（机械制造及其自动化专业论文）金属切削毛刺的形成及其界限转换.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 金属切削毛刺是切削加工中产生的常见现象，它直接影响着工件的加工质量和 生产效率，成为影响和制约先进制造技术发展的主要因素。金属切削毛刺的预报、 控制与去除是精密与超精密加工和自动化加工的关键技术之一。根据切削运动 刀具切削刃毛刺分类体系，金属切削毛刺可分为三大类：切削方向毛刺、迸给方向 毛刺和两侧方向毛刺。本文在对国内外金属切削毛刺形成机理及其控制技术研究进 行概述与分析的基础上，系统地开展了金属切削毛刺形态界限转换的理论与实验研 究，开发出金属切削毛刺专家知识系统。本研究的主要贡献为： 1 基于切屑形成的过程，依据切削方向毛刺形成时临界状态下的几何形态特性， 利用最小能量理论和剪切应变法则，建立出切削方向毛刺形成与变化的数学力 学模型，计算了临界状态下的初始负剪切角色，和初始距离，。，探讨了切削方向毛刺 亏缺( 负毛刺) 界限转换的条件，提出了有效地抑制或减小切削方向毛刺的相关技 术与方法。 2 以车削加工为基础，结合进给方向毛刺的形成过程、建立了进给方向毛刺的 数学力学模型，探讨了进给方向毛刺形成及其变化的一般规律，提出了有效抑 制进给方向毛刺尺寸的技术和方法，初步实现了金属切削中进给方向毛刺的形成及 其预报。 3 利用金属切削毛刺研究的实验数据，按照数据库设计和专家知识系统设计思 路，初步构建出金属切削毛刺专家知识系统，分别建立了毛刺的知识库、数据库和 规则库，实现了金属切削毛刺数据录入、查询、管理等信息资源的共享，为大力推 进少无毛刺加工技术发展奠定了良好基础。 本文关于金属切削毛刺形态界限转换的研究，进一步丰富和完善了金属切削毛刺 形成与控制理论，为促进精密与超精密加工和自动化加工技术发展具有一定的学术价 值，所开发的金属切削毛刺专家知识系统及其应用必将产生良好的经济与社会效益。 本研究是国家自然科学基余项目( 编号：5 9 7 7 5 0 7 1 ，5 0 2 7 5 0 6 6 ) 的组成部分之一。 关键词：金属切削毛刺：切削方向毛刺；进给方向毛刺；两侧方向毛刺； 专家知识系统：预报与控制：去除毛刺技术 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ef o r m a t i o no fm e t a lc u t t i n gb u r r si sac o m m o np h e n o m e n o n i td i r e c t l ya f f e c t st h e q u a l i t ya n dt h ep r o d u c t i o no fw o r k p i e c e i t st h ek e yf a c t o rt h a ta f f e c t sa n dc o n s t r a i n t st h e d e v e l o p m e n to ft h ea d v a n c e dm a n u f a c t u r et e c h n o l o g y t h ep r e d i c t i o n ，c o n t r o l l i n ga n d d e b u r r i n go fm e t a lc u t t i n gb u r r s i so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e so fp r e c i s i o no r s u p e r p r e c i s i o n a n da u t o m a t i c p r o c e s s i n g a c c o r d i n g t ot h em e t a l c u t t i n g b u r r s c l a s s i f i c a t i o ns y s t e m so fc u t t i n gm o t i o na n dc u t t i n ge d g e so ft o o l s ，t h em e t a lc u t t i n gb u r r s c a nb ec l a s s i f i e dt h r e ec l a s s e s ：c u t t i n g - d i r e c t i o nb u r r s ，f e e d d i r e c t i o nb u r r sa n ds i d e w a r d b u r r s b a s i n go nt h ef o r m a t i o nm e c h a n i s ma n dc o n t r o lt e c h n o l o g yo fm e t a lc u t t i n gb u r r s o fn a t i o n a lr e s e a r c h e s ，t h ed i s s e r t a t i o ns y s t e m a t i c a l l ye x p a n d st h e r e s e a r c h e so ft h e o r ya n d e x p e r i m e n tf o rt h ec r i t i c a lc h a n g ec o n d i t i o n so fm e t a lc u t t i n gb u r r s ，a n dd e v e l o p st h e e x p e r tk n o w l e d g es y s t e mo fm e t a lc u t t i n gb u r r s i nt h ep a p e r , t h em a i nc o n t r i b u t i o n sa r e s u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 b a s i n go nt h ep r o c e s so fc h i p sf o r m a t i o n ，a c c o r d i n gt ot h eg e o m e t r yc h a r a c t e r i s t i c s o ft h ef o r m a t i o no fc u t t i n g - d i r e c t i o nb u r r sd u r i n gt h ec r i s e ss t a t e ，u t i l i z i n gt h el e a s te n e r g y t e c h n o l o g y a n ds h e a rs t r a i n p r i n c i p l e ，i t b u i l d st h ef o r m a t i o na n dv a r i a b l e m a t h e m a t i c m e c h a n i c sm o d e lo fc u t t i n g d i r e c t i o nb u r r s ，c a l c u l a t e si n i t i a ln e g a t i v e d e f o r m a t i o na n g l e8 n a n di n i t i a ld i s t a n c e t a n dr e s e a r c h e s t h ec r i t i c a l c h a n g e c o n d i t i o n so fc u t t i n g d i r e c t i o nb u r r so rn e g a t i v eb u r r s f u r t h e r , ac e r t a i nn u m b e ro f c o r r e l a t i o nt e c h n o l o g ya n dm e a n st or e s t r a i na n dd e c r e a s ec u t t i n g d i r e c t i o nb u r r sh a v e b e e na d v a n c e d 2 b a s i n go nt u r n i n g ，c o m b i n i n gt h ef o r m a t i o np r o c e s so ff e e d d i r e c t i o nb u r r s ，i t b u i l d st h em a t h e m a t i c s m e c h a n i c sm o d e lo ff e e d d i r e c t i o nb u r r s r e s e a r c h e st h e f o r m a t i v ea n dv a r i a b l eg e n e r a lr u l eo ff e e d - d i r e c t i o nb u r r s ，a n de f f e c t i v e l yf i n d so u ta c e r t a i nn u m b e ro ft e c h n o l o g ya n dm e a n st or e s t r a i nf e e d - d i r e c t i o nb u r r s t h a ti n i t i a l l y r e a l i z e st h ef o r m a t i o na n dp r e d i c t i o no ff e e d - d i r e c t i o nb u r r si nm e t a lc u t t i n g 3 u t i l i z i n gt h ee x p e r i m e n td a t ao fm e t a lc u t t i n gb u r r s ，a c c o r d i n gt ot h et h o u g h to f t h ed a t a b a s ea n dt h ee x p e r tk n o w l e d g es y s t e m ，i ti n i t i a l l yc o m p o s e st h em e t a lc u t t i n g b u r r se x p e r tk n o w l e d g es y s t e m ，a n db u i l d st h er e p o s i t o r y , t h ed a t a b a s ea n dt h er u l e b a s e t h a tr e a l i z e st h es h a r eo fr e c o r d i n g ，q u e r y i n g ，m a n a g i n ga n ds oo no fm e t a lc u t t i n gb u r r s ， a n de s t a b l i s h e st h eb e t t e rf o u n d a t i o nf o rt h ed e v e l o p m e n to ft h el i t t l eo rn ob u r r s t e c h n o l o g y t 1 t h ed i s s e r t a t i o nc o n c e n t r a t e so nt h er e s e a r c h e so ft h ec r i t i c a lc o n d i t i o n so fm e t a l c u t t i n gb u r r s f u r t h e r ，i te n r i c h e sa n dd e v e l o p st h ef o r m a t i o na n dc o n t r o lt h e o r yo fm e t a l c u t t i n gb u r r s t h a tp r o m o t e st h e o r yd e v e l o p m e n to ft h ep r e c i s i o no rs u p e r p r e c i s i o n m a c h i n i n ga n da u t o m a t i cp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y a n dt h em e t a lc u t t i n gb u r r se x p e r t k n o w l e d g es y s t e m c a nc a r r yo u tg o o dt e c h n i c a le c o n o m i ca n ds o c i 出r e s u l t sf o r p r o d u c t i o n k e y w o r d s ：m e t a lc u t t i n gb u r r s ；c u t t i n g d i r e c t i o nb u r r s ；f e e d - d i r e c t i o nb u r r s ； s i d e w a r db u r r s ；e x p e r tk n o w l e d g es y s t e m ；p r e d i c t i o na n dc o n t r o l ； d e b u r r i n gt e c h n o l o g y i i i 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，同意学位保 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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容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。 本学位论文属于 保密豳，在3 年解密后适用本授权书。 不保密口。 学位论文作者签名： 诗。锌j ? 渤年月7 日 指导教师签名： 年月日 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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结果由本人承担。 学位论文作者签名：露，馥乡 日期：蚓年二月7 e t 江苏大学硕士学位论文 第1 章绪论 【摘要】本章对金属切削毛刺的影响、危害及其国内外的研究现状进行了系统 的概述与分析，指出了切削毛刺研究中尚存在的主要问题。进而，阐述了本课题研 究的主要内容、研究方法及其工作目标。 1 1 金属切削毛刺的影响及其危害 1 1 1 金属切削毛刺的概念 金属切削毛刺是切削加工中形成的常见现象之一。金属切削加工就其本质而言， 是被切削层金属在刀具的切削刃和前刀面的作用下，经受挤压而产生剪切滑移的变 形过程。在切削过程中，工件的边、角、棱等部位产生较大的塑性变形，并在切屑 与工件切削表面断裂分离的过程中使其一部分残留在工件的边、角、棱或已加工表 面上，形成了金属切削毛刺。金属切削毛刺的产生给切削加工质量和效率带来不良 的影响。诸如，它会降低工件的加工精度和表面质量，影响零件或整机的使用性能 和使用寿命，还可能会伤害生产操作者或机器的使用者等。因此，研究金属切削毛 刺的生成机理及控制技术对提高金属切削加工质量和效率，确保精密与超精密加工 和自动化加工技术健康发展具有重要的理论意义及较大的实际应用价值。 1 1 2 金属切削毛刺的危害 现代机械制造技术正朝着高精度、高速度、高效率、自动化和无人化方向发展， 金属切削毛刺的产生影响到产品的加工过程和产品的质量，成为制约机械制造技术 迅速发展的关键因素之一。目前，国内外去毛刺作业基本上还停留在使用人工操作 阶段，过多地消耗了生产时间，降低了生产效率。据同本工业调查研究生进行的统 计分析表明：去除毛刺工序所用的工时约占工件全部加工工时的5 1 0 。自二十世 纪八十年代以来，美国每年用于去除毛刺的费用约6 0 亿美元【1 0 1 ，这就显著地增n t 工件的加工成本。综合说来，会属切削毛刺的诸多不良影响及危害如下i l l ： ( 1 ) 影响工件的尺寸精度、形位精度和表面粗糙度： ( 2 ) 破坏或影响下道工序定位： ( 3 ) 影响或干扰工件的测量精度； 1 江苏大学硕士学位论丈 ( 4 ) 在装配工序中直接影响装配质量，甚至无法进行正常装配； ( 5 ) 在工件( 或零件) 的装配、运输工程中对操作者的安全构成威胁或造成一 定的伤害； ( 6 ) 在加工过程中，毛刺的突然脱落往往导致亏缺( 亦称负毛刺) ，致使工件 尺寸超差，甚至报废； ( 7 ) 液压传动元件、气液压传动元件若带有毛刺，将直接影响其动作精度或导 致泄漏，损害其使用性能； ( 8 ) 在使用中，毛刺的脱落可能导致机械传动受阻，破坏转动平稳性，加速运 动部件的磨损或导致电气短路； ( 9 ) 去毛刺加工消耗工时，降低生产率，往往成为增加成本的主要原因之一； ( 1 0 ) 影响工件的美观，降低产品质量，影响产品的销售。 因此，必须开展对金属切削毛刺形成机理的理论与实际研究，开发抑制或减小 毛刺的新工艺、新技术和新方法。从根本上解决金属切削毛刺问题。 1 1 3 影响金属切削毛刺形成的因素 图1 1影响金属切削毛刺的冈素 金属切削毛刺是切削加工过程中形成的。所以影响金属切削过程的因素都会影 响毛刺的形成。图1 1 为金属切削毛刺形成因果关系图。从因果关系图中我们可以看 出，影响金属切削毛刺形成的因素很多，它们互相影响、互相制约。切削加工中形 成的毛刺的形态和尺寸取决于各影响因素的综合作用。有关实验表明，切削毛刺的 江苏大学硕士学位论文 形态和尺寸大小主要取决于工件材料的性质、刀具的几何参数、切削用量、切削加 工的方式和被加工工件终端部的支承刚度的高低等。这样，我们可以根据工件的加 工质量要求，改变切削条件，调整有关参数，从而达到有效地抑制切削毛刺，确保 加工质量和切削效率的不断提高。 1 2 金属切削毛刺研究的国内外现状 对金属切削毛刺的研究是从二十世纪七十年代开始的。切削毛刺问题在工业发 达的国家( 如美国、r 本、德国等) 首先得到重视，逐渐形成了一门新的学科一毛 刺工程”( b u r re n g i n e e r i n g ) 即“毛刺技术”( b u r rt e c h n o l o g y ) 1 9 1 1 9 7 5 年，美国机 械工程学会下设了毛刺技术专业委员会( b u r rt e c h n o l o g yd i v i s i o n ) ，为进一步明确 研究目标，拓宽研究范围，19 8 0 年将毛刺专业技术委员会更名为毛刺和边角精整加 工技术研究会( b u r r , e d g ea n ds u r f a c ec o n d i t i o n i n gt e c h n o l o g y ) ，简称b e s t 。1 9 7 8 年，日本精密工学学会下设了毛刺去除技术研究会，主要从事金属切削毛刺的生成 机理、抑制技术、测试方法以及毛刺去除技术、设备的研究和开发，去除毛刺的经 济性分析等。1 9 9 0 年，中国机械工程学会下设光整技术研究会，中国仪器仪表学会 下设光整技术分委员会，并相继丌展了毛刺形成及工件棱边光整加工技术研究工作。 1 9 9 8 年6 月，中国机械工程学会下设的光整技术研究会和中国仪器仪表学会下设的 光整技术分委员会合并为中国机械工程学会光整技术专业委员会，组织全国相关专 家，系统开展毛刺形成与去除技术的研究。 1 9 7 6 年9 月，在美国的霍斯顿召开了首届控制毛刺的国际学术会议，会上交流 了2 3 篇学术论文：1 9 7 7 年6 月，在美国的芝加哥召开了精密表面光整加工技术与去 毛刺技术的第二次国际学术会议，会上宣读了有关切削毛刺生成机理及去除毛刺技 术的研究论文3 3 篇；1 9 7 9 年1 0 月，在美国的辛辛那提召开了第三次切削毛刺生成 与控制的国际学术会议，交流了研究切削毛刺的学术论文，并发表了有关毛刺研究 的科研成果。其后，国际生产工程学会( c i r p ) 也自1 9 8 7 年起在学术年会上相继发 表了若干篇切削毛刺研究方面的学术论文。1 9 9 0 年1 0 月，同本精密工学会去毛刺技 术研究会和中国机械工程学会在闩本大阪联合举办了首届精密表面光整加工及去毛 刺工艺技术国际学术会议；1 9 9 2 年8 月，中国机械工程学会和日本精密工学会去毛 刺技术研究会在中国大连联合举办了第二届精密表面光整加工及去毛刺工艺技术国 江苏大学硕士学位论文 际学术会议，除中、同两国外，美国、俄罗斯、德国、韩国等的专家和学者也与会， 并发表了多篇金属切削毛刺研究方面的学术论文。1 9 9 8 年国际生产工程学会机械加 工建模与预报课题组的专题学术报告中，有专门阐述毛刺形成与预报的章节，并重 点提出了毛刺形成及控制中待解决的若干问题】。在2 0 0 0 年9 月召开的第五届国际 精密表面光整及去毛刺工艺技术大会上，与会各国专家和学者集中讨论了以i s 0 9 0 0 0 为基础的工件棱边质量检查标准，其中有了4 0 多项关于毛刺的技术问题。 作为研究者，世界上已经有许多学者和专家投入金属切削毛刺的研究。其中比 较有代表性的有日本京都大学奥岛放式教授、美国学者l k g i l l e s p i e 、日本横滨国立 大学中山一雄教授、美国d a d o m f e l d 教授和中国江苏大学王贵成教授等，他们在 这方面都做了许多卓有成效的工作。 早在1 9 5 8 年，同本京都大学奥岛放式教授等人开始注意到了毛刺对加工质量的 影响，他对二维切削中所产生的毛刺从其形状上进行了简单分类，在此基础上进一 步研究了三维车螺纹时产生的毛刺对形位精度的影响，结果表明：产生的毛刺降低 了工件的尺寸精度和形位精度i z 3 】。 1 9 7 3 年，美国犹他州立大学的l k g i l l e s p i e 完成了切削毛刺的形成及其特性 ( t h ef o r m a t i o na n dp r o p e r t i e so fm a c h i n i n gb u r r s ) 的硕士学位论文，他认为：刀具的 刀尖钝圆半径和后刀面与加工表面间的摩擦是导致被切削金属产生塑性变形和流动并 形成切削毛刺的主要原因。他还利用塑性变形理论导出了泊松毛刺的理论计算公式【4 l 。 1 9 7 5 年，德国斯加图特大学的f s c h a f e r 博士从控制金属切削毛刺确保加工质量 的观点出发，针对零件结构形式对切削加工中产生毛刺的影响进行了探索。在分析 工件使用性能和加工要求的基础上提出了改进零件结构来有效抑制或减小毛刺的观 点。e s c h a f e r 明确指出：零件的结构形式和加工工艺安排对切削加工中产生的毛刺 有直接的影响，在产品设计中应考虑到毛刺问题，以减少毛刺去除量，提高其质量 和降低加工成本1 5 , 6 j 。 1 9 8 4 年，同本横滨固立大学中山一雄教授等以切削刃和毛刺伸出方向为参考系， 把金属切削毛刺分为两侧方向毛刺、倾斜毛刺、切入和切出方向毛刺等四大类，并 对两侧方向毛刺的生成机理进行了研究1 7 j 。结果表明： ( 1 ) 两侧方向毛刺高度和根部厚度随切削厚度增大而增大。 ( 2 ) 毛刺尺寸随刀具前角f ，的增大而减小。 江苏大学硕士学位论文 ( 3 ) 切削速度越高，毛刺尺寸越小。 1 9 8 6 年，中国学者王贵成开始对毛刺生成机理及其抑制技术进行了研究，指出 影响金属切削毛刺形成与控制的各因素关系，并建立了以切削运动刀具切削刃 为基准的切削毛刺分类新体系。首次将切削毛刺的生成和切削运动联系起来，从而 可以利用切削加工中的有关参数( y ，f ，口。，入，名，) 建立描述切削毛刺 生成的数学力学模型，以实现毛刺的定性或定量预报，并先后对车削、刨削、 铣削和钻削等加工中产生的毛刺进行了研究，提出了若干抑制或减小毛刺的新技术， 新工艺和新方法等【。 9 0 年代以来，以d a d o m f e l d 教授为首的美国加利福尼亚大学柏克分校的机械 工程学院的自动化研究室注重于特定材料在特定加工条件下形成的金属切削毛刺的 机理分析，建立了金属切削毛刺形成的有限元分析模型，并对钻削加工中毛刺的形 成与变化进行了理论解析，同时建立了钻削加工金属切削毛刺的专家系统，以实现 钻削加工切削毛刺的预报与控制【1 4 , 2 1 】。 1 9 9 6 年，台湾的云林工学院陈国良副教授利用s e m 观察了金属切削毛刺的生成 过程，指出当刀具接近工件的终端面，稳定切削状态就会消失，此时在工件的终端 面就会形成负剪切变形区，若裂纹未沿着负剪切变形区扩张则会在塑性弯曲变形和 塑性剪切变形的作用下形成毛刺。 1 9 9 7 年，李玲和樊曙天分别在中国江苏理工大学完成了金属切削毛刺的形成 及其预报和精密车削中毛刺生成机理的研究硕士学位论文，并对金属切削毛 刺的生成及其控制作了大量的实验和理论研究，取得了一定的学术成果。1 9 9 9 年， 张建明在江苏理工大学完成了金属切削毛刺形成的力学机制硕士学位论文，运 用工程力学理论，对二维切削和三维切削加工中毛刺形成的力学关系进行了深入的 探讨，从变形和断裂的角度对金属切削毛刺的形成进行了理论解析及部分实验验证， 为深入系统地开展余属切削毛刺形成与预报研究奠定了一定的理论基础。 1 3 金属切削毛刺研究中尚存在的主要问题 通过对金属切削毛刺的研究，取得了不少可喜的成果。但是，由于金属切削毛 刺问题的复杂性，这方面的研究还存在若干问题需要解决，主要有： 1 金属切削毛刺形成过程所涉及的影响因素较多，毛刺形成的机理分析的各学 江苏大学硕士学位论文 科理论解释也较多且形成模型还不能够精确地描述毛刺的形成过程，迄今为止，毛 刺研究还未建立具有普遍意义的理论模型，尤其是数学力学模型，这严重地影 响了毛刺形成的定量预报和控制。 2 由于工件材料、加工条件和加工设备的限制，金属切削毛刺的实验数据还比 较少，建立的毛刺预报和控制的数据库和专家系统还相当不够完善，难以准确地预 测与控制毛刺的形成和切削参数的优化选择。 3 随着科学技术的发展，计算机模拟仿真在机械加工中也被广泛应用。然而， 金属切削毛刺形成的模拟仿真研究还少有人研究，因而建立毛刺形成的模拟仿真模 型可以比较直观化地展现毛刺的形成过程，同时可以增加考虑更多影响毛刺形成的 因素，减少实验设计的成本。 4 切削毛刺测量方法和检测仪器的研究与开发缓慢，严重地制约了理论研究成 果的及时转化，延缓了制造工艺水平和技术提高的速度，致使去除毛刺成本有增无 减。 5 缺少统一的金属切削毛刺鉴定标准。目前，国外的毛刺标准基本上分为三类， 即工业级标准、公司级标准和个别零件标准【1 2 1 ，美国学者l k g i l l e s p i e 于1 9 9 2 年建 议制定毛刺标准【m 】；在2 0 0 0 年9 月召丌的第5 届国际去毛刺和表面精整大会上，讨 论了以i s 0 9 0 0 0 为基础的毛刺检查标准，给毛刺的测量带来了较为可靠的依据，而 国内目前尚无适用范围广泛的国家级毛刺标准，有待制定和完善，从而缩短与工业 先进国家的差距。 由此可见，目前尚未构建出完善的金属切削毛刺的形成、预报与控制理论，在 一定的程度上影响和制约了精密与超精密加工、柔性制造系统( f m s ) 和其它自动 化加工技术的发展，迫切需要继续开展此领域更系统、更全面、更深入的实验与理 论研究。 1 4 本研究的主要内容及目的 1 4 1 本研究的主要内容 对金属切削毛刺生成机理研究的目的在于科学地揭示毛刺生成及变化的基本规 律，为有效地抑制或去除毛刺提供理论指导。这就迫切需要运用已确立的切削毛刺 研究体系和影响切削加工的有关参数建立毛刺形成的数学力学模型，通过理论 6 江苏大学硕士学位论文 解析和实验验证，逐步充实和完善金属切削毛刺生成的基本理论，实现切削毛刺生 成的定性或定量性预报，促进少毛刺或无毛刺切削加工技术的形成、发展及其应用。 根据切削运动刀具切削刃毛刺分类体系，金属切削毛刺分为三大类六种具 体形式：切削方向毛刺、进给方向毛刺和两侧方向毛刺。本研究的主要内容( 见图 1 2 ) 包括以下几个方面： 幽1 2 本 i 】 究的主要内窬 ( 1 ) 金属切削毛刺的分类及其测量方法 介绍了国内外比较著名的金属切削毛刺分类体系，分析了这些分类体系所存在 的局限，重点探讨了切削运动刀具切削刃毛刺分类体系的优点和合理性；分析 了切削毛刺形态的主要特征参数( h 和b ) ，并对不同种类的切削毛刺提出了相应的 测量方法。 ( 2 ) 切削方向毛刺的形成及其界限转换 基于切屑形成的过程，依据切削方向毛刺形成时临界状态下的几何形态特性， 利用最小能量理论和剪切应变法则，建立出切削方向毛刺形成与变化的数学力 学模型，计算了临界状态下的初始负剪切角眈和初始距离t 。，探讨了切削方向毛n 江苏大学硕士学位论文 亏缺( 负毛刺) 的界限转换准则；揭示了影响切削方向毛刺生成与变化的主要因素； 提出了有效地抑制或减小切削方向毛刺的措施。 ( 3 ) 进给方向毛刺的形成及其界限转换 以车削加工为基础，结合进给方向毛刺的形成过程、变形方式和最小能量理论， 建立出进给方向毛刺的数学力学模型和形态转换准则；探讨了进给方向毛刺形 成与变换的一般规律，提出了有效抑制进给方向毛刺尺寸的技术和方法，初步实现 了进给方向毛刺的形成与预报。 ( 4 ) 两侧方向毛刺的形成及其界限转换 建立出两侧方向毛刺形成与变化的数学力学模型，揭示了两侧方向毛刺具 体形态的界限转换条件，分析了影响两侧方向毛刺的主要因素；初步探讨了两侧方 向毛刺预报与控制系统的设计。 ( 5 ) 金属切削毛刺专家知识系统的开发 利用金属切削毛刺研究的实验数据，按照数据库设计和专家知识系统设计思想， 初步构建出金属切削毛刺专家知识系统，分别建立了毛刺的知识库、数据库和规则 库，实现了金属切削毛刺数据录入、查询、管理等信息资源的共享；为大力推进无 少毛刺加工技术发展奠定了良好基础。 1 4 2 本研究的基本目的 金属切削毛刺的控制与去除是促进精密与超精密加工、柔性制造系统( f m s ) 和其它自动化加工技术发展的关键技术之一和必然的发展趋势，在精密加工、柔性 制造系统和其它自动化加工中具有广泛的应用前景。 本课题研究就是为了进一步完善切削毛刺的形成机理及其具体形态的界限转 换，构建金属切削毛刺专家知识系统，从而实现切削毛刺的预报与控制，加速促进 精密与超精密加工、柔性制造系统( f m s ) 和其它自动化加工技术的发展。 1 5 本章小结 本章对国内外在会属切削毛刺的研究进展进行了回顾分析，提出了尚待解决的 主要问题，从而导出了本课题研究的主要内容及目的。 8 江苏大学硕士学位论文 第2 章金属切削毛刺的分类及其测量 【摘要】对国内外金属切削毛刺分类体系进行了概述和分析，重点阐述了切削 运动刀具切削刃毛刺分类体系及其特点。系统地介绍了不同种类切削毛刺的测 量原理及测量方法。 2 1 金属切削毛刺的分类体系 2 1 1 概述 金属毛刺分类体系是建立金属切削毛刺形成与控制理论的基础。国外学者在开 展金属切削毛刺的研究中，分别建立了相应的毛刺分类体系。其中，比较有代表性 的分类体系为同本学者奥岛放式、中山一雄和美国学者l k g i l l e s p i e ，其分类体系基 础及毛刺形态如表2 1 所示。 表2 1 金属切削毛刺分类体系一览表 研究者分类体系基础毛刺形式研究内容 占月须状；流山状；二维切削 奥岛放式毛刺形状 规则状；撕裂状；三维车螺纹 泊松：翻转； l k g i l l e s p i e 形成机理二维切削 撕裂：切断； 毛刺伸出方向 两侧：倾斜：二维切削中 中山一雄 刀具切削刃 切入；切出： 两侧方向毛刺 2 1 2 奥岛放式毛刺分类体系【2 3 1 日本京都大学奥岛放式教授等人早在1 9 5 8 年就以二维切削中毛刺形状的差异为 依据，提出了以毛刺形状特征为基础的切削毛刺分类体系，把二维切削中材料沿刀 具切削刃塑性流动所产生的会属切削毛刺分为四大类九种具体形式，见表2 1 。奥岛 殷式教授毛刺分类体系较直观地反映出毛刺的形态及其危害性。但是，机械加工中 毛刺成为加工中的障碍主要在三维切削加工中。由于三维切削与二维切削的差异显 著，使得该毛刺分类体系无法应用于三维切削加工中。 9 江苏大学硕士学位论文 2 1 3 l k g i u e s p i e 毛刺分类体系【4 1 1 9 7 3 年，l k g i l l e s p i e 从弹塑性力学和切削理论的观点出发，以切削毛刺生成 机理为基础，建立了切削毛刺分类体系，见表2 1 。他把金属切削毛刺分为四种基本 形式：泊松毛刺，翻转毛刺，撕裂毛刺和切断毛刺。 l k g i l l e s p i e 的毛刺分类体系是依据切削毛刺由材料剪切滑移导致塑性变形而 形成的观点所确立的，较准确地体现出各种毛刺形成的主要特征，但是工程实际中 因工件材质，切削参数等的变化，生成的毛刺形状会有较大的变化，易于导致毛刺 形式确定的困难，常常给切削毛刺的研究带来诸多不便，以致无法有效地指导抑制 或去除毛刺等技术工作，使得l k g i l l e s p i e 的毛刺分类体系的应用受到了限制。 2 1 4 中山一雄毛刺分类体系【7 】 鉴于奥岛放式和l k g i l l e s p i e 的毛刺分类体系中存在的问题，1 9 8 4 年中山一雄 教授提出了刀具切削刃和毛刺伸出方向为基准的毛刺分类体系，见表2 1 。它采用双 符号系统即刀具切削刃( 主切削刃和副切削刃) 和毛刺伸出方向( 向后、向前、两 侧和倾斜方向) 为参考基准。 中山一雄教授按自己的体系把毛刺分成两侧方向毛刺、切出方向毛刺、切入方 向毛刺和倾斜方向毛刺四大类，提出了系统的分类方式，有利于系统地进行切削毛 刺生成机理的研究。但是中山教授的分类体系没有完全体现出切削加工中的基本要 素( 切削参数、刀具、加工材料、加工方式) ，特别是未体现切削运动对毛刺形态的影 向。 2 1 5 切削运动刀具切削刃毛刺分类体系【l 】 鉴于奥岛放式、l k g i l l e s p i e 、中山一雄等人的毛刺分类体系中存在的问题，王 贵成教授提出了切削运动刀具切削刃毛刺分类体系如图2 1 为其示意图。金属切 削毛刺是在刀具和工件问的相对运动过程中产生的，在此分类体系中，可把金属切 削毛刺分为切削方向毛刺、进给方向毛刺和两侧方向毛刺三大类六种具体形式。这 个分类体系具有以下特点： l o 江苏大学硕士学位论文 图2 1 切削运动一刀具切削刃毛刺分类体系示意图 ( 1 ) 分类体系与切削运动相联系 切削运动刀具切削刃毛刺分类体系以金属切削加工中最基本的运动主 运动和进给运动为基础，以刀具切削刃及其与工件的相对位置为参考，把切削毛刺 系统地分为三大类及六种具体形式。从表2 2 可知，此体系包含了金属切削加工的基 本要素，完全体现出了切削加工的普遍特点，为深入开展毛刺的生成机理的确立了 系统的、完整的科学体系。 表2 2以切削运动和刀具切削刃为基准的毛刺分类体系 毛刺的 参考系组成参考基准毛刺种类符号定义或说明 具体形式 刀具切削刃主切削刃( s ) 两侧方向毛主刃两侧方 s - s 沿主切削刃方向流动 刺( s )向毛刺产生的毛刺 副切削刃( s7 )副刃西侧方 s7 s 沿副切削刃方向流动 向毛刺产生的毛刺 进给运动切入( i )进给方向毛切入进给方 i - f 刀具切入时沿进给运 刺( f )向毛刺动方向产生的毛刺 切削运动切山进给方 o f 刀具切出时沿进给运 向毛刺动方向产生的毛刺 主切削运动切切削方向毛切入切削方 i - v 刀具切入时沿切削速 出( 0 ) 刺( v ) 向毛刺度方向产生的毛刺 切l 山切削方o v 刀具切出时沿切削速 向毛刺度方向长生的毛刺 江苏大学硕士学位论文 ( 2 ) 具有较强的理论指导功能 一般情况下，在同一种运动形式作用下所产生毛刺在其形成机理和变化规律上 具有相同或相近的特征。这样，运用切削运动刀具切削刃毛刺分类体系既有利 于深入揭示出切削过程中毛刺形成与变化的基本规律，有利于研究抑制或减小毛刺 的技术、工艺和方法，可为去除毛刺或控制毛刺的生成提供理论指导，因此具有重 要的使用价值。 ( 3 ) 有利于揭示影响毛刺的主要因素 根据切削运动刀具切削刃毛刺分类体系，可以较系统地分析毛刺的生成因 果关系，从而容易确定影响毛刺的主要因素。因它们之间是相互影响，相互制约的， 所以切削加工产生的毛刺尺寸和形状取决于这些影响因素的综合作用。 ( 4 ) 毛刺形式的唯一性 各种切削加工中的切削运动都是由一些简单的运动单元组成。而切削运动 刀具切削刃毛刺分类体系砥是以有关运动单元组成的基本运动为基础，这就解决了 毛刺分类中形式的归属问题，使切削毛刺的研究有了统一的规则和依据。 ( 5 ) 有利于切削毛刺生成与控制理论的确立 依据切削运动刀具切削刃毛刺分类体系，可以利用切削中有关参数( 1 ，、，、 吻、， 、，。、k ，) 对毛刺尺寸和变化的一定共享程度建立毛刺生成的数学模型，以 实现金属切削毛刺生成的定性或定量预报，为有效地控制切削毛刺提供理论指导。 2 2 金属切削毛刺的主要特征参数 图2 2 为根据切削运动刀具切削刃毛刺分类体系对车削、刨削和钻削加工生 成的毛刺分类图。 ( b ) 包i j 肖u 力口i ：( c ) 钻肖0 力口工 幽2 2备切削加l ：生成的毛刺形态示意图 江苏大学硕士学位论文 虽然切削加工方式不同，但通常情况下，切削毛刺的基本形状如图2 3 所示。其 横向截面尺寸如图2 4 所示，其中： 毛刺高度，是在横截面上测地的工件终端面与毛刺横截面轮廓之间的最大 距离： & 一毛刺根部厚度，是在工件终端面上测得的毛刺凸起点至工件理想加工表面 间的距离； 卜毛刺根圆半径，是在横截面上测得的毛刺截面尺寸之一。 图2 3 金属切削毛刺的外观形态 图2 4 毛刺横向截面主要尺寸 显然，毛刺的高度尺寸h 直接影响工件的尺寸精度及形位精度，而毛刺根部厚 度b 则影响去除毛刺的作业量。h 、b 表示出了毛刺横向截面的具体尺寸和形态。 2 3 金属切削毛刺的测量方法 2 3 1 千分尺测量法 图2 5 所示为使用千分尺测量毛刺示意图。由图可知，毛刺高度尺寸h 为 h = t 一t ( 2 一1 ) 式中：t 7 一实测尺寸； t 一工件厚度尺寸。 显然，千分尺测量法适用于测量较大尺寸的毛刺。当毛刺强度较低时，在被测 量过程中易被破损，影响其测量精度，因此，不宜使用千分尺测量。 江苏大学硕士学位论文 2 3 2 工具显微镜测量法 图2 5干分尺测量毛刺示意图 用工具显微镜可以直接测量出毛刺的主要尺寸，也可以间接测量出毛刺的形状 及其尺寸。 ( 1 ) 图2 6 为工具显微镜直接测量毛刺方法的示意图。由图可知： h = a 2 式中：a 一测量幅值。 ( 瑚) ( 2 ) 图2 7 为工具显微镜| 白j 接测量毛刺方法的示意图。由图可知： h = l 2 一l l ( 2 - 3 ) 式中：l 2 毛刺顶点光线焦点深度； l l 一工件已加工表面光线焦点深度。 工具显微镜法适用于测量尺寸较小工件精加工后产生的毛刺，且测量精度较高， 通常测量精度可达到0 0 01m m 。 图2 6 ji ：具显微镜直接测鼙法 图2 7 jl ：具显微镜间接测量法 江苏大学硕士学位论文 2 3 3 毛刺特征参数c m m 测量法 坐标测量仪c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e ( c m m ) 能够测量一些基本的几何参 数。如两点间的距离，曲线曲率半径等。而标准毛刺形式可用如图2 8 所示毛刺的横 截面的4 个基本参数来表示，即切削毛刺高度h 、毛刺根部厚度b 、顶端曲率半径r 和根部曲率半径r 来表示。然后根据p a p p u s 定理【l 刈可计算出毛刺的横截面，进而可 换算出毛刺的体积。因而，产生了用c m m 结合显微镜来测量毛刺的方法。该方法 是目前一种较为常用的测量毛刺方法。其缺点是测量在毛刺的横截面上进行的，不 能实现在线检测，而且测量的结果依赖于测量者。 2 3 4 激光测量法 图2 8 毛刺特征参数c m m 测量法 图2 9 所示为激光测量装置示意图。其测量原理是用激光束射于毛刺上，然后用 摄像机接收图像，由于毛刺对光束的阻挡，激光束在图像上形成一个缺口，其缺口 大小与毛刺的高度成一定的比例关系，经计算机图像处理即可计算出金属切削毛刺 的高度。此种方法设备投资较大，往往用于高精度微小零部件形成的毛刺测量。 激 光 束 摄像机 图2 9 激光测耸法 显示器 江苏大学硕士学位论文 2 3 5 微观尺寸检测法 为了测量金属切削毛刺的几何形态和尺寸，可以采用光学c c d 显微监测系 统【1 7 】。其测量原理如图2 1 0 所示。将摄像头对准工件，使其成像于面阵c c d ，经图 像采集卡采集到计算机中并显示于显示器屏幕上，可观察工件上的毛刺形态及其尺 寸。其优点是不会破坏棱边的质量，可以直接测量到毛刺的形状特征和误差的具体 数值。 2 3 6s e m 测量法 图2 1 0 微观儿何精度检测法 利用扫描电子显微镜( s e m ) 对毛刺尺寸进行测量被称为s e m 测量法。它是利 用做好的金相试样，在s e m 上进行测量。由于电子显微镜可以放大的倍率较高，可 以实现精密或超精密测量，但是，鉴于扫描电子显微镜投资较大，通常只有在研究 精密或超精密加工中毛刺生成机理时才使用。 随着科学技术的发展，精密、超精密加工中毛刺的测量方法也逐渐增多，同时 测量精度也越来越高，这为精密、超精密加工和自动化加工中毛刺的控制与去除技 术的发展奠定了良好的基础。 2 4 本章小结 ( 1