（机械制造及其自动化专业论文）车铣复合加工表面微观几何形貌仿真及切削参数分析研究.pdf

摘要 论文题目：车铣复合加工表面微观几何形貌仿真及切削参数分析研究 学科专业：i 机械制造及其自动化 研究生：周红杰 指导教师：张广鹏教授 摘要 ( 签名 ( 签名 车铣复合加工技术是先进制造领域的前沿技术之一，可以解决单独用车或铣难以完成 的加工难题，可以实现工件一次装卡完成几乎全部工序，它的科学价值和应用前景逐渐被 人们所认识和重视。由于车铣复合加工的运动复杂，导致其切削参数多而且这些参数又相 互耦合，使车铣加工参数的选择变的尤为复杂。目前尚未完全揭示出车铣工艺参数对加工 表面质量的影响规律，这在一定程度上影响了车铣复合技术的应用和推广。本文基于切削 仿真方法来研究加工参数对车铣复合加工表面粗糙度的影响规律，为实际加工提供理论指 导，具有重要的现实意义。 本论文以球头铣刀、立铣刀、面铣刀、圆柱铣刀为研究对象，通过建立其几何模型及 加工运动模型，研究车铣复合表面微观几何形貌仿真算法，并对仿真算法中出现的关键问 题解决方法进行了阐述。基于f o r t r a n 和m a t l a b ，开发了车铣复合加工表面微观几何形貌 仿真软件系统，通过切削实验验证了所开发的仿真系统的有效性；然后基于所开发的仿真 系统重点讨论了轴向进给速度、刀具与工件转速比、刀具齿数、刀具倾斜角度、偏心距、 刀刃螺旋角、刀刃角度、加工深度等因素对车铣加工表面粗糙度的影响规律；最后基于正 交试验并应用仿真系统详细研究了立铣刀正交车铣时，多个加工参数同时影响车铣复合加 工表面粗糙度的规律，为生产实践提供理论指导。 关键词：车铣复合加工；表面形貌；切削仿真；表面粗糙度；切削参数； a b s t l a c t t i t l e ： m i c r o - t o p o g r a p h ys i m u l a t i o no nt u r n m i l l i n g s u r f a c ea n di t sc u t t i n gp a r a m e t e r s a n a l y s i s m a j o r = m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n n a m e ：h o n g j i ez h o u s u p e r v i s o r = p r o f g u a n g p e n gz h a n g a b s t r a c t t u m - m i | l i n gi so n eo ft h ec u t t i n g - e d g et e c h n o l o g yi nt h ef i e l d so fa d v a n c e dm a n u f a c t u r i n g i tc a l ls o l v et i r em a c h i n i n gp r o b l e m so nt u r n i n go rm i l l i n g a n da l m o s ta l lo ft h ep r o c e s s e so fa w o r k p i e c ec a nb ec a r r i e do u to nat u r n - m i l l i n gm a c h i n et 0 0 1 t h es c i e n t i f i cv a l u ea n d a p p l i c a t i o np r o s p e c t so ft h er u m - m i l l i n gc a l lb et a k e na t t e n t i o nb yc o m p i e sg r a d u a l l y s i n c et h e c o m p l e xk i n e m a t i c so ft h et u r n m i l l i n g ，r e s u l t i n gi nt h ec u t t i n gp a r a m e t e r sb e c a m em o r ea n d m o r ea n dm u t u a lc o u p l i n g ，s ot h a tt h ec h o i c eo f c u t t i n gp a r a m e t e r sa r em o r ec o m p l e x t o d a yi t i sn o ty e tf u l l yr e v e a l e dt h em a x i m u mn u m b e ro f m i l l i n gm a c h i n i n gp r o c e s sp a r a m e t e r so nt h e i n f l u e n c eo fs u r f a c e q u a l i t y , t oac e r t a i ne x t e n t ，i t a f f e c t e dt h e t u r n m i l l i n gt e c h n o l o g y a p p l i c a t i o na n dp r o m o t i o n b a s e do nt h ec u t t i n gs i m u l a t i o n ，r e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h ec u t t i n g p a r a m e t e r sa n dt h et u r n m i l l i n gs u r f a c er o u g h n e s sa r ea p p r o a c h e di nt h i st h e s i s i tp r o v i d e t h e o r e t i c a lg u i d a n c ef o r t h ea c t u a lp r o c e s s i n ga n dh a v ei m p o r t a n t p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h eg e o m e t r i c a lm o d e l sa n dt h em a c h i n i n gm o v e m e n tm o d e l so fab a l l e n dm i l l i n gc u t t e r , a ne n d m i l l i n gc u r e r , af a c em i l l i n gc u r e ra n dac y l i n d r i c a lm i l l i n gc u t t e ra r ee s t a b l i s h e di nt h i s t h e s i s t h es i m u l a t i o na l g o r i t h m so fs u r f a c et e x t u r ei nt u m m i l l i n gi ss t u d i e d t h er e s o l v e n to f c r i t i c a lp r o b l e m si nt h es i m u l a t i o na l g o r i t h m si sm a d ead e t a i l e ds t a t e m e n t b a s e df o r t r a n a n dm a t l a b ，t h es i m u l a t i o ns o f t w a r es y s t e mo fm i c r o t o p o g r a p h yo nt u r n m i l l i n gs u r f a c ei n i sd e v e l o p e d t h ee x p e r i m e n t so f t u r n - m i l l i n ga r ec a r r i e do u t ，a n dt h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t s s h o wt h a tt h es u r f a c et e x t u r es i m u l a t i o ns y s t e mi sr e l i a b l e b a s e do nt h es i m u l a t i o ns y s t e m t h e i n f l u e n c et ot u r n m i l l e ds u r f a c er o u g h n e s sb yt h ec u t t i n gp a r a m e t e r ss u c ha sa x i a lf e e dr a t e ， r e v o l u t i o nr a t i oo fc u t t e ra n dw o r k p i e c e ，c u t t e rt o o t hn u m b e r , t h et o o li n c l i n a t i o n a n g l e e c c e n t r i c i t y , t o o le d g eh e l i c a la n g l e ，t o o le d g ea n g l e ，a r ee m p h a t i c a l l ya n a l y z e d a tl a s t ，b a s e do n t h eo r t h o g o n a lt e s t ，t h ei n f l u e n c et ot u r n m i l l i n gs u r f a c er o u g h n e s sa c c o m p a n y i n gc h a n g e so f s e v e r a lf a c t o r sa tt h es a m et i m ei ss t u d i e di no r t h o g o n a lt u r n m i l l i n go fe n d m i l l i n gc u t t e r , t h e r e s e a r c hc a np r o v i d et h e o r e t i c a l l yg u i d a n c ei np r o d u c t i o n p r a c t i c e k e yw o r d s ：t u r n - m i l l i n g ；s u r f a c et e x t u r es i m u l a t i o n ；c u t t i n gs i m u l a t i o n ；s u r f a c er o u g h n e s s ； c u t t i n gp a r a m e t e r s i i i 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：弘拇夕月乡日 学位论文使用授权声明 c f 7 ，f 1 7 本人f 五l 纽幺佥。在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 j 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，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；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 糍：+ 弘，名毖塑羼如乡 第一章绪论 1 绪论 1 1 研究背景及意义 车铣复合加工( 后面简称车铣加工) 不是单纯的将车和铣两种工艺合并到一台机床上， 而是利用车、铣合成运动实现对各类重型、复杂回转体、薄壁类零件及微小型、细长轴类 零件加工。车铣复合加工中，不仅工件一次装夹即可完成几乎所有工序的加工，而且易于 实现高速切削，高速切削的一切优点皆可体现出来。因此车铣复合n i 具有加工效率高、 加工精度高、刀具寿命长、切削平稳、不存在断屑问题等优点，可以解决单独用车或铣难 以实现或根本无法实现的加工难题，从而使车铣复合加工技术成为先进制造技术领域中的 重要研究方向。 车铣复合加工运动复杂，影响表面加工质量的因素多( 如刀具转速、工件转速、轴向 进给量、切削深度、工件直径、刀具直径、刀齿数、工件与刀具的夹角和偏心量、刀具角 度等) ，而且这些因素的影响又相互耦合，使得车铣复合加工工艺参数选择变得尤为复杂， 目前尚未完全揭示出车铣复合加工参数对加工表面质量的影响规律，这在一定程度上影响 了车铣复合加工技术的推广和应用。众所周知，一方面车铣复合加工机床售价仍然很高， 同时也缺乏相应的工艺技术支持，尽管车铣复合加工具有非常好的加工优势，许多企业还 是望而兴叹；另一方面，我国的军工企业进口的高档车铣复合加工中心，由于缺乏丰富的 车铣工艺技术支持，未能充分发挥出车铣复合加工装备的优势。因此研究车铣复合加工工 艺技术不仅意义重大，而且具有广阔的应用前景。 1 2 车铣复合加工的发展及国内外研究现状 1 2 1 车铣复合a n 3 = 技术及装备的发展 与其它科学技术一样，车铣技术的产生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 总结了大量的实践生产经验，在生产技术上发表了“用硬质合金刀具铣肖i j 圆柱面 一文，详细介绍了铣削圆柱表面时进给量、切削速度等参数的选择，并对已加工 工件的表面精度进行了详细研究。该文献对后来车铣技术研究产生了重要影响，他介绍的 用铣刀加工圆柱表面的方法，就是车铣技术的一种基本加工方法轴向车铣的早期萌 芽。1 9 8 3 年德国的k p s o r g e 在他的博士论文“车铣技术 中系统地研究了车铣技术的 另一种基本加工方法一正交车铣，对正交车铣的运动原理、已加工工件的表面精度、切 削力、切削速度等内容进行了开拓性的研究n 1 。目前，德国的a a c h e n 工业大学和d a r m s t a d t 工业大学都设有专门从事车铣技术研究的研究中心。1 9 8 2 年，奥地利林茨机床公司( w f l ) 开发出全世界第一台车铣数控专用机床1 | i n c 5 0 0 s 车铣加工中心。2 0 多年来经过不断努 力，2 0 0 2 年w f l 推出了新一代m i l l t u r nm 4 0 和m 4 0 - m 数控车铣复合机床，该加工中心已 经可以实现车削、铣削、镗孔加工、插齿滚齿等多种加工。国内贾春德对车铣加工进行了 系统研究，在2 0 世纪六七十年代在一些工厂生产革新中出现过旋风铣削，这是车铣的一 西安理工大学硕士学位论文 种犟本形式轴向车铣的实际应用。由十牟铣复合运动复杂，编程困难，国外对车铣理 晓没有公j 1 ，所以田内对车铣复台技术的研究进展缓慢。最近儿年在沈刚、大连、瓦房店 ( 图11 ) 、南京数控、秦川等机床厂生产通用鲁- 铣中心，f h 由于乍铣复合机床价格昂 贵，加工工艺复杂，所以在实际加工中车铣中心还没有得到广泛应州，但乍铣复合技术作 为一种适应现代制造业多品种、小批量、个性化发展需求的新技术，l e 越柬越受到机床行 业和用户的重视。 图卜1 齐二集团大连瓦机数控机床厂生产的立式乍铣复台加1 机床 f i g1 - 1t u m m i l l i n g m a c h i n i n gc e n t e r p r o d u c e d b y q i q i h a e r n o2 m a c h i n e t o o lp l a n t 1 2 2 车铣复合加工特点 车铣复合加i 。是利用铣刀旋转和工件旋转的合成运动米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 加丁方法。它不足车削与铣削的简啦结合，而是往当今数控技术得到较大发展的条件f 产 牛的一种高新切削技术。 车铣复合加工包括铣刀旋转、工件旋转、铣刀轴向进给和径向进给四个运动“。铣刀 的旋转运动足士协削运动。切削速度山铣刀旋转速度和工件旋转速度共同决定，其中铣刀 旋转速度足决定切削速度的主要因素，特别是在高速车削加_ 丁中，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t 件旋转速度、铣刀轴进给速度和径向进给速 度三个基本速度共同决定，其一”工件旋转速度对进给速度的影响远大于其它两个速度。工 件旋转产生的切| f l 】线速度即为铣刀的周向速度，它的大小等于工件的转速与工件周长的乘 积；铣刀的轴向进给速度等于丁，件的转速与铣刀在j 二件每转时沿上件轴向移动的距离的乘 积。铣刀的卣线进给运动根据不同加工的需要可采用轴向进给或径向进给运动。 车铣复合加工不是单纯的将车和铣两种加工手段合并到一台机床上，而是利用车铣台 成运动来完成各类表面的加工。依据r 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i 句车铣、正交车铣以及一股车铣。依据_ 件和刀具旋转相对方向不同， 它们又都分为顺铣和逆铣曲种不同的形式。其叶 轴向车铣和正交车铣是应用范围最广泛的 第一章绪论 两类车铣加工方法( 图1 - 2 ) ，它们分别有各自的特点和局限性。轴向车铣由于铣刀与工 件的旋转轴线相互平行，因此它不但可以加工外圆表面，也可以加工内孔表面。但由于它 们的旋转轴线相互平行，如铣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，这种情况下不适宜用轴向车铣加工轴向行程较长的外圆表面或较深的内孑l 表面。与此 相反，如铣刀直径大于其主轴箱体径向尺寸时，轴向车铣也可进行外圆和深孔内表面的车 铣加工。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 圆表面时效率较高。 工件 刀具 ( a ) 轴向车铣示意图( b ) 正交车铣示意图 图1 - 2 车铣加工不同加工方式示意图 f i g 1 2t h ed i f f e r e n tp r o c e s s i n gm e t h o d so ft u r nm i l l i n g 与其它传统切削方法一样，并不是所有零件的切削加工都适用于车铣复合加工，它只 是在一些特定条件下能够充分发挥它的加工优势。作为一种先进的金属切削方法，其主要 优点为： ( 1 ) 车铣复合加工属于间断切削，间断切削使刀具有充足的冷却时间，因此无论加 工何种材料，刀具切削温度相对较低。 ( 2 ) 与传统车削相比，车铣复合加工极易实现高速切削，因此高速切削的一切优点 可在车铣复合加工中得以体现。如切削力比传统切削可下降3 0 ，切削力的下降就意味着 引起工件变形的径向力的明显下降，这有利于提高薄壁件和细长件加工的形状精度。同时 由于切肖i j 力较小，机床和刀具承受的负荷小，也有利于机床精度的保持。 ( 3 ) 由于车铣复合加工的切削速度是由工件和刀具的回转运动共同合成的，因此不 需要使工件高速旋转也能实现高速切削，有利于对大型工件进行高速切削。尤其对于大型 锻件毛坯，工件的超低速旋转将消除因工件偏心而引起的振动，这些特点使得此类工件的 切削过程十分平稳，有利于减少被加工件的形状误差。 ( 4 ) 工件转速相对较低，加工薄壁件时几乎没有由于离心力产生的变形。 ( 5 ) 当采用高速车铣时，切削变形过程主要是绝热剪切，故切屑和刀具带走热量较 多，因此工件温度相对较低，热变形小。 ( 6 ) 使用较大的纵向进给也能得到较小的表面粗糙度。 西安理工大学硕士学位论文 ( 7 ) 车铣复合加工机床可以使所加工的工件在一次装夹中完成几乎所有的车、铣、 钻、镗等工序，不需更换机床，大大缩短生产周期，防止了重复装夹误差。 ( 8 ) 当车削长而细且中间无支撑的零件时，采用车铣加工可以大大减少零件发生的 弯曲变形。 ( 9 ) 车铣复合加工使用多刃刀具进行切削，其易断屑和排屑，刀具磨损小，这对新 型难加工材料、大型回转体毛坯( 如大型轧辊) 的加工十分有益，省去了多次换刀的麻烦。 ( 1 0 ) 对于微小零件采用车铣加工，很好的解决了微细轴加工时切削速度低的问题， 也为基于微小型回转体零件的完整加工提供了可行方案。 虽然车铣复合加工有诸多优点，但目前还存在一些缺点： ( 1 ) 车铣复合加工工艺在国内还不成熟，影响加工效果。在车铣加工中，影响加工 表面粗糙度的因素比较多，如刀具的轴向进给量、刀具于工件的转速比、刀具半径与齿数、 刀具的偏心量、吃刀深度等，要全面掌握这些参数的影响规律难度大。 ( 2 ) 由于对车铣复合加工工艺没有完全掌握，为了保证加工质量，实际加工中往往 使工件转速较低，刀具进给速度慢，导致加工效率低、生产成本增加，从而严重影响了车 铣复合加工技术的应用推广。 可以看出，研究车铣加工工艺参数对加工表面粗糙度影响的规律，将对实际加工具有 重要的指导意义。 1 2 3 车铣复合加工技术的国内外研究现状 车铣复合加工技术的科学价值和应用前景已逐渐被人们所认识。近年来，为了更好的 推广车铣加工技术，国内外许多科技工作者从不同的角度进行车铣加工技术的的研究，并 取得了可观的成果。 s k c h o u d h u r y 和j b b a j p a i n l 利用切削实验的方法确定了正交车铣时加工表面粗糙 度的公式，并根据此公式绘制了粗糙度随加工参数变化的曲线，该曲线和实验数据比较吻 合，最后把正交车铣和传统的铣削进行了对比，分析了工件的转速、吃刀深度以及刀具振 动对加工表面粗糙度的影响。但此加工表面粗糙度的公式只包括工件转速、加工深度、刀 具直径三个影响因素，而刀具转速、刀具齿数、偏心量等因素没考虑。 s k c h o u d h u r y 和k s m a n g r u l k a r n l 在实验中以黄铜棒为加工工件，通过改变刀具转 速和轴向进给量，并对加工后的切屑几何形状进行分析，实验结果表明：提高刀具转速、 降低轴向进给量可以提高加工表面质量，在同样的加工参数下正交车铣加工后的r a 值比 一般车削小十倍，而且一般车削加工后切屑长度是正交车铣的六倍。因此得出结论是正交 车铣更适合高速加工。由于采用较低的工件转速也可得到较大的加工速度所以车铣加工适 用于大型回转工件，另外切屑长度较小更容易排屑，减小了对加工表面的影响。 j k o p a c 和m p o g a c n i 醛采用了实验的方法分析了无偏心正交车铣和有偏心正交车铣 加工参数的选取对加工表面粗糙度的影响规律，说明了刀具的振动对加工表面质量影响较 大。实验数据表明：刀具轴向进给速度应低于最大轴向进给量：增加刀具的转速可以提高 4 第一章绪论 加工表面质量；刀具的振动对粗糙度影响较大，所以应提高刀具的静刚度；车铣加工在某 些方面可以代替传统的车削和铣削尤其在高速以及微小零件加工中。 上述几位学者都是通过切削实验来研究车铣加工参数对粗糙度影响的变化规律。但文 中对车铣加工表面形成机理研究较少，而且涉及到的加工影响参数较少，如刀具的齿数、 刀具直径等参数并未考虑。 沈阳理工大学的金成哲、李智军、贾春德1 ，针对正交车铣的最大生产效率问题进行 了研究，通过选择切削速度、轴向进给量、工件转速加工参数为优化设计变量，并考虑实 际加工中的几个不同约束条件建立了最大生产率单目标函数，应用m a t l a b 对加工参数进 行了优化。 v s a y a sc o z a y 5 1 通过切削实验的方法推导出了正交车铣时刀具和工件转速、加工 深度、轴向进给量对加工表面粗糙度影响公式，并根据实验数据绘制了粗糙度随轴向进给 量、切削深度、工件转速的变化曲线。最后使用遗传算法对加工参数进行优化。 上述几位学者针对正交车铣加工，运用不同的方法对加工参数进行了优化，并取得了 满意的结果。但他们所建立的优化目标函数和粗糙度方程所考虑的加工参数较少，难以全 面揭示车铣复合加工的本质。 襄樊学院的刘克非、刘海生等，研究了微小正交车铣切削速度对切屑变形的分析1 1 9 ， 从理论角度解释了切削速度对切屑变形的影响以及随着切削速度提高使切屑形态逐渐变 直的现象。 沈阳工业学院的姜增辉、贾春德，通过数学方法对正交车铣已加工表面形成机理进行 了研究7 1 ，用数学方法分析了主要切削参数对微观圆度和工件侧母线形成的影响。他们还 建立了高速正交车铣已加工表面轴向残留面积高度的理论计算模型和计算公式阳1 ，并据此 提出了以加工表面粗糙度理论值的计算方法，切削实验结果证明理论轴向残留面积高度是 影响实际正交车铣加工表面粗糙度的主要因素。 东北大学的王德俊及沈阳工学院的姜增辉、贾春德等人，通过几何分析方法推倒出表 面粗糙度随刀具转速与工件转速之比、刀具半径两个影响因素变化的计算公式 1 。 华北工学院的武文革、庞学慧、李梦群1 1 0 1 , 通过研究车铣加工切削形成机理，得出 结论：车铣时铣刀的直径、铣刀和工件转速比等因素对切削厚度的变化有很大影响。并指 出车铣加工是一个复杂的复合运动过程，进一步研究其运动模型和切屑的形成机理，对正 确运用车铣加工具有很好的指导意义。 郑州轻工业学院的高志翔n ，通过研究高速车铣加工规律得出结论：刀具和工件安 装的位置、转速比、刀刃数及刀刃形状都将影响加工精度。 沈阳工业学院的姜增辉，对轴向车铣加工内孔进行了理论研究8 1 ，得到结论：对于轴 向车铣内孔，提高铣刀与工件的转速比，以及增加铣刀的齿数z 均能大幅度减小内孔的理 论表面粗糙度值。指出轴向车铣内孔完全可以实现零件的精加工，从理论上甚至可以实现 以车铣代替磨削。 西安理工大学硕士学位论文 上述这几位学者主要通过数学方法研究了正交车铣已加工表面形成机理并得到了计 算粗糙度的理论公式，从而对车铣加工表面形成机理有了更深刻的理解。但他们所推导的 粗糙度公式并未包含刀具偏心量等重要参数，所以公式的应用有一定局限性。 沈阳理工大学的崔大鹏、黄树涛等人，研究了平面刃球头铣刀沿半圆弧路线进行半圆 弧加工时的微观几何形貌仿真方法“明。通过仿真图可以大致看出加工面粗糙度的变化趋 势。但该文并没有对不同加工参数对粗糙度的影响规律进行研究。 上海交通大学的潘家华、赵晓明等人，建立了正交车铣的数学模型，开发了正交车铣 表面形貌计算机仿真系统n 。基于该系统分析了刀刃角、偏心量、进给量和转速比等加 工参数对粗糙度的影响规律，并定量的讨论了不同加工参数对粗糙度的影响规律，得到重 要结论：加工表面粗糙度随着刀刃角增大而增大，采用偏心加工可以降低粗糙度，减小轴 向进给量可以降低粗糙度，当轴向进给量为刀具直径1 n 时在局部区域粗糙度达到最小， 粗糙度随着刀具与工件转速比增大而减小。该文献在建立仿真系统时将工件表面展开成平 面加以计算，这与实际加工形貌有一定的误差，系统仿真模型并未考虑侧刃的影响存在建 模误差，另外文中分析的加工参数未考虑到刀具半径和刀具齿数，所以揭示的加工参数对 粗糙度影响规律还不够全面。 上海交通大学的李丹等人详细研究了立铣刀在轴向车铣圆柱时，刀具的轴向进给量、 刀具与工件转速比、吃刀深度、刀具齿数对加工表面粗糙度影响规律n 们，并且绘制了表 面形貌。但该文没有考虑刀具侧刃螺旋角和侧刃长度等因素，而且不同的加工参数对工件 表面轴向和周向粗糙度影响规律不一样，文中并没有讨论，所以文中揭示的规律还不够全 面有待于进一步深入研究。 上述这几位学者从数学角度对刀具和工件进行建模，并且用高级语言开发了仿真系 统，在此基础上分别讨论了不同的加工参数对表面粗糙度的影响规律，并得到了表面微观 几何形貌，更直观的反应了加工参数对表面粗糙度影响规律。但在正交车铣中未考虑刀具 的直径，在轴向车铣中未考虑侧刃的长度和螺旋角对表面粗糙度的影响，在进行建模时没 有考虑刀具的振动。 1 3 本文研究内容 前已述及，目前研究车铣复合加工工艺参数对加工表面质量影响规律的最经济和最有 效的方法是基于被加工表面微观几何形貌仿真方法。由于前人的研究多集中在基于几何方 法，从理论上分析加工表面形成机理并得出了加工参数对粗糙度影响规律，但该方法并未 得到表面微观几何形貌。车铣加工过程仿真还处于发展阶段，尽管上海交大等相关学者在 此方面做了大量工作，并且取得了很多成果。但是他们考虑的因素还不够全面，在轴向车 铣时未考虑刀具侧刃螺旋角和侧刃长度等因素，在正交车铣时未考虑侧刃参加切削影响， 在研究加工参数对表面粗糙度影响规律时并未对轴向和周向粗糙度分开讨论，并且将圆柱 展开研究存在建模误差，而且没有讨论球头铣刀、面铣刀的加工工艺规律。 鉴于上述研究现状本文在收集大量的有关车铣加工资料基础上，以车铣加工常见刀具 6 第一章绪论 ( 球头铣刀、立铣刀、面铣刀、圆柱铣刀) 为对象，对车铣加工表面微观几何形貌仿真及 其切削参数开展了以下几个方面的研究工作： ( 1 ) 建立车铣加工表面微观几何形貌仿真模型。主要包括建立球头铣刀、立铣刀、 面铣刀、圆柱铣刀数学模型，推导车铣加工仿真的相关公式，为开发仿真软件系统奠定理 论基础。 ( 2 ) 研究表面微观几何形貌仿真算法，开发车铣m i 表面微观几何形貌仿真软件系 统。 ( 3 ) 利用仿真系统分析了四种刀具的不同加工参数对被加工表面形貌及粗糙度的影 响规律。重点研究立铣刀的正交车铣、轴向车铣、侧刃车铣加工方式。根据大量的仿真数 据绘制粗糙度随加工参数变化的曲线和加工表面的微观几何形貌，得到一些对实际加工具 有指导意义的结论。 ( 4 ) 利用正交试验法研究车铣加工参数的影响规律，找出对加工质量影响最大的参 数，提出参数优化的方法。 ( 5 ) 通过车铣复合加工实验验证所开发的仿真系统的有效性。 1 4 本章小结 本章首先回顾了车铣复合加工的发展历史，指出研究车铣复合加工的优势及重要意 义，接着介绍了国内外关于车铣复合加工技术、加工表面形成机理以及仿真方法等方面研 究的现状，最后提出了本文的主要研究内容。 7 西安理工大学硕士学位论文 2 车铣复合加工数学模型 建立车铣复合加工表面微观几何形貌仿真系统的首要工作是建立其加工运动数学模 型。本章首先以球头铣刀加工为例，详细介绍车铣复合加工数学建模过程，然后再对立铣 刀、面铣刀、圆柱铣刀的车铣复合加工的数学建模过程作简单介绍。 2 1 车铣加工表面微观几何形貌影响因素分析 车铣加工表面微观几何形貌取决于刀具和工件在车铣运动过程中的相互位置关系，它 不仅与具体的车铣加工方式和车铣加工条件有关，而且还与车铣加工机床结构的动力学特 性、刀具和工件的材料及力学特性有关，通常用表面粗糙度大小作为评价加工表面质量的 量化指标。 在j 下常加工状态下，影响车铣工件表面几何形貌的主要因素有：刀刃的几何形状与尺 寸( 刀具半径、刀具齿数、刀具螺旋角等) 、车铣用量( 刀具与工件旋转速度、轴向进给 量、刀具偏心量等) 、切削振动等，在实际的车铣过程中，由于切削振动的存在，使刀具 与工件之间发生相对位移，是导致工件表面形成微观凹凸不平的一项因素，从而影响到工 件表面几何形貌特征，这时，评价工件表面质量就要在考虑理论粗糙度的基础上，还要考 虑动态切削的其它各项特征及相关因素。随着高速切削技术的发展，采用大进给轻切削， 切削力及切削变形大大减少，刀具几何因素及切削用量将成为影响表面微观几何形貌的主 要因素。 2 2 车铣复合加工参数简介 车铣加工的切削参数对其加工表面微观几何形貌分析至关重要，并与一般的车削或铣 削不同，下面结合车铣加工的特点分别进行介绍。 ( 1 ) 工件每转一圈铣刀的轴向进给量疋，也称行距： = f n w ( 所叫，) ( 2 1 ) 式中，厂为轴向进给量( 聊叫m i n ) ，z 。为工件转速( 厂皿n ) 。 ( 2 ) 工件每转一圈铣刀的周向进给量，= ： z = 2 万( 凡一口p ) ( 聊聊r ) ( 2 2 ) 式中，r w 为加工前工件半径( 聊聊) ，口，为加工深度( 聊所) 。 ( 3 ) 工件每转一圈铣刀的合成进给量无： 以= 历= 厂2 p + 2 万( r1 ) ) 2 ( m r ，) ( 2 3 ) ( 4 ) 铣刀的每齿进给量f ：与铣刀的齿数、工件的半径以及铣刀和工件的转速等参 数有关。 z = 以垅允( m 州m ) ( 2 4 ) 第二章车铣复合h 口- y - - 数学模型 式中，m 为刀具齿数，五为刀具与工件转速之比。 2 3 球头铣刀车铣加工数学模型 球头铣刀是3 轴和4 轴数控铣床中，用于自由曲面半精加工和精加工的主要刀具。球 头铣刀的刀刃由侧刃和球形刃两部分组成。由于球头铣刀的特征主要集中在球形刃部分， 且在半精加工和精加工时一般使用球形刃进行加工，因此在本文研究中仅考虑球头铣刀的 球形刃部分。 球头铣刀的球形刃通常有平面刃和螺旋刃两种形式n 钉。平面刃铣刀结构简单、易于设 计和制造，但在切削时不利于切屑的顺利排出；螺旋刃铣刀制造相对复杂，但其切削性能 稳定。实际加工中这两种刃形的球头铣刀都比较常用，用球头铣刀车铣圆柱面这在车铣加 工中比较典型，因此本章主要针对这两种刃形铣刀车铣圆柱面进行数学建模。 2 3 1 刀具坐标系下刀刃的数学建模 a 刀具刃形的数学表达式 在建立刀刃数学模型时，以铣刀球形刃的球心为原点建立如图2 - 1 所示的刀具坐标系 o f u v w ，其中形为刀具轴线方向。一般来说，球头铣刀有单刃、双刃、四刃等不同形 式。单刃铣刀铣削效率低加工性能不好，实际中常用的是双刃和四刃铣刀。图2 一l 中为了 使图面简洁，仅画出了一个球形刃。 w 、 7 7 氛 一饼广一j 渺雾一 、。 p o 。v 厂、 j ， 0 1 一1 一y 轧乡一 w v 一、 ? 霸 ，一爵广y j 浮酸一 、 p a 。 。v h 蛾一i 辽 乡 ( a ) 平面刃铣刀( b ) 螺旋刃铣刀 图2 - 1 球头铣刀的刀具坐标系 f i g 2 - 1t o o lc o o r d i n a t es y s t e mf o rt h eb a l le n dm i l l i n gc u t t e r ( 出自论文【1 5 第9 页) 9 西安理工大学硕士学位论文 世v = o 驷s 口 ( 2 5 ) i w = - r r c o s 口 当刃口曲线与经线成定螺旋角7 时钉，应满足式( 2 7 ) f “= 辟s i n 口c o s t a l l y l n ( c o t 叫2 ) v = 岛s i n 口s i n 切n 7 1 1 1 ( c o t 口2 ) ( 2 8 ) 角称为初始相位角，用表示。 仍= + 2 7 r ( i - 1 ) m - r o t t ( 2 9 ) 量=lcs-o：s够伊i-cs。i三n仍cp；三 c2 。， 2 3 2 工件坐标系下刀刃的数学模型 l o 第二章车铣复合加工数学模型 车铣加工有逆铣和顺铣两种方式。铣刀每一齿在工件切入处的切削速度1 ，方向与工件 进给速度，相反( 工件进给，刀具回转) ，这种方式称为逆铣。如果方向相同，则称为顺 铣。把这个概念引用到球头铣刀加工中，根据球头铣刀的倾斜方向和倾斜角度，将球头铣 刀的车铣方式分成四种：顺铣、逆铣、推铣和拉铣“钉。 在研究车铣表面微观几何形貌时，定义如图2 2 所示刀具坐标系口一u 聊，其中这 四种铣削方式下的刀具坐标系研一u 邢，可以看作是将刀具坐标系绕x 轴正方向、x 轴 负方向、y 轴正方向、】，轴负方向旋转倾斜角得到的。图2 2 所示的4 种铣削方式。 1 1 00 1 - 写= l0c o s - s i n i ( 2 1 1 ) 1 0 s i n c o s j r 1 i 互= 10 【- 0 0 c o s f l - s i nb rc o s f l 乃- - i o l s m ( a ) 绕x 轴正方向转动( b ) 绕y 轴正方向转动 ( c ) 绕x 轴负方向转动( d ) 绕y 轴负方向转动 图2 2 球头铣刀四种车铣方式 f i g 2 2t h ef o u rm i l l i n gt y p e so ft h eb a l le n dm i l l i n gc u t t e r 、，2- io 厶，l 1，j 口露 0 试 吣 s c 矗 疗 n q j 窖 蠹q 瞄 0 1 0 西安理工大学硕士学位论文 b 刀具与工件的数学模型 球头铣刀车铣圆柱有三个主运动，其中包括：刀具的旋转、工件的旋转、刀具沿工件 轴线方向的直线进给运动。 “。 如图2 - 3 所示为无偏心正交车铣a n - r _ 情况j 现在建立球头铣刀刀刃上任一点p 在工件 坐标系下的坐标。实际加工中工件绕着轴线旋转，现在假设工件不动，刀具绕着工件转， 这样可以简化公式的推导过程。 图2 - 3 球头铣刀车铣圆柱工件的计算模型 f i g 2 3t h em o d e lo ft u r nm i l l i n gc y l i n d r i c a lw o r k p i e e e sw i t ht h e b a l le n dm i l l i n gc u t t e r 第一步：将工件坐标系o 。一x y z 绕z 轴转t 角度得到坐标系o 。，一x 。v , z ，。此过程 对应的变换矩阵记为王可表示为： 互= c o s ( c o w t ) s i n ( c o w t ) o 0 - s i n ( c o w t ) 0 0 c o s ( ( o w t ) 0 0 olo o0l ( 2 1 5 ) 式中，为工件的转动角速度。 第二步：将坐标系o 。，一五x z l 绕x 轴转州2 角度得到坐标系。们一五艺z 2 。此过程对 应的变换矩阵记为t 2 可表示为： 1 2 互= 0o 01 1o oo 1o oo oo o1 ( 2 1 6 ) 第三步：将坐标系o 吡一置艺z 2 绕z ：轴转万角度得到坐标系o 们一置k z 3 ，此过程对 口 信 那。叩 出。 吣 r c 廖 廖 傩0 m 。 瓦 第二章车铣复合加工数学模型 应的变换矩阵记为己可表示为： 互= 一1oo0 01o o 0010 oo o1 ( 2 1 7 ) 经过上述三步变换后坐标系。们一墨e z 3 的各个坐标轴与刀具坐标系d r u 阿各坐 标轴一致。其总的变换矩阵记为r 可表示为! t = 互互乃，则丁对应矩阵为： t = 0 s i n ( c o f ) 0 一c o s ( ，) 10 o0 c o s ( c o w t ) 0 s i n ( c o f ) 0 oo 01 ( 2 1 8 ) 从加工开始到当前时刻刀具坐标系q 一【，唧的原点在坐标系o 们一墨e z 3 中的坐标 可表示为： it r = f t 丸7 = 0 ( 2 1 9 ) iz ：r = r r + 凡- a p 式中，厂为刀具轴向进给量；碍为刀具半径；氐为加工前的工件半径；a 口为切削深度； f 为从加工开始到当前时刻所经历的时间。 在机床的制造过程中，不可避免的存在着制造和装配误差。机床主轴是执行部件，其 误差直接影响着加工精度，机床主轴的运动误差主要包括主轴的回转偏心和轴向窜动，这 两项误差可直接通过仪器测量。将主轴的运动误差考虑到仿真模型中，将使仿真结果更接 近实际。 假设主轴回转偏心圆半径为a d , 2 ，轴向窜动振幅为a d 2 2 ，且为正弦运动，则刀具 中心仉在刀具坐标系下的坐标可用式( 2 2 0 ) 表示1 钉。 = 等c o s ( 蛔+ 一蜊 = 等s i n ( q + 一略f ) ( 2 2 0 ) = 等s i n ( + 编一坼r ) 式中，a a 。、a c t ：分别为主轴回转偏心和轴向窜动的初始相位角；( - 0 t 为主轴的角速度； 为初始相位角；，为从加工开始到当前时刻所经历的时间。 考虑到刀具在加工过程中的运功误差，则刀具中一i l , o r 在o 。，一置e z 3 坐标系下的坐标 可表示为： 西安理工大学硕士学位论文 k r ：f t + a ，d 。lc 。s ( q + 一叻，f ) 儿丁：竽s i n ( + 一姊，) ( 2 2 1 ) z o r ：辟+ r w 一口p + a 1 d 2s i n ( 口2 + ? o - 攻j r f ) 考虑到刀具在加工过程中的运动因素，则刀具中心d r 在0 。，一鼍匕z 3 坐标系下的变换 矩阵记为乙可表示为： 乙= 1oo f t - 辟+ 等c o s ( q + 一坼f ) o1 。 等s i n ( + 一嘶f ) oo 1 岛+ r 一+ 等s i n ( + 一坼r ) ooo ( 2 2 2 ) c 工件坐标系下刀刃的一般表达式 综上所述，刀具在车铣过程中有位姿的变化以及受到多方面因素的影响，则球头铣刀 刀刃上任一点尸在工件坐标系o 。一x 眩下的坐标可用式( 2 2 3 ) 表示： = 丁毛正z ( 2 2 3 ) 式中，( “，v ，w ) 为刀具起始y j j = 任一点在刀具坐标系下的坐标；( x ，y ，z ) 为刀具刀刃上任一 点t 时刻在工件坐标系下的坐标。其中正中的x 取值为r ，厶s ，并由公式( 2 1 1 ) ( 2 1 4 ) 确定。 2 4 立铣刀车铣加工