（机械制造及其自动化专业论文）难切削加工材料螺旋铣孔切削动力学及其试验研究.pdf

摘要 螺旋铣孔工艺是一种通过铣削实现孔加工的制孔方法。加工时，刀具中心与 孔中心线偏移一定的距离，刀具绕自身轴线高速旋转的同时，绕孔中心轴线旋转 并向下进给。螺旋铣孔工艺具有切削力小，一次加工精度高，切削过程平稳等优 点，在航空铝合金、钛合金以及碳纤维增强材料( c f r p ) 等材料上制孔，具有 明显优势，因而在航空制造装配业上具有广泛的应用前景。本文针对难切削加工 材料高硬度模具钢c r l 2 ( 5 8 h r c ) 和钛合金( t i 6 a i 4 v ) 的螺旋铣孔工艺进行 切削过程动力学及其试验研究，主要完成以下几个方面的工作： 分析了螺旋铣削动力学原理，定性的分析了影响螺旋铣孔过程中切削力的主 要因素，搭建了螺旋铣孔切削实验和分析平台，完成螺旋铣孔实验方案的设计。 针对高硬度模具钢螺旋铣孔工艺进行切削实验研究，采集分析了铣孔过程中 的三向切削力，分析了各切削参数对切削力影响规律；利用回归分析和最小二乘 法建立了轴向切削力疋模型；实时观察刀具的磨损情况，通过s e m 观察刀具磨 损后的显微结构，同时进行能谱分析深入研究刀具磨损机理；检测与分析螺旋铣 孔工艺孔加工精度及其影响因素。 针对钛合金材料进行螺旋铣孔和钻削工艺对比研究，比较分析了两种制孔工 艺在切削过程中的切削力、刀具磨损状况以及孔加工精度等；通过理论上分析钻 削过程切屑变形以及毛刺的生成模型，研究比较了螺旋铣孔和钻削的切入切出毛 刺问题。 螺旋铣孔过程动力学及其试验研究的结果表明：螺旋铣孔工艺在高硬度模具 钢、钛合金等材料上进行孔加工时，刀具表现出优良的切削性能，孔的质量也全 面优于传统的钻削。高硬度模具钢、钛合金等材料的螺旋铣孔工艺研究，为螺旋 铣孔工艺在模具加工以及航空制造等领域的应用提供了参考依据。 关键词：螺旋铣孔高硬度模具钢钛合金切削动力学 a b s t r a c t h e l i c a lm i l l i n gi sah o l em a k i n gp r o c e s sb ym i l l i n g ，i nw h i c ht h ec e n t e ro ft o o lo r b i t s a r o u n dt h ec e n t e ro fh o l ew h i l es p i n n i n go ni t so w na x i sa n dm o v i n gi nt h ea x i a l d i r e c t i o n c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a lp u s hd r i l l i n g ，w h e nm a c h i n i n go fa e r o s p a c e a l u m i n u ma l l o y , t i t a n i u ma l l o y , a n dc a r b o nf i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i c s ( c f r p ) ，i th a s o b v i o u sa d v a n t a g e s ，i ts i g n i f i c a n t l yr e d u c e st h et h r u s tf o r c e ，i m p r o v e sm a c h i n i n g p r e c i s i o n ，a n dc r e a t e sn o n v i b r a t i o n sc u t t i n gp r o c e s s s oh o l em a k i n gb yh e l i c a l m i l l i n gw i l lh a v ew i d ep r o s p e c ti nt h ef i e l do f a e r o n a u t i c a lm a n u f a c t u r i n g t h i sp a p e r p r e s e n t sa ne x p e r i m e n ts t u d yo fh e l i c a lm i l l i n gt e c h n o l o g yw h i c hw a su s e dt om a k e h o l e so nt h ed i f f i c u l tm a c h i n i n gm a t e r i a l ss u c ha sh a r d e n e dd i e - s t e e l ，a n dt i t a n i u m a l l o y t h ec o n c r e t ew o r k s a r ea sf o l l o w s ： t h ed y n a m i cp r i n c i p l eo fh e l i c a lm i l l i n gw a sp r e s e n t e d ，a n dt h ee f f e c to fc u t t i n g c o n d i t i o no nc u t t i n gf o r c ew a sq u a l i t a t i v e l ya n a l y z e d ；t h e nt h ec u t t i n ge x p e r i m e n t p l a t f o r ma n dc u t t i n gf o r c et e s t i n gs y s t e mw e r eb u i l t ，a n dt h es i n g l ef a c t o re x p e r i m e n t d e s i g nw a sp u tf o r w a r d h o l em a k i n gp r o c e s sb yh e l i c a lm i l l i n go nh a r d e n e dd i es t e e lw a sp e r f o r m e d ，t h e c o m p o n e n tf o r c e sw e r et e s t e db yk i s t l e rd y n a m o m e t e r , t h e e f f e c to fc u t t i n gs p e e da n d o r b i t a ls p e e do nc u t t i n gf o r c ew a sq u a n t i t a t i v e l yd i s c u s s e d a n dt h ee m p i r i c a lf o r m u l a f o ra x i a l f o r c eew a sp r e s e n t e db yt h em e t h o do fr e g r e s s i o na n a l y s i sa n dl e a s ts q u a r e m e t h o d t h et o o lw e a rc o n d i t i o nw a sm o n i t o r e di n s t a n t a n e o u s l y ；t h e n ，t h em e c h a n i s m o ft o o lw e a rw a sr e s e a r c h e db yt h em e a n so fs e me n e r g ys p e c t r u ma n a l y s i s a tt h e s a m et i m e ，t h ep r e c i s i o no f t h eh o l e sm a d eb yh e l i c a lm i l l i n gw a sp r e l i m i n a r ys t u d i e d t h ec o n t r a s tc u t t i n ge x p e r i m e n t sb e t w e e nh e l i c a lm i l l i n ga n dd r i l l i n gw e r ec o n d u c t e d o nt h ew o r k p i e c et i t a n i u ma l l o y t h ec u t t i n gf o r c e ，t o o lw e a ra n ds u r f a c ef i n i s h e d w e r ei n v e s t i g a t e db e t w e e nt h eh e l i c a lm i l l i n ga n dd r i l l i n g m e a n w h i l e ，t h ec u t t i n g b u r r sw e r es t u d i e dd e e p l y t h ec o n c l u s i o n sc o u l d p e r f o r m a n c eo f t h eh e l i c a l b ed r a w nf r o mt h ee x p e r i m e n tr e s e a r c h ，t h ec u r i n g m i l l i n gt o o lw a se x c e l l e n t , h e l i c a lm i l l i n ga sah o l em a k i n g t e c h n o l o g y , i ts i g n i f i c a n ti m p r o v eh o l e sq u a l i t y , n oc l e a n - u p o rd i s a s s e m b l yo r r e a s s e m b l yi sn e e d e d ；a l s o ，l e s st o o li n v e n t o r yi sn e e du s i n gh e l i c a lm i l l i n g ，s i n c eo n e t o o lc a nb eu s e df o rd i f f e r e n td i a m e t e rh o l e s t h ee x p e r i m e n tr e s e a r c ho fc u t t i n g p e r f o r m a n c eo ft o o l sa n dm a c h i n i n gd y n a m i co fh e l i c a lm i l l i n ga r eb e n e f i c i a l e x p l o r a t i o n k e yw o r d s ：h e l i c a lm i l l i n g ，h a r d e n e dd i e s t e e l ，t i t a n i u ma l l o y , c u t t i n g d y n a m i c s 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，也不包含为获得墨鲞盘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已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者躲竹仕舂撕期：砷年月斫 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞叠盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞态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印件和磁盘。 ( 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：幅、他兹 签字日期：一年，月7 角 翮虢镌腕 脚期：篇1 4 ；i 酊签字闩期：矽叫年j 月题r 第一章绪论 第一章绪论 切削加工作为制造技术的主要基础工艺，随着制造技术的发展，取得了很大 进步，进入了以发展高速切削、开发新的切削工艺和加工方法、提供成套技术为 特征的发展新阶段。螺旋铣削技术用于孔加工是孔加工工艺改进的有效尝试与创 新，螺旋铣孔在高硬度模具钢、钛合金、碳纤维增强复合材料的制孔工艺上更是 一种突破。因此，针对难切削加工材料的螺旋铣工艺切削过程动力学及其试验研 究具有重要意义。 1 1 课题研究背景与意义 1 1 1 课题来源 本课题来源于天津大学一肯纳金属( 美国) 有限公司合作项目：“螺旋铣孔 动力学研究”和天津市科技支撑计划重点项目：“飞机自动化装配装备的螺旋铣 孔单元研制。本文主要研究内容是通过深入研究螺旋铣孔加工工艺的动态性能 和切削动力学原理，为螺旋铣孔过程优化和刀具结构的优化设计提供理论基础。 1 1 2 课题提出 孑l ) j n 工作为金属切削加工中的一个重要工序，尤其是在航空航天装配过程和 模具加工制造过程中孔加工更是一个重要的环节，需要加工大量的、高质量的孔， 对于传统的钻b , j j n l - 般是无法满足这些领域对孔加工效率及精度的要求，螺旋 铣削用于孔加工在自动化生产、控制加工工件质量、提高生产效率和降低生产成 本等方面都具有巨大的优势l l 】。 世界第二大刀具生产商肯纳金属公司成功研制的用于螺旋铣削的涂层硬质 合金刀具将会有利的推动螺旋铣削技术的发展，天津大学与肯纳金属公司合作项 目的前期工作中已经对较低硬度的模具钢螺旋铣孔的动力学问题进行了初步的 探索，并取得了相应成烈己3 j ；目前，关于高硬度材料的孔加工问题的研究还是 相对较少。金属切削加工与刀具材料技术的发展是密不可分的，每一次刀具技术 的变革都毫无疑问的引起金属切削技术的变革发展，超硬涂层材料用于切削刀 具，使得硬切削技术也成为切削技术研究的一个热点【撕】。但是由于传统钻削加 工一些特点，例如半封闭式加工、切削力大、工件表面质量难以控制等都限制了 第一章绪论 传统钻削加工在高硬度材料和航空材料上的作为。螺旋铣孔工艺的“以铣代钻 完全克服了传统钻削加工的不足，不仅在高硬度材料的孔加工体现了其优势，在 航空难加工材料钛合金、碳纤维增强复合材料( c f r p ) 的孔加工上也体现了其 优势。 在机械工业产品更新换代，日益发展过程中，特别是针对高新技术密集的航 空制造、模具加工行业对加工精度、效率以及成本控制提出了更高的要求。螺旋 铣孔工艺可以有效的提高制孔效率、孔加工质量和降低生产成本，为企业的发展 创造更大的价值。因此，展开针对高硬度模具钢和钛合金的螺旋铣孔工艺的研究， 深入了解螺旋铣孔动力学问题、刀具加工磨损机理和孔加工精度都具有重要意 义。 1 2 螺旋铣孔工艺技术特点及其国内外研究现状 1 2 1 螺旋铣孔工艺技术特点 螺旋铣( h e l i c a lm i l l i n g ) l 彰b 亦称轨道钻( o r b i t a ld r i l l i n g ) ，是铣削的一种，与 一般的端铣一样都是一个断续切削加工的过程，但同端铣相比其显著的特点是： 刀具中心轨迹不再是直线而是螺旋线，加工过程中既具有径向进给同时又具有轴 向进给，可以利用螺旋铣工艺实现斜面、型槽、孔加工等。螺旋铣孔工艺过程( 图 1 - 1 ) 是一个“以铣代钻”过程，利用螺旋进给的方式实现切削运动。 图1 1 螺旋铣孔示意图 螺旋铣孔过程的运动是由主轴的“自转”运动和刀具绕孔中心线的“公转 运动以及主轴的z 向进给，这三个运动复合而成的，这种特殊的运动方式决定了 螺旋铣孔过程的优势。 第章绪论 首先刀具中心的轨迹是螺旋线而非冉线，也就是说刀具中心与所加1 一孔的 中心不重合，是偏心加工过程孔的直径与刀具的直径不一样，突破了传统的钻 孔一把刀具加工同一直径的孔的5 i i $ 4 ，实现了单一直径刀具可以用于加工一系列 直径孔，在实际的生产加工过榉巾，有效的减少换刀次数，节约换刀时间，这不 仅提高了j ：l j ：效率，同时也大大的减少存刀数量与种类，降低了加工成木： 其次，螺旋铣孔工艺过程是一断续切削过程，有利于列具的散热，降低了因 温度累积而造成刀具磨损、破损失投的风险，螺旋铣孔过程的玲却液的使用与传 统的钻孔相比有很大的改进，整个铣孔过程的冷却可咀采用微量润滑甚至是空冷 方式实现，是一个“绿色加工”过程： 第三，铣削加工切削变形与钻削加工切削变形原理的差异导致的切削抗力 和捧屑难易程度也不样，螺旋铣孔的偏心加l l 的方式使得切屑有足够的空间从 孔槽中排出，排杩方式下再是影响已加工孔表面粗糙度的主要因素。 图i - 2 显示了常用航空航天材料的传统钻削孔j j i t _ 和螺旋铣孔的孔加工质量 差异”i 。 ：鹾( 。_ l l 口 ( a ) 铝台金 ( b ) 钍台金( c ) 碳纤维增强复台材料 国1 0 传统钻削、螺旋铣出来曲孔( 左：钻削，右：铣削) 22 螺旋铣孔工艺国内外研究现状 螺旋铣削技术虽早出现在航空材料 l 加工中。t 6 n s h o f f 阐述了螺旋铣削技术 在复台材料铣孔中的优势，且大胆的预测了螺旋铣孔工艺技术在航空装配过程q ， 的应用前景j 。rl y e r 等人研究了在d 2 ( 美国牌号) 工具钢上加工高精度孔的 碗切削加工技术，较为系统的阐述了螺旋铣孔丁艺特点，研究结果表田，传统的 钻削加工无法满足精度要求同时钻头的磨损严重：螺旋铣女u 和传统钻削加工的 对比切削试验的结果表明，利用螺旋削技术在较高硬度丁具钢上加工孔时，孔的 加工精度能够得到保证，同时，刀具的磨损状口6 相对于钻削平缓得多。mi 9 9 8 年至今每年的美国s a e 制造技米和自动化会议( s a em a n u f a c t u r i n ga n d a u t o m a t e df a s t e n i n gc o n f e r e n c ea n de x h i b i t i o n , ) 都有收录关于螺旋铣削技术的文 章，且相关义章多由航空制造企业发表，其中美国b o e i n g 公司工程师更是多次 撰文阐述螺旋铣孔= l _ = 艺技术在b o e i n g ，7 8 7 中的应用同时也有相关学者纠对螺 旋铣- # l z 艺的自动化牛产技术进行r 专门的研究”“：w a n g f a n gn i 针对航空 第一章绪论 铝台金、钛台金以及碳纤维增强复台材科的螺旋铣孔过程中切削j 2 和孔加【质置 进行了试验研究，并对螺旋铣孔动力学进行了静丁步的探索”。 n o v a t o r 是一家致力于发展航空航天7 - , i k 的高新科技欧洲公司，匿公司基于 传统的d b 4 0 钻孔管理系统，创新性的研制开发丁o r b i t a ldr i l l i n g 便携机 i 。该轨 道钻 l 装置能够实现螺旋铣孔，便携机的螺旋铣削功能是通过刀具螺旋进给实 现，而并非通过编程实现螺旋铣插补；改变刀具中心的偏移距离，即可实现同一 把刀具加工不问直径系列的孔：同时，该装置配备完整的风冷与排屑系统。o r b i t a l d r i l l i n g 便携机的推出，得到，欧美航空制造公司的广泛关注。 肯纳金属公司和n o v a t o r 公司达成战略合作协议，旨纳公司提供刀具，n o v a t o r 公司提供加工工艺解决方案，针对飞机组装时所需的铣 l 加工，双方共同为提高 教率与降低成本进行了研究。研究表明采取新型螺旋铣孔工艺j 壶术，叩用同一 把刀且加工不同直径孔并获得高表面质量，可以减少飞机机翼等零部件的拆卸、 避免附加的毛刺去除等工作，显著的提高生产效率降低刀具成本。目前，肯纳 金属公司已成功的研制出一系列针对于不同材料的螺旋铣削加工刀具。 图i 一3肾纳金属公司生产螺旋削刀具 在国内机械加工行业中，螺旋铣削也常作为一种加工工艺解决方案用于孔 n 工，但是，由于川具和机床的原因，该工艺技术没有能够像传统车、铣、磨一样 得到r _ ：乏的应用。由于螺旋插补铣对机床的精度要求鞍高，国内数控技术的研究 较欧美发达国家相对落后，因此螺旋铣工岂技术的研究和应用也落后于欧美等发 达国家。 天津大学与肯纳金属公司合作项目一硬质合金螺旋铣削动力学研究在低硬 度模具钢螺旋铣孔动力学方面进行，深入研究。通过螺旋铣孔正交混合切削实 验，对切削力实验数据进行回归拟合分析，得到了铣削力的二次回归模型；建立 了螺旋铣孔过程理论力矩模型：同时还对孔加工精度进行r 检测与分析o ”。 随着国家把“大飞机”项丑列为国家的重大科技专项之一，并于2 0 0 8 年5 月启动，在航空航天材料孔加工上具有明显优势的螺旋铣| j r l 2 ：艺必将会受到业畀 的青睐。目前，国内高校或足企业对螺旋铣孔工艺自0 研究较少，本文引对难切削 第一章绪论 加工材料高硬度模具钢以及钛合金的螺旋铣孔切削过程动力学及其切削试验研 究，对于提高螺旋铣孔工艺技术的科研水平，将会是积极有益的探索。 1 3 切削动力学的发展 国外很早就开始了加工过程机理的研究，m e r c h a n t 在4 0 年代初以剪切面理 论为基础，对剪切滑移理论进行了大量的研究，建立了直角切削模型【l5 i 。其它学 者如l e e 和s h a f f e r 等人依据塑性定律提出了剪切角预测模型【l6 | 。o x l e y 和 b o o t h r o y d 对温度变化与铣削力的关系进行了理论分析和实验研究，提出了相应 的温度预测模型【17 ，1 8 】。具体对铣削力模型而言，y a m a z a k i 和w a n g 研究了根据平 均功率来估算切削力的平均刚性力模型1 9 2 0 】；t l t i n t a s 等人从刀具与工件之间相 互作用的动力学角度，提出了再生动力学模型，在理论上基本解决了加工过程中 动力学所涉及到的问题，为切削加工过程颤振稳定域的研究提供了坚实的理论依 据。 国内，对于切削过程动力学研究比较深入。清华大学针对研制的新型的混联 机床，建立了振动模型，并以端铣刀铣削平面为例研究了切削参数对振动特性的 影响1 2 1 2 2 1 。北京航空航天大学开发了一套面向数控铣削加工过程的动力学仿真 优化系统，可以快速有效地预测铣削加工过程中刀具的瞬时铣削力、主轴功率、 主轴扭矩等物理量【2 引。 目前，基于加工过程的动力学建模方法主要有3 类1 2 4 l 。 1 、机理分析方法以金属切削理论和多体动力学原理为基础，从理论分析 的角度出发，建立铣削过程中各种物理量的动力学关系。 2 、实验辨识方法把所要研究的铣削过程看成函数问题来处理。针对所研 究的对象，进行一定量的切削实验，对得到的实验数据进行模型辨识，得到各物 理量之间的规律。 3 、混合建模方法混合建模方法融合了机理分析和实验辨识两种方法的优 势。该方法既能考虑到切削机理的变化规律，同时又可以通过少量的实验来确定 所需的模型参数，因而己成为目前复杂系统动力学建模的主要实现手段。 1 4 本文主要研究内容 本文围绕螺旋铣孔工艺，在高硬度( 5 8 h r c ) 模具钢上进行的螺旋铣孔工艺进 行研究，研究了螺旋铣孔工艺过程中的切肖0 力、刀具磨损以及加工孔表面质量等 方面，着重研究了刀具在干切条件下的磨损机理，进一步分析比较了螺旋铣孔工 第一章绪论 艺与普通钻削工艺的优缺点。通过具体切削实验对螺旋铣动力学进行了探索。 钛合金是典型的难切削加工材料，本文针对钛合金螺旋铣孔进行了探索，毛 刺现象是金属切削加工过程中的难以避免现象，通过分析钻削毛刺的生成模型， 比较分析研究了钛合金螺旋铣孔工艺过程和钻肖加工过程中的毛刺控制问题，通 过切削力的采集分析以及刀具耐用度分析，同普通钻削加工相比较，螺旋铣孔在 钛合金的孔加工工艺上具有明显的优势。 本文主要分为有五个章节： 第一章为绪论，简要概括了螺旋铣削工艺的研究背景、发展现状和切削动力 学理论研究的发展现状； 第二章主要阐述螺旋铣削动力学原理、实验手段、分析手段和以及相应实验 设备仪器等； 第三章为高硬度模具钢( c r l 2 ) 螺旋铣孔动力学及其实试验研究； 第四章为在钛合金进行螺旋铣孔切削实验研究与分析； 第五章为结论与展望。 6 第二章螺旋铣削切削实验平台构建和实验设计 第二章螺旋铣削切削实验平台构建和实验设计 在先进制造技术的发展过程中，刀具技术起到了非常关键的作用。但是在实 际的生产和加工过程中，每一品种的刀具材料都有其特定的加工范围，只能适应 一定的工件材料和切削速度范围。通过切削实验，合理把握刀具切削性能，是成 功进行切削加工的关键。本章将较为系统的阐述螺旋铣削过程动力学原理，影响 切削力的主要因素，以及实验设计和切削实验平台构建等，最后简要介绍相关的 实验设备仪器。 2 1 螺旋铣削动力学 螺旋铣是端铣加工的一种，切削刀具的轴向进给运动和径向进给运动复合形 成了刀具的螺旋线进给运动。利用螺旋铣削方法加工孔时，由于刀具中心轨迹为 螺旋线，其必导致刀具中心与所加工孔中心偏移一定距离，所以直径为研的刀 具，加工出来的孔径为d = 珥+ 2 r ，实际加工操作中一般螺旋铣加工的孔径范 围为1 2 1 8 研，因而刀具的偏移距离，一般都小于加工刀具半径碍。图2 1 为螺 旋铣孔平面示意图，图中a 为加工孔中心，0 2 为刀具中心，甜为刀具螺旋铣进 给运动时的螺距，矽为刀具轨迹的螺旋角，三为刀具中心轨迹在初始进刀平面投 影的距离。 为了便于分析螺旋铣削动力学原理，下面先定义一些涉及到螺旋铣过程中的 参数：切削速度圪r a i n ) ，主轴转速n ( r p m ) ，周向进给量厶( m m m i n ) ，轴向 进给量厶( r a m r a i n ) ；由于螺旋铣的周向进给是通过主轴的螺旋进刀实现的，故 此也有将周向进给用螺旋轨道转速c o ( r p m ) 来表示。 给定螺旋铣孔过程中刀具进给参数为：轨道转速缈、轴向迸给量厅；刀具几 何参数为：刀具直径珥，切削刃数( 齿数) 乙；加工孔径为d h ；机床主轴转 速为。 据图2 1 则有螺距， 甜= 左c o ( 2 一1 ) 在每一个螺旋进给时，刀具中心在垂直于刀具轴线平面内走过的距离三， 三驾刀( d d r )( 2 - 2 ) 第二章螺旋铣削切削实验平台构建和实验设计 图2 1 螺旋铣孔平面示意图 当螺旋角秒很小( s 5 。) 时，有近似关系秒t g o ，故， 口角。墨一 c o ；r ( d h d t 、) ( 2 - 3 ) ( 2 - 3 a ) 在螺旋铣孔过程刀具中心的轨迹是一条螺旋线，即图中三角形的斜边；刀具齿数 为乙，则刀具切削过程中，金属切削量万可以表示为， 万：型幽堕国： ( 2 4 ) n z n z s i n 秒 、7 同理，当乡很小( 5 。) 时，有近似关系臼彭s i n 8 ，故将式( 2 3 a ) 代入式( 4 ) 得， 万五塑鱼二垒塑 n z zn z ( 2 - 4 a ) 金属切削量与切削力大小有直接的关联，一般而言，金属切削量大，迫使切 屑剪切滑移离开母材的抗力就要大，则宏观切削力就会增大。由式( 2 4 a ) 可知， 当轨道转速增大时，金属切削量万增大，切削力将会变大；而切削速度增大时， 金属切削量万减少，切削力将会减低。 有一点必须指出的是，螺旋铣削过程中，刀具中心金属切削量万，同刀具外 周刃的金属切削量艿。大小是不一样的，它们存在关系， a p - - a 去( 2 - 5 ) 由式( 2 4 a ) ，外周刃的金属切削量万。还可以表示为， 氏 第二章螺旋铣削切削实验平台构建和实验设计 万。；型垃( 2 5 a ) n z 。 由以上的分析可知，螺旋铣削的切削力将会由螺距甜，螺旋角0 以及金属切 削量万等因素共同决定，而加工参数主轴转速，轨道转速t o ，轴向进给量易， 以及刀具中心的偏移r ，都对切削力有直接的影响，当然工件的硬度对于刀具承 受的切削力大小也是直接相关的。 切削参数中，主轴转速、轨道转速彩以及轴向进给量厂7 等因素对切削力 的影响程度可以通过切削实验进行定性分析。 2 2 螺旋铣孔切削力模型 由于切削力理论公式的计算结果与实测值比较误差较大，所以目前定量地研 究切削力规律时大多采用实验方法，而理论公式只作为定性分析的指导。试验方 法，即在各种不同的切削条件下测试其相应的切削力值，然后利用统计回归的数 学方法，找出切削力随切削条件变化的定量规律【2 引。密切影响螺旋铣孔切削力的 切削因素有切削速度屹，轨道转速1 0 ，轴向进给量疋以及刀具中心偏移距离，。 借鉴参考常用的切削力经验公式，建立螺旋铣孔切削力经验公式形式： f l = c f y ：t d j 鬈矿lq - q 式中，g ，q ，包，q ，谚一均为回归待定系数u = x ，y ，z ) ；它们均取决于试验 数据点的分布。 线性化处理，对公式( 2 6 ) 两边取自然对数得， l g f = l g c f + a z g z 。+ b l g t o + c l 西z + d l g r q - 6 a j 令y = t g v ，b o = t g c , ：，而= l g v , ， 则线性回归方程为： y 2 b o + a x i + b x 2 + c x 3 + d t 9 2 = l g t o ，恐= 域，x 4 = l g r 式中，b o ，口，b ，gd 为待求的5 个系数； 个不同的数值。 ( 2 7 ) y ，x 1 ，x 2 ，x 3 ，x 4 在实验设计中分别取即 对于线性方程( 2 。7 ) ，玎个实验点，各点的偏差为， t = 咒一( 6 0 + 瞒，+ ，+ q ，+ 也，) 回归分析法就是利用最小二乘法，求各点偏差的平方和最小， ，? = q ( b o “b ，c ，d ) 9 ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) 第二章螺旋铣削切削实验平台构建和实验设计 q ( b o ，口，b ，c ，d ) 整理得， 取最小值的必要条件为， 塑：0 ，塑：0 ，翼= o ，塑：o ，望：o o b o o a8 ba c8 d 1 0 f 2 1 0 ) ( 2 一l o a ) x tx 。 方 显 第二章螺旋铣削切削实验平台构建和实验设计 b = r j 葺l x i ，y j = l k ，z j 昌2 玛，r i - i 五，z ，一l x = l l嘞i玛1 l l 2屯2恐2昀2 l 3屯3屯3毛3 ： l 而。恐，x a 。x 4 。 正规方程组右端常数项矩阵b 亦可用矩阵x 和y 来表示：b = x r y 】，= 乃 儿 儿 ： y n b = 6 0 口 b c d 为待求系数。 正规方程的矩阵形式为：a b = b ，则有b = a b 。 还应当指出，为了便于数据处理并保证所得经验公式的可靠性，合理安地排 试验点是十分必要的。目前安排试验的方法有两种，即单因素试验法和正交试验 法。 2 3 螺旋铣孔切削实验设计 一个完整的切l u l l 工系统主要由三部分组成：被切削工件、加工机床、切削 刀具，这三部分都对最终完成的切削加工质量都有着重要的影响。工件材料的切 削加工性能优良与否直接决定了切削加工可进行性和切削加工的工艺布置；加工 机床的动态性能直接影响切削加工的稳定性和零件加工精度；切削刀具是切削加 工系统中与工件进行接触，使工件发生变形，正确选择切削刀具以及切削参数是 保证切削加工正常进行的前提，加工系统中的三个部分是相互影响和制约的。 本文着重研究螺旋铣过程中的切削力和刀具磨损状况以及已加工孔的精度， 根据研究对象设计实验方法，包括选择切削条件、确定实验方案、选择传感器及 其安装位置、搭建测试系统平台等。 为了能更加深入的分析螺旋铣在孔加工方面的优势，本文还设计了钛合金的 钻削加工对比实验，其具体的切削加工参数以及加工条件将在相关章节中阐述。 第二章螺旋铣削切削实验平台构建和实验设计 2 3 1 切削条件 切削力是切削过程中的一个重要参数，影响切削力的因素有许多，切削参数 中，切削速度圪( 聊r a i n ) 、轨道转速c o ( r p m ) 以及轴向进给量f z ( m m m i n ) 等因素 对切削力的影响规律是本文的研究重点，单因素试验时切削实验结果能够直接反 应切切削参数对切削力的影响，本文采用单因素实验设计法进行切削实验。 由于在高硬度模具钢的加工中，螺距和刀具中心偏移距离的可变范围较小， 所以在切肖u 试验设计时，将参数”，固定在一定水平，其它的切削加工参数根据 刀具厂商的推荐以及加工经验确定的各材料切削要素如下： 1 、模具钢材料螺旋铣孔实验条件 高硬度模具钢的螺旋铣孔切削力分析，一方面是分析切削参数对切削力的影 响规律，建立切削力预测模型；另一方面用于确定刀具磨损时的刀具切削加工参 数，切削力测试试验设计为单因素试验设计，参考端铣切削加工高硬度材料的经 验，选定切削速度为7 0 1 2 0 ( m r a i n ) ，轨道转速功为5 0 1 1 0 ( r p m ) ，螺距u 固 定为0 2 ( r a m r e v ) ，铣削孔深h = 1 2 ( r a m ) 。 2 、钛合金材料螺旋铣孔实验条件 切削条件选择：切削速度v ： ( 脚，每齿进给量，：o c 7 0 - 9 0 r a i n ) s0 5 - 00 8 ( m m 齿) ，螺距u ：0 1 0 2 ( m m r e v ) ；加工孔径d = l o ( m m ) ，即刀具中心偏移距离 ，= 1 5 ( m m ) ；加工孔深h = 1 2 ( m m ) 。 需要指出的是，无论是这里提到的每齿进给量s ，还是前面用到的轨道转速缈 都是刀具中心进给量的表达方法，轨道转速仞是我们便于突出螺旋铣削加工的螺 旋插补进给特殊方式而定义的一个概念，同时轨道转速0 3 也是外文文献中o r b i t a l s p e e d 的直译。虽然表示的方法不一样，但是它们本身存在一定的数量关系，如 s z z 。n = 2 n 彩，| ，正= 甜1 9 ) 。 2 3 2 润滑条件 冷却液具有冷却、润滑、排屑和清洗的作用。在螺旋铣孔过程中，由于切削 加工材料的特殊性，会产生大量的切削热，直接影响到刀具的磨损，耐用度以及 加工表面质量等，为了能够比较好评价刀具切削性能以及为了使采集到的信号能 够真实的反映加工过程，切削力实验时使用了空气冷却条件，刀具磨损实验在空 气冷却和液体冷却条件下分别进行。 第二章螺旋铣削切削实验平台构建和实验设计 2 4 切削实验平台 切削力测量是金属切削研究中的重要实验技术，不仅研究金属切削机理需要 研究切削力的瞬时值，制定切削用量和设计机床时也需要切削力数据，而且切削 力是对切削过程进行自适应控制的重要参数，是自动化加工中对切削过程进行检 测的重要信号。 切削力实验测试系统由机床、工件、测力仪及其电荷放大器、数据采集卡、 以及计算机组成。数据采集软件是k i s t l e r 公司配套提供的d y n o w a r e 数据采 集分析系统。切削力采集测试系统如图2 2 所示。切削力采集时，工件安装固定 在k i s t l e r 9 2 5 7 b 测力仪上，铣削过程产生的力使得测力仪产生相当量的电荷 信号，电荷信号通过传输通道，经过电荷放大器转换成电压信号，最后通过数据 采集卡等实时记录到p c 机中。 2 5 实验设备和仪器 图2 - 2 切削力采集系统测试示意图 2 5 1 切削实验用机床 d m c 7 0 v l i n e r 加工中心 螺旋铣孔削切削实验在d e c e k lm a h og r n b h 公司制造的d m c 7 0 v 高速加 工中心完成，该机床能够直接实现螺旋插补，如图2 3 所示。机床主要的技术性 能指标列于表2 1 。 第二章螺旋铣削切削实验甲台构建和实验设计 袁2id e c 7 0 v 机床主要技术性能指标 v c n 4 1 0 b h s 数控加工中心 钻削实骑在m a z a k 公司制造的n e x u s4 10 b - h s 数控加工中心完成，该机床具 有内冷功能，在铺削加工高硬度模具钢过程中，内冷能够有效的延长钻头寿命。 如图2 4 所示，其主要的技米性能指标列于表2 2 。 襄2 - 2n e x u s4 1d b h s 机殊主要技术性能指标 圈2 - 3d e c 7 0 v 加工中心 圈2 - 4n e x u s4 1 0 b h s 加工中心 252 传感器 测量方法和测力传感器的选择足切削力测量的首要问题。过去测力时使用过 的传感器有机械的、液压的、电容的、电感的、电阻应变片的和压电品体的等。 从现在测力的要求来看，并不是所有的这些测量方法和传感器都适用。 机械和液压测力传感器阁刚度低、惯性大、只能测平均切削力，实际已被淘 汰；电容和电感测力仪虽可用于测量切削力的瞬时僵，但由于结构限制，在测量 第二章螺旋铣削切削宴验下台构建和实验设计 多向切削力时，特别是在切削力作用点位置改变时( 铣削) 测力仪结构复杂，因 此这两种估感器也不适用于切削力的删量l ”i 。 压电晶体传感器因灵敏度高受力变形小而被重视。不同方向切片的石英晶 体，产生电荷的力作用方向不同，可用在多方向分力测麓而避免分力的相互f 扰。 压电晶体传感器的测力仪性能良好自振频率可选3 i o k f z ，适用于严格的科研 实验。k i s t l e r 铣削测力仪是种压电式传感器，当7 j 具切削加工工件时，当 有切削力作用在工件e ，由于压电效应，传感器元件产生与所受压力成正比的电 荷量，通过电荷放火器转换成相应的电压信号，通过标定的电压信号最终可转化 为切削力信号输出。 本文利用k i s t l e r 9 2 5 7 b 二向压电式测力仪、k i s t l e r 5 0 7 0 a 电荷放大器， 以及相应的数据采集与处理系统测量切削力和扭矩。如图2 - 5 、2 - 6 所示。 k i s t l e r 9 2 5 7 b 测力仪的基本技术参数 灵敏度： 00 】n 量程；5 k n ( f 。，f 。) - 5 1 0 k n ( f ：) 采样频率：1 0 0h z - 3 kh z 利用k i s t l e r 测力仪的配套软件d y n o w a r e 可对测得的力信号进行分析和 处理。 幽2 - 59 2 5 7 b 铣削测力怔图2 * 5 0 7 0 a 电荷放大器 253 刀具磨损测量 刀具耐用度是确定换刀时问的蕈蔓依据同时也是衡量工件材料加工性和刀 具材料切削性能的优劣，以及刀具儿何参数和切削用量选择是否合理的重要依 据。 刀具耐用度：刀具在不变的切削条件下从开始切削直到磨损量达到磨钝标准 为止的总切削时间。 第二章螺旋铣削纫削实验平台构建和实验段计 刀具在切削过程中不断的磨损，达到定磨损标准，不能满足加丁质量或足 生产率所要求的切削性能，需要进行重磨。一般咀后刀i 酊磨损值v b 达到一定数 值作为磨钝标准。按i s o 围际标准规定：均匀磨损v b = 03 r a m ，1 ；均匀磨损，取 v b m a x = 06 r a m i ”】。 使用p h i l i p sx l 3 0 一f e gs e m 扫描电镜、e d a xe d s 能谱分析仪对涂层刀具 不同磨损阶段的磨损表面形貌及化学成分变化进行定量分析，进而分析滁层刀具 的磨损机理及失效形式。分析仪器见图2 - 7 、2 - 8 。 囝2 - 9 硬度仪图2 1 0 显微硬度位 第= 章螺旋铣削切削实验平台构建和实验设计 255 加工表面粗糙度测量 表面耕糙度足j j t l 2 t _ 表面上具有的较小间距和峰谷所组成的微观几何形状特 性，是评定各种机械零件表面加工质量的一个重要指标。生产实践经验表明，表 面粗糙度不仅直接影响机械零件的耐磨性、耐腐蚀性、抗瘟劳能力、密埘性能以 及外表镀层和美观等，而且还对机械设各的装配质量，配合性质，1 = 作性能，使 用寿命，动力消耗，振动及噪声等也有很大影响。因此，进行螺旋铣扎切削实验 研究时，应通过表面质量的测量来衡量螺旋铣孔工艺的优劣性。表面袒糙度的测 量方法自很多目前国内外比较常用的有：气动法，电容法，热比较法，微波法， 红外辐射法，电子显礅镜法及光学法，对粗糙度进行精确量化分析。本义利用仪 器直接对对表而粗糙度进行测量仪器见图2 1 l 、2 - 1 2 。 _ 。罾鬣1 蓼3 图2 - ii工具冽量显微镜图2 i2i l 糙度检测仪 26 本章小结 本文首先系统的论述了螺旋铣削过程的动力学原理，分析了影响切削力的主 要因素：其次，根据研究对象设计切削实验，确定加工条件和构建切削试验平台， 最后，对切削实验过程中的实验仪器设备做简要的介绍。 第三章高硬度模具钢螺旋铣孔过程动力学试验研究 第三章高硬度模具钢螺旋铣孑l 过程动力学试验研究 模具钢广泛应用于模具制造业中，由于模具钢优良的机械性能，硬切削模具 钢对刀具及刀具涂层提出了更高的要求。目前国内普遍采用p v d 涂层整体硬质 合金立铣刀进行模具钢的精加工，采用涂层整体硬质合金钻头进行孔加工，在工 件硬度不太高时( _ 5 5 h r c ) 时，刀具极易 受到的冲击磨损，致使其耐用度降低1 2 s t 。 表3 - 1c r l 2 钢的化学成分( g b ti 2 9 9 - - - 2 0 0 0 ) “ c r l 2 钢材具有良好机械强度，其表面具有较好的淬火硬性，其表面淬火硬度 可高达6 1 - 6 3 h r c ；试验工件材料为淬火硬度5 5 h r c 的c r l 2 板材。 试验用c r i 2 板材材料规格：2 5 0 朋肌1 2 0 肋刀2 5 聊所( 长宽高) 。 3 2 切削试验用刀具 铣削试验刀具由美国肯纳金属公司提供，该刀具是公司最新成功研发制造用 于螺旋铣的端铣刀，刀具基体硬度高，含少量的粘结物，为非合金的w c w o 精 第三章一苗硬度模其铜螺旋铣孔过程动力学试验研究 细颗粒硬质合金，涂层材料为q i a i n 。刀具月n 耐磨性好，同时具有良好