（机械制造及其自动化专业论文）车铣加工中心动态特性及其加工机理的仿真与实验研究.pdf

一f ： k - - 广奠j ， ad i s 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学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、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： j 。f ： 童 1 ： 。、 f、 ， 东北大学博士学位论文摘要 车铣加工中心动态特性及其加工机理仿真与实验的研究 摘要 随着科学技术的快速发展，高档数控机床正向高速度、高精度、高效率、复合化方 向发展，具有诸多优点的车铣加工中心是现代数控机床发展方向之一。车铣复合功能的 数控机床是近年来适应产品的复杂化和生产的高效率要求而发展很快的机种，可实现复 杂零部件一次装夹，完成全部加工工序，可以大幅度提高生产效率和加工精度。该加工 中心可同时采用多种工艺加工方法及复杂曲面加工，这是航空、航天等军工产品所需要 的；但研究开发一台车铣加工中心需要多种方案的反复比较及试验，也需要大量的技术 投资和较长的开发周期。 随着信息技术的快速发展，计算机建模与仿真成为2 1 世纪制造业发展的重要技术， 为车铣加工中心的设计、制造和加工等方面提供了重要手段。如何利用现有技术有效地 分析其动态特性、加工性能等关键技术，成为车铣加工中心亟待解决的问题。本文通过 采用计算机建模与仿真技术对车铣加工中心的若干关键技术进行理论建模、仿真和实验 综合分析，为其结构优化、控制系统设计和加工可行性提供重要参考依据。全文的主要 研究内容如下： 。 ( 1 ) 论述课题研究的背景以及车铣加工中心国内外发展的现状，分析车铣加工中心的 特点及亟待研制的必要性；综述计算机建模与仿真技术在国内外发展状况及在高档数控 机床上的应用与研究，论证将计算机建模与仿真方法引入到车铣加工中心进行研究的必 要性和前沿性。 ( 2 ) 采用虚拟样机与有限元集成方法对车铣加工中心进行协同建模，形成具有刚柔耦 合的虚拟样机模型；基于此模型对车铣加工中心进行运动学和动力学仿真分析，解决电 机参数选择和机构设计等问题。该集成仿真方法不仅接近实际情况，而且为加工中心的 电机选择和结构设计以及控制系统的设计提供参考依据。 ( 3 ) 首先采用弹簧阻尼单元模拟轴承支撑的方法对车铣加工中心关键部件进行模态 分析，获得轴承刚度对固有频率的影响规律以及在频响应分析中轴承刚度和阻尼对振幅 的影响规律；然后采用虚拟样机与有限元集成方法建立车铣加工中心的振动模型，形成 了具有刚柔耦合的振动系统，通过对此模型进行激振仿真并获得整机的固有频率和位移 响应，为该机床的结构设计提供参考依据；最后采用实验模态测试方法，验证激振仿真 结果的可靠性。 ( 4 ) 针对正交车铣复杂运动所产生的变切深、变厚度的切屑问题，有效建立无偏心 切屑和有偏心切屑的理论模型，分别仿真出圆周刃的切削厚度和深度、端面刃的切削厚 度和深度随铣刀转角的变化规律。通过三维切屑几何形状与实验形状进行对比分析，所 i i 东北大学博士学位论文 摘要 建立的正交车铣三维切屑模型是正确的。 ( 5 ) 采用针对车铣切削力的数学建模方法，分别对无偏心切削力和有偏心切削力进 行仿真，并获得切削力随铣刀转角的变化规律。基于车铣加工颤振机理建立其三维颤振 理论模型，获得传递函数和车铣加工稳定域叶瓣仿真结果图。通过实验验证可知，传递 函数和颤振稳定域的仿真是有效的，可以为加工表面质量和加工效率提供指导。 ( 6 ) 采用车铣加工轨迹构造函数的方法，建立其表面形貌的数学模型，然后通过对 表面形貌和表面粗糙度进行计算机仿真，获得出不同的加工工艺参数对表面形貌的影响 规律。最后采用车铣加工表面形貌的实验方法，验证建模与仿真方法的有效性和可行性。 关键词：车铣加工中心；虚拟样机：动态特性；加工机理；数学建模；仿真 i i i 东北大学博士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho ns i m u l a t i o na n de x p e r i m e n to ft u r n - m i l l i n g m e c h a n i s ma n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s a b s t r a c t w i t ht h er a p i da d v a n c e m e n to fs c i e n t i f i ct e c h n o l o g y , h i g h - g r a d en cm a c h i n et o o l sw i t l l h i g hs p e e d , h i g hp r e c i s i o n , h i 曲e f f i c i e n c y , a n dm u l t i p u r p o s et u m - m i u i n gc e n t e ra r et h e d i r e c t i o n si nd e v e l o p i n gm o d e mn cm a c h i n et o o l s n cm a c h i n et o o lw i t ht u r n - m i l l i n g f u n c t i o ni ss u i t a b l ef o rm a c h i n i n gc o m p l i c a t e dp a r t sa n dp r o d u c t st h a td e m a n ds h o r tc y c l e t i m et oi m p r o v ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n dm a c h i n i n gp r e c i s i o n t h et u r n - m i l l i n gc e n t r e s a t i s f i e st h ed e m a n do fm i l i t a r y p r o j e e l s ，s i n c ei t e n a b l e sm a c h i n i n go fw o r kp i e c e so f d i f f e r e n ts h a p e sw i t h o u tc h a n g i n gt h es e t - u p u n f o r t u n a t e l y , d u et ot h el o n gp r o c e s si n o b t a i n i n gt h ef i n a lc o n f i g u r a t i o n ，i tc o s t sal o to fi n v e s t m e n ta n dt i m et od e s i g na n dd e v e l o pa t u r n - m i l l i n gc e n t r e ”。： 晰n lt h ef a s td e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , c o m p u t e rm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n h a v eb e c o m et h ei m p o r t a n tt o o l si nm a n u f a c t u r ed e v e l o p m e n ti n21 nc e n t u r y , i n c l u d i n ga p o w e r f u la n a l y t i c a lm e t h o df o rt u r n - m i l l i n gc e n t e r d e t e r m i n i n gt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ， m a c h i n i n gp e r f o r m a n c eu s i n ga v a i l a b l et e c h n o l o g ya n dm e t h o d si st h ep r i m a r yo b j e c t i v ei n a n a l y z i n gt u r n - m i l l i n gc e n t e r u s i n gt h e o r ym o d e l i n g , s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tb a s e do n c o m p u t e rm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nt e c h n o l o g yt u r n - m i l l i n gc e n t e ri sc h a r a c t e r i z e di nt h e p r e s e n tp a p e r , w h i c hh o p e st op r o v i d ear e f e r e n c ef o u n d a t i o nf o ri t ss t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n ， c o n t r o ls y s t e md e s i g na n dm a c h i n i n gf e a s i b i l i t y t h er e s e a r c hc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n dt h eo b j e c t i v e so ft h ec u r r e n tw o r l d w i d ed e v e l o p m e n t o ft h er a m - m i l l i n gc e n t e ra r ed i s c u s s e d w i t ht h eh e l po fc o m p u t e rt e c h n o l o g i e s ，t h e h i g h - g r a d en cm a c h i n et o o lc a nb em o d e l e da n a l y t i c a l l ya n ds i m u l a t e d t h ep u r p o s eo ft h e r e s e a r c ha n dt h ep o s s i b l ea p p l i c a t o mo ft h em a c h i n et o o la l ea l s os u m m a r i z e d ( 2 ) t u r n - m i l l i n gc e n t e ri sm o d e l e du s i n gi n t e g r a t i o nm e t h o do fv i r t u a lp r o t o t y p ea n d f i n i t ee l e m e n tt of o r mav i r t u a lp r o t o t y p em o d e lt h a ti s c o m p o s e do fr i g i da n df l e x i b l e e l e m e n t s t h ek i n e m a t i c sa n dd y n a m i c ss i m u l a t i o n so ft h et u r n - m i l l i n gc e n t e ra r ea n a l y z e dt o s o l v et h ep r o b l e m so fm o t o rp a r a m e t e rs e l e c t i o na n dm e c h a n i c a ld e s i g n t h er e s u l t sw i t h i n t e g r a t i o nm e t h o da r en o to n l yc l o s et ot h ea c t u a lc o n d i t i o n ，b u ta l s ot h e yp r o v i d ear e f e r e n c e f o rt h em o t o rs e l e c t i o n ，s t r u c t u r ed e s i g na n dc o n t r o ls y s t e md e s i g n ( 3 ) f i r s t l y ，k e yc o m p o n e n t so ft h et u r n m i l l i n gc e n t e ra l ea n a l y z e da sl u m p e dm a s s e s b y i v - 东北大学博士学位论文 a b s t r a c t m o d e l i n gs p r i n g sa n dd a m p i n gu n i t sa sb e a r i n gs u p p o r t ，t h eb e h a v i o ro ft h eb e a r i n gs t i f f n e s s a n db e a r i n gs p a na f f e c tn a t u r a l f r e q u e n c ya n db e a r i n gs t i f f n e s s a n d d a m p i n ga f f e c t d i s p l a c e m e n ti nh a r m o n i cr e s p o n s e t h e n ，t h ev i b r a t i o nm o d e lo ft u r n - m i l l i n gi sd e v e l o p e db y i n t e g r a t e dm e t h o do fv i r t u a lp r o t o t y p ea n df i n i t ee l e m e n tt of o r mr i g i d - f l e x i b l ec o u p l i n g s y s t e m n a t u r ef r e q u e n c ya n dd i s p l a c e m e n tr e s p o n s eo ft h ew h o l em a c h i n et o o la r eg o tb y e x c i t a t i o ns i m u l a t i o nb a s e do nt h ev i b r a t i o nm o d e l ，w h i c hp r o v i d er e f e r e n c ef o u n d a t i o nf o r s t r u c t u r ed e s i g no ft u r n - m i l l i n g c e n t r e f i n a l l y , e x c i t i n g s i m u l a t i o nr e s u l t sa r er e l i a b l e , b e c a u s ei ti sv a l i db ye x p e r i m e n tm o d a lm e a s u r e ( 4 ) i no r d e rt od e t e r m i n et h ev a r i a b l ec u t t i n gd e p t ha n dv a r i a b l ec u t t i n gt h i c k n e s si n o r t h o g o n a lr u m - m i l l i n gc o m p l e xm o t i o n ，t h et h e o r i c a lm o d e l so fc e n t r i ca n de c c e n t r i cc h i p f o r m a t i o na r eb u i l tr e s p e c t i v e l yt og e tc u t t i n gd e p t h sa n dt h i c k n e s s e si np e r i p h e r a lc u t t i n g e d g ea sw e l la si nf a c ee d g e t h eo r t h o g o n a lt u r n - m i l l i n gc h i pm o d e li sv e r i f i e db yc o m p a r i n g t h eg e o m e t r i cc h i pf o r m a t i o nw i t ht h ee x p e r i m e n t a lf o r m a t i o n ( 5 ) t h ec e n t r i ca n de c c e n t r i cc u t t i n gf o r c e sa r es i m u l a t e du s i n gm a t h e m a t i cm o d e l s ，a n d t h er e g u l a rp a t t e mo fc u t t i n gf o r c ew i t l lv a r i a b l ec u t t i n ga n g l e sa l ec a l c u l a t e d t h r e e d i m e n s i o n a lc h a t t e rt h e o r ym o d e li sb u i l tb a s e do nt u r n - m i l l i n gc h a t t e rm e c h a n i s m , a n d t r a n s f e rf u n c t i o na n dt u r n - m i l l i n gs t a b i l i t yl o b e sa r ed e t e r m i n e da n dv a l i d a t e db ye x p e r i m e n t p r o v i d i n gg u i d a n c ef o rm a c h i n e ds u r f a c eq u a l i t ya n dm a c h i n i n ge f f i c i e n c y ( 6 ) t h em a t h e m a t i cm o d e lo fs u r f a c em o r p h o l o g yi sb u i l tb yt u r n - m i l l i n gt r a j e c t o r y c o n s t r u c t i n gf u n c t i o n t os i m u l a t et h ee f f e c t so nt h e s u r f a c em o r p h o l o g ya n ds u r f a c e r o u g h n e s si ss i m u l a t e dw i t hd i f f e r e n tm a c h i n i n gp a r a m e t e r s f i n a l l y , t h em o d e l i n ga n d s i m u l a t i o nm e t h o d sa r e p r o v e n t ob ef e a s i b l ea n dt h r o u g ht h et u r n - m i l l i n gs u r f a c e m o r p h o l o g ye x p e r i m e n t 。 k e yw o r d s ：t u r n - m i l l i n gc e n t e r ；v i r t u a lp r o t o t y p e ；d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ；m a c h i n i n g m e c h a n i s m ；m a t h e m a t i cm o d e l i n g ；s i m u l a t i o n 嗣 东北大学博士学位论文 目录 目录 独创性声明。i 摘要 a b s t r a c t i v 目勇乏。 符号注释i x 第1 章绪论1 1 1 课题背景：l 1 2 相关技术国内外研究的现状3 1 2 1 车铣加工中心的研究概述3 1 2 2 计算机建模与仿真技术概述l o 1 3 课题研究的目的和意义一1 6 1 4 本文结构框架及主要内容1 9 1 5 本章小结2 0 警。 第2 章车铣加工中心协同建模与仿真分析2 1 2 1 车铣加工中心结构特点2 l 2 2 车铣加工中心刚体建模2 2 2 2 1 简化模型及转换2 3 2 2 2 施加约束和动力2 4 2 2 3 虚拟样机模型的验证2 5 2 3 多柔体系统的车铣加工中心2 6 2 3 1 柔性体动力学分析2 6 2 3 2 多柔体动力学方程2 8 2 3 3 刚柔耦合模型建立3 0 2 4 车铣加工中心仿真结果与分析3 5 2 4 1 车铣加工中心的运动学仿真分析。3 5 2 4 2 基于多柔体的动力学仿真分析3 7 2 5 本章小结3 9 一浮 目录 实验的研究4 0 4 0 z 1 1 l ：z 分析4 4 3 2 1 主轴轴承刚度计算分析4 5 3 2 2 主轴模态分析4 7 3 2 3 主轴谐响应分析5 0 3 3 车铣加工中心整机的动态特性仿真分析5 2 3 3 1 振动系统模型的建立5 3 3 3 2 仿真结果分析5 4 3 4 车铣加工中心动态特性的实验研究5 7 3 4 1 测试系统及实验设备5 7 3 4 2 测试方法一5 9 3 4 3 实验结果分析6 l 3 5 本章小结6 2 第4 章正交车铣加工原理及切屑形状建模与仿真的研究6 3 4 1 正交车铣加工原理6 3 4 1 1 正交车铣加工运动关系及切削用量6 4 4 1 2 正交车铣切削过程分析6 6 4 2 正交车铣切屑理论建模6 8 4 2 1 无偏心切屑建模6 9 4 2 2 有偏心切屑建模7 4 4 3 正交车铣切屑形状仿真与实验研究。7 6 4 3 1 无偏心切屑形状仿真7 7 4 3 2 有偏心切屑形状仿真7 8 4 4 正交车铣切屑实验7 9 4 4 1 切屑三维几何形状与实验形状比较8 0 4 4 2 正交车铣切削参数与切屑形态之间的关系8 l 4 4 3 正交车铣与车削的切屑几何形状对比8 4 4 5 本章小结，8 5 第s 章车铣加工切削力及三维颤振仿真与实验的研究 8 6 5 1 车铣切削力建模与仿真8 6 j v 。 东北大学博士学位论文 5 1 1 车铣切削力建模 5 1 2 车铣切削力仿真 5 2 正交车铣三维颤振建模9 2 5 2 1 两维动态铣削模型9 2 5 2 2 三维动态铣削模型9 3 5 3 正交车铣三维颤振仿真与实验的研究1 0 0 5 4 本章小结1 0 6 第6 章车铣加工表面形貌的仿真与实验研究。1 0 7 6 1 正交车铣加工理论粗糙度及微观形貌1 0 7 6 1 1 车铣工件微观圆度的计算模型1 0 7 6 1 2 车铣工件微观形貌的计算模型。1 0 8 6 2 正交车铣加工表面形貌仿真二叠k 1 0 9 6 2 1 仿真流程1 l o 6 2 2 仿真结果及分析1 l1 6 3 正交车铣加工表面粗糙度实验116 6 3 1 实验目的及实验设备11 6 6 3 2 实验方法和步骤11 8 6 3 3 实验加工结果1 2 0 6 3 4 实验结果和分析一1 2 2 6 4 本章小结1 2 3 第7 章结论与展望。1 2 4 7 1 结论1 2 4 7 2 展望1 2 5 参考文献。1 2 6 致谢。 攻读学位期间发表的论文及获奖情况 作者简介 1 3 9 1 4 0 1 4 3 东北大学堡主茎竺垒查 笪量垄登 _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ l 一一 一 符号注释 切向切削力的作用系数m l m 2 ) 径向切削力的作用系数( n m m 2 ) 轴向切削力的作用系数( m ? ) 切向刃口力系数( n m m ) 径向刃口力系数( n m m ) 轴向刃口力系数( n m m ) 圆周刃切削区的切深( 聊m ) 圆周刃切削的切削厚度( m m ) 端面刃切削区的切深( m m ) 端面刃切削的切削厚度( 聊朋) 铣刀螺旋角( o ) 铣刀转角( o ) 铣刀切入角( o ) 铣刀切出角( o ) 每齿进给量( m m z ) 单位阶跃函数 工件加工前的半径( 研神 工件加工后的半径( r a m ) 刀具半径( , r i m ) 切削深度伽，1 ) 切削宽度( m m ) 铣刀转速( r p m ) 工件转速( r p m ) 刀齿齿间角( o ) 偏心距沏研) 铣刀端面刃上任一点到铣刀旋转中心的距离( r a m ) 旋转坐标的铣刀转角( o ) 切向力 r k k k k k町夕痧办丸正嘶r风， w 飞他力p广e 东北大学博士学位论文 符号注释 轴向力 径向力 轴向进给速度( m m s ) 原坐标与旋转坐标之间夹角( o ) 工件相对铣刀两相邻齿切合之间的转过转角( o ) 无颤振加工的最大轴向切削深度( r a m ) 铣刀齿数 切向进给速度( r a m s ) 圆周刃铣刀切入角( o ) 圆周刃铣刀切出角( o ) 端面刃铣刀切入角( o ) 端面刃铣刀切出角( o ) 动态切削厚度( r a m ) 静态切削厚度( r a m ) 模态质量矩阵 模态刚度矩阵 模态阻尼矩阵 驱动力 瞬时切削力 铣到与工件公转圈数 理论表面粗糙度值“朋) 实验表面粗糙度值c a m ) 径向刚度( n i m ) 轴向刚度( n m ) 径向阻尼 轴向阻尼 原点传递函数 交叉传递函数 车铣加工传递函数 固有频率 颤振频率 - x - c c五厂够z屹红w吲吲吲f疋也耳疋c c q吒iei哝啤 制造基本不消耗资源和能量，也不生产实际产品，而是产品的设计、开发与实现过程在 计算机上的本质实现，即采用计算机建模与仿真在高性能计算机及高速网络的支持下群 组协同工作，进行模拟与仿真，检查产品设计和制造的合理性、预测其制造周期和使用 性能，以便及时修改设计，更有效地灵活组织生产，以实现产品制造全过程的最优化【6 】。 目前制造技术的目标是以最短的时间、最低的成本和最有效的方法制造出高质量、 高性能的产品。由于产品的复杂性增加和富有竞争性的产品生命周期的缩短，物理样机 ( 高档数控机床) 的实现和测试成为成功开发具有经济优越性的现代机床的主要瓶颈r 7 1 。 当前，机床制造商很难承担起制造和测试物理样机所需的时间和费用，而现代机床的设 计过程引用了计算机仿真技术预测其性能，不仅减少硬件测试的费用和时间，而且减少 反复对物理样机改进的次数，计算机仿真技术能很好的解决开发产品的t ( 最快的上市时 间) 、q ( 最好的产品质量) 、c ( 最低的产品成本) 、s ( 良好的产品服务) 。其中虚拟样机仿真 ： 匿煺隧墩显耀一删 图1 1 传统设计过程与基于计算机仿真的设计过程的对比 f i g 1 1c o m p a r et r a d i t i o n a ld e s i g np r o c e s sw i t hm o d e md e s i g nb a s e d o ns i m u l a t i o n 从以上分析可以看出，传统模式的新产品的试制过程循环长，对完全创新开发的新 产品不利。与传统模式相比，现代设计过程中在计算机上建立虚拟样机模型和数学模型， 通过仿真结果对其设计质量包括外观、功能、性能、成本、可制造性、可靠性及制造周 期等指标进行分析和评价。计算机建模与仿真技术的出现和逐渐成熟，为解决传统设计 与制造中的种种弊端提供了强有力的工具和手段。其设计、制造、测试、评价等过程都 是在计算机上完成的，保证了物理样机一次试制成功率【1 7 1 。 东北大学博士学位论文 第1 章绪论 1 2 相关技术国内外研究的现状 1 2 1 车铣加工中心的研究概述 目前高档数控机床正向着高速度、高精度、高效率、复合化、智能化的方向发展。 在世界机床制造和机械加工领域，复合加工技术正以其独特的魅力被逐渐认识并应用于 实践中，尤其近几年，复合加工技术以较快的速度向前发展。复合加工是一种先进的制 造技术，其中车铣复合加工是最流行的加工工艺之一，可以把几种不同的加工工艺在一 台机床上实现。工序复合和工种复合是机床集成制造技术发展的基本点，而追求在一次 装卡下完成零件的全部加工，是制造技术发展的趋势之一。车铣加工中心不但可以缩短 加工时间，提高加工精度，而且缩短生产周期，实现零库存，最终提高整体生产效率【9 - 1 0 】。 今天用户对车铣复合加工技术的需求是以动态多变的市场经济环境和个性化产品 的社会需求为基础的，而生产条件则是小批量、多品种，甚至是单件生产所推动的。航 空、航天等军工领域经常出现小批量、高强度材料制成的高精度复杂零件，对于这些零 件，所涉及工艺需要采用多种加工方法，涉及的机床种类繁多，配套工艺夹具设计生产 困难，产品生产周期长，质量也难以有效控制；而车铣复合加工技术正好解决这样的问 题，设计机床时可以尽量考虑能适用于各种复杂的工件形状，在一次装卡下尽可能全部 完成所有的加工工序，因此产生了车铣复合加工中心这种新机型1 9 1 。这种新的加工理念 和新机型在一些特殊零件的加工中，以其不可替代的优势被越来越多的行业所接受，如 今已广泛应用于航空、航天、船舶、核工业以及一些民用工业领域中小批量、高精度、 形状复杂的回转体零件的加工。例如：航天工业中导弹的引芯、起爆壳体以及模拟试具； 航空工业中各种飞机的发动机主轴、起落架、各种泵体、精密插接零件，变螺距变导程 的复杂零件( 如图1 2 所示) ，核工业中的各类泵、发动机、船舶工业中的柴油机曲轴、 发动机活塞、柄、分离机分离毂、印刷行业印滚、螺旋叶片( 如图1 3 所示) 等的加工。 图1 2 变螺距变导程车铣复合加上图1 3 车铣加上螺旋叶片 f i g 1 2v a r i a b l ep i t c ha n dv a r i a b l el e a d - i n t e r v a li nt u r n - m i l l i n gf i g 1 3h e l i c a lb l a d ei nt u r n - m i l l i n g 第1 章绪论 看到车铣加工中心主要用于加工形状复杂、精度要求高、批量 这些零件的加工往往是在车削的基础上还附加铣、钻、镗、攻 还附加有深孔钻、滚齿、插齿、铣螺纹、铣复杂的空间曲面等。 使用车铣加工这些零件，既省时省力又易于保证零件的加工精度p 1 1 】。 1 2 1 1 车铣复合加工的特点 随着零件复杂性要求的增加，同时制造业对加工效率的要求越来越高，因此车铣工 艺有很多用武之地，因为它不仅能加工奇特的形状，而且能通过一次装卡完成零件加工。 车铣复合加工技术包括两方面含义。其一，车铣技术。车铣是利用铣刀和工件旋转的合 成运动来实现对工件的切削加工，使工件在形状精度、位置精度、表面粗糙度及残余应 力等多方面达到使用要求的一种先进切削加工方法。它不是车削与铣削的简单结合，而 是在当今数控技术得到较大发展的条件下产生的一种高新切削技术，利用车铣合成运动 来完成各类表面的加工。车铣技术完全不同于普通意义上的车、铣功能的简单叠加，而 是车、铣两根主轴运动合成的结果，是在当今数控技术得到较大发展的条件下产生的一 种高新切削技术【1 2 1 。它完全摒弃了传统的车削加工原理和部分车削功能部件( 如车刀和 车刀架等) ，增加了车削主轴功能实现c 轴功能和动力刀架b 轴( 铣刀主轴) 功能。加工 刀具用铣刀代替了车刀，即以铣代车。其二，复合加工技术，是机械加工领域目前国际 上最流行的加工工艺之一。复合加工就是把几种不同的加工工艺，在一台机床上实现。 复合加工应用最广泛就是车铣复合加工，其相当于一台数控车床和一台加工中心的复合， 可以使工件在一次装夹中完成车、铣、钻、镗等不同方法 j 口i 1 , 1 2 】。由于车铣复合加工 中心具有上述特点，深受用户的青睐，吸引了众多机床制造商研究开发，目前复合加工 机床已占到数控机床的约2 0 。随着多品种、中小批量生产需求的增加和复合加工机床 自身技术的发展，该类机床的需求量将会大大增加，在未来几年，该类机床将可能占到 数控机床的5 0 6 0 2 d j 。 车铣加工包括铣刀旋转、工件旋转、铣刀轴向进给和径向进给四个基本运动。车铣 切削速度由铣刀旋转速度和工件选择速度共同决定，其中铣刀旋转速度是主切削运动， 特别是在高速、超高速车铣加工中，工件旋转速度对切削速度的影响可以被忽略。切削 的进给速度由工件旋转速度、铣刀轴向进给速度和径向进给速度三个基本速度共同决定， 其中工件旋转速度对进给的影响远大于其它两个基本速度。铣刀的直线进给运动根据不 同加工的需要可采用轴向进给( 如加工轴类零件) 或径向进给( 如加工盘类零件) 运动，也 可同时采用轴向进给和径向进给( 如加工锥体零件) 运动。车铣加工依据工件旋转轴线与 刀具旋转轴线相对位置的不同，车铣加工主要可分为轴向车铣、正交车铣以及一般车铣。 根据刀具轴线与工件轴线的空间最小距离分为无偏心、上偏心和下偏心3 种情况。依据 工件和刀具旋转相对方向的不同，他们又都可分为顺铣和逆铣两种不同的形式，其中轴 向车铣和正交车铣是应用范围最广泛的两类车铣加工方法，它们分别是各自的特点及局 4 东北大学博士学位论文第1 章绪论 限性【1 2 】。如图1 4 ( a ) 正交车铣由于铣刀与工件的旋转轴线相互垂直，它不能对内孔进行 加工，但在加工外圆表面时由于铣刀的纵向行程不受限制，且可以采用较大的纵向进给， 因此在加工外圆表面时其效率较高，同时也是目前应用最为广泛的加工方式。如图1 4 ( b ) 所示，轴向车铣由于铣刀与工件的旋转轴线相互平行，它不但可以加工外圆表面，也可 以加工内孔表面。但由于他们的旋转轴线相互平行，刀直径小于其主轴箱体径向尺寸时， 就限制了铣刀的纵向行程，在这种情况下不适宜用轴向车铣加工，尤其是轴向行程较长 的外圆表面或较深的内孔表面。 径向进给 ( a ) 正交车铣( b ) 轴向车铣 图1 4 典型的车铣加工方法 f i g 1 4t y p i c a lr u m - m i l l i n gm e t h o d 车铣加工与其它传统切削方法一样，车铣技术并不是适用于所有零件的切削加工， 它只有在一些特定条件下才能充分发挥它的优点。具有如下主要优点： ( 1 ) 采用车铣加工中，一次装卡工件，不需更换机床，可以完成很多道工序，因此减 小工件的安装定位次数，从而可减小其安装定位误差，有利于提高工件的加工精度。( 2 ) 减小工序的工装夹具件数，从而可减小工装的准备时间及成本。( 3 ) 减小因工序转换所需 的等待、上下料及装夹等辅助时间，提高了生产率。( 4 ) 不仅可以使加工系统所需的机床 台数减少，而且由于加工过程的集约化，使物流系统缩短，从而可以大大减少加工系统 的占地面积。( 5 ) 车刀通常不能很好地用于间断切削，而使用铣刀则能达到间断切屑， 这样可以使刀具有充足的冷却时间。( 6 ) 由于切削速度是由工件和刀具的回转速度共同合 成，因此工件不需要高速旋转也能实现高速切削。一种加工方法的优劣取决于加工精度 和加工效率，车铣加工正体现这些优点【1 2 1 4 】。 1 2 1 2 车铣加工中心国内外研究现状 ( 1 ) 国外车铣加工中心研究现状 车铣加工的生产和发展与生产实践是分不开的，1 9 5 5 年德国的h w e b e r 总结了大量 的实际生产经验，在生产技术上发表了用硬质合金刀具铣削圆柱表面一文，详 细介绍了铣削圆柱表面时进给量、切削速度等主要参数的选用，并对已加工的表面精度 东北大学博士学位论文 第1 章绪论 进行了详细研究。该文献对后来车铣技术的研究产生了重要的影响，它介绍的用铣刀加 工圆柱表面的方法，就是车铣技术的一种基本方法舶向车铣的早