向进给方向，y 向垂直于刀具轴线和x 向组成的平面向外，z 向沿刀具轴线向下，同图2 - 8 中的坐标系方向，三者符合右手定则。 ( 2 ) y e 5 8 5 0 型电荷放大器的主要技术参数 最大输入电荷量：1 0 6p c ； 最大输出：1 0v p ； 最大输出电流：1 0 0 m a ； 灵敏度：0 0 1 1 0 0 0m v p c ； 滤波器偏差：一3 1d b ； 输入频带宽：2uh z 1 0 0 k h z 。 插铣铣削力测试系统如图3 3 所示，其中图a 为原理图，图b 为切削加工实验现场。 图3 - 3 插铣铣削力测试系统 b 第三章插铣铣削力试验设计及数据处理 3 2 单因素试验 3 2 1 单因素试验方案设计 当研究目标受到诸多因素的影响时，只选择其中一个因素作为自变量，其他因素均 作为无关变量而加以控制，考察该因素对研究目标的影响，这种试验方法称为单因素试 验。在插铣加工过程中，影响铣削力的因素有很多，在切削用量方面主要包括铣削速度、 进给量和铣削宽度。 铣削速度v 。指铣刀旋转的圆周线速度，v c _ 三罴，其中v 。单位为m m i n ；d 为 铣刀直径，单位为m m ；n 为主轴转速，单位为r m i n 。由公式可以看出，研究铣削速度 v c 对铣削力的影响可转化为主轴转速n 对铣削力的影响。 进给量f 指加工过程中，铣刀每转一转，铣刀与工件在进给方向上的相对位移量， 单位为m m r 。若铣刀齿数为z ，则每齿进给量f z = f z ，单位为m m z 。 铣削宽度a e 指铣刀在一次进给中所切掉的工件表层的宽度，即为插铣过程中的径 向切深，单位为m i l l 。 单因素试验简明易行，本课题分别选取主轴转速n 、每齿进给量f z 和径向切深a c 作 为自变量进行单因素试验，研究这三个因素对插铣加工过程中最大铣削力的影响。试验 中侧向步距选择为l o m m ，插铣深度选择为l o m m 。单因素试验取值如表3 - 2 至3 4 所示。 表3 2 单因素试验主轴转速取值表 试验因素 序号 n ( r m i n )( m m z )a e ( m m ) l6 0 00 0 62 5 27 5 0o 0 62 5 3 9 0 0o 0 62 5 41 0 5 00 0 62 5 51 2 0 00 0 62 5 表3 3 单因素试验每齿进给量取值表 试验因素 序号 n ( r m i n )f z ( m m z )a e ( m m ) l8 0 00 0 4 2 5 28 0 00 0 52 5 38 0 00 0 62 5 4 8 0 0 o 0 72 5 58 0 00