（机械电子工程专业论文）车铣加工型面联接件的运动学研究.pdf

沈阳理t 大学硕士学位论文 摘要 型面联接是采用非圆异形截面的孔轴配合带替键和花键来传递扭矩的一种联接 方式。由于型面联接具有结构简单，装拆方便，传动扭矩大，对中性好，应力集中 小，加工成本低等优点，因此广泛应用于工业各部门。目前，国内外型面联接的加 工主要采用无尖角车刀和标准车刀的传统车削加工方法。但为了保证配合精度，最 后工序一般要在专用磨床上进行磨削加工，由于磨削加工过程砂轮直径大小及零件 轮廓半径的时变，难以满足实际加工控制要求。采用高速车铣技术可以使其形状精 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。而且与传统加工方 法相比，它可以实现切削的高速化。本文首先对型面联接中最简单的一种一椭圆型 面的轴向车铣加工进行数学建模，并对其运动轨迹做出了计算机仿真，分析了不同 切削参数对运动轨迹的影响，得到已加工表面的粗糙度隧着铣刀齿数和铣刀与工件 转速比的增加而减小然后建立了描述轴向车铣加工等距型面运动的矢量模型。对 其运动轨迹进行了计算机仿真，分析了主要切削参数对运动轨迹的影响。结果表明， 增大铣刀与工件的转速比可得到较小的表面粗糙度。且逆铣加工易于得到光滑的外 轮廓加工表面，而顺铣则更易于得到光滑的内轮廓加工表面。且描述轴向车铣等距 型面的数学模型同样适用于任意非等距型面。其次，建立了描述正交车铣加工等距 型面运动的矢量模型。对其运动轨迹进行了计算机仿真，分析了主要切削参数对运 动轨迹的影响。结果表明，增大铣刀与工件的转速比可得到较小的表面粗糙度，选 用较大的偏心量更容易得到光滑的加工表面。且描述正交车铣等距型面的数学模型 同样适用于任意非等距型面。最后进行了车铣加工等距型面联接件实验，加工出了 等距五边及三边外型面和等距三边型面内型面，证实了采用车铣的方法可以实现等 距型面的加工，验证了车铣加工型面联接数学模型及其计算机仿真的正确性。分析 结果表明：在正交车铣型面中，在其他切削参数不变的情况下，加工后的型面表面 粗糙度与型面廓形曲率成正比，且其表面微观形貌呈线状分布；在轴向车铣型面中， 在其他切削参数不变的情况下，加工后的型面表面租糙度与型面廓形曲率成反比， 且其表面微观形貌呈点状分布。 关键词：型面联接；车铣；建模；仿真 沈阳理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec o m b i n a t i o no fc u r v es u r f a c ei sak i n do ft e c h n i q u ew h i c ha d o p t sb o r e sa n d s h a f tw i t hn o n - c i r c u l a rs p e c i a ls h a r ，e ds e c t i o ni n s t e a do fk e y sa n ds p l i n e st oc o o r d i n a t e w i t ht r a n s m i s s i o nt o r s i o n i t se x t e n s i v ei nv a r i o u si n d u s t r i a lp r o s p e c t sf o ra p p l i c a t i o n f o ri t sv i r t u e s , s u c ha ss i m p l ei ns t r u c t u r e , m o r ec o n v e n i e n tt oa s s e m b l ea n dd i s a s s e m b l e ， h i g h e rt r a n s m i s s i o nt o r q u e b e t t e rc a p a b i l i t y o fc e n t r a l i z a t i o n , e t e c u r r e n t l y , n 圮 c o m b i n a t i o no fc u r v es u l f a c e sm a c h i n i n gm e t h o di sc o n v e n t i o n a lt u m i n gw h i c h a d o p t i n gt u r n i n gc u t t e rt h a th a v n ts h a r pa n g l ea n ds t a n d a r dt u r n i n gc u t t e r b u tf o rt h e s a k eo fe n s u r em a t e l aa c c u r a c y , t h el a s tw o r k i n gp r o c e d u r em u s tb eg r i n d i n go nt h e a p p r o p r i a t i v eg r i n d i n gm a c h i n e f o rt h ec h a n g e o fg r i n d i n gw h e e l sd i a m e t e ra n d w o r k p i e e e sr a d i u s ，i t sh a r dt os a t i s f yp r a c t i c a lp r o c e s s i n gc o n t r 0 1 t h et e c h n i q u eo f h i g h - s p e e dt u r n - m i l l i n gc a nm a k et h es h a p ea e c t t r a e y ，t h ep o s i t i o na c c u r a c y ，t h es u r f a c e r o u g h n e s sa n dt h er e m n a n tr o u g h n e s sr e a c ht h em a c h i n i n gr e q u e s t , a n dc o m p a r e dt o t r a d i t i o n a lm e t h o d , i t 啪c a r r yo u tt h eh i g h s p e e dt u r n i n g i nt h i st e x t , t h em a t h e m a t i c m o d e la b o u tt h ee l l i p t i cp r o f i l ei na x i a lt u r n - m i l l i n gi se s t a b l i s h e d , a n dt h ec o m p u t e r s i m u l a t i o no ft h em o v e m e n tc u r v ei sc a r r i e do u t t h ee f f e c t so nt h en l o v e m c n tc u r v e w h e nm a c h i n i n gu n d e rd i f f e r e n tp a r a m e t e r sa r ca n a l y z e d t h es h a p ea c c u r a c yo ft h e f i n i s h e dm a c h i n i n gs u r f a c ei m p r o v e da l o n g 、 ，i t lt h ei n c r e m e n to fm i l l i n gc u t t e r s n u m b e ra n dt h ep r o p o r t i o no fr o t a t es p e e db e t w e e nm i l l i n gc u t t e ra n dw o r k p i e e ef r o m t h ea n a l y s i s t h e nt h e # e c t o l m o d e ld e s c r i b i n gt h em o v e m e l l tp r o c e s s0 1 3 m a c h i n i n gt h e e q u i d i s t a n tp r o f i l eb ya x i st u r n ：m i l l i n gi se s t a b l i s h e d ，a n dt h ev e c t o re x p r e s s i o ni s 酉吼 o nt h eb a s i so ft h i s t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o no ft h em o v c m e l l tt r a c ki se a r r i e do u t ，a n d t h ei n f l u e n c eo ft h em a i nc u t t i n gp a r a m e t e r so i lt h em o v e m e n tt r a c ki sa n a l y z e d i ti s s h o w nt h a tt h es m a l l e rs u r f a c er o u g h n e s sc a nb eg a i n e dt h r o u g hi n c r e a s i n gr o t a t es p e e d r a t i ob e t w e e nm i l l i n gc u t t e ra n dw o r k p i e e e ，a n du p - m i l l i n gi sm o r ef i tf o rm a c h i n i n gt h e o u t s i d eo ft h ew o r k p i e c e b u td o w n - m i l l i n gi so i lt h ec o n t r a r y n 圮m a t h e m a t i cm o d e l a b o u ta x i a lt t m l m i l l i n gf o re q u i d i s t a n tp r o f i l ei sa l s os u i t a b l et oi n e q u i l a t e r a lp r o f i l e t h ev e c t o rm o d e ld e s c r i b i n gt h em o v e m e n tp r o c e s sm a c h i n i n gt h ee q u i d i s t a n tp r o f i l eb y o r t h o g o n a lt u r n - m i l l i n gi se s t a b l i s h e d , a n dt h e v e c t o re x p r e s s i o ni sg i v 锄- o nt h eb a s i s o ft h i s 。t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o no ft h em o v e m e n tt r a c ki se a r r i e d 呲a n dt h ei n f l u e n c e o ft h em a i nc u t t i n gp a r a m e t e r s0 1 3 t h em o v e m e n tt r a c ki sa n a l y z e d i ti ss h o w nt h a tt h e 沈阳理。 大学硕士学位论文 s u r f a c er o u g h n e s sc a nb er e d u c e dt h r o u g hi n c r e a s i n gr o t a t es p e e dr a t i ob e t w e e nm i l l i n g c u t t e ra n dw o r k p i e c e a n dt h eg l a z e ds u r f a c ei sm o r ee a s i l yg a i n e d 、v i lt h eb i g g e r e c c e n u i c i t y t h em a t h e m a t i cm o d e la b o u to r t h o g o n a lt u r n - m i l l i n gf o re q u i d i s t a n tp r o f i l e i sa l s o s u i t a b l et oi n e q u i l a t e r a lp r o f i l e t h ee x p e r i m e n to ft h ee q u i d i s t a n tp r o f i l ei n t u r n - m i l l i n gi sc a r r i e do u t ，w h i c hh a sm a c h i n e dt h ee q u i d i s t a n ta n dp e n t a g o n a lo u t s i d e p r o f i l ea n dt h ee q u i d i s t a n tt r i a n g l ei n s i d ep r o f i l e t h i sc o n f i r m e dt h a tt h ee q u i d i s t a n t p r o f i l ec a nb em a c h i n e db yt u r n - m i l l i n g , a n da l s oc o n f i r m e dt h ec o r r e c t n e s so ft h e m a t h e m a t i cm o d e la n dc o m p u t e rs i m u l a t i o n f r o mt h ea n a l y z i n gr e s u l ti ti ss h o w nt h a t ， i no r t h o g o n a lt u r n - m i l l i n g ，t h er a t i ob e t w e e nt h er o u g h n e s so ft h eg u r v es u r f a c ea n dt h e c u r v ec u r v a t u r ei si n v e r s e a n dt h es u r f a c em i c r o c o s m i cs h a p e v i s a g ei sl i n e a r w h i l ei n a x i a lt u r n - m i l l i n g ，t h ec o n c l u s i o ni so nt h ec o n t r a r y , b u tt h es u r f a c em i c r o c o s m i c s h a p e - v i s a g ei sp u n c t u a t e k e y w o r d s ：c o m b i n a t i o no f c u r v es u r f a c e ；t u r n - m i l l i n g ；m o d e l i n g ；s i m u l a t i o n 沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本 人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出， 并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均己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。 作者( 签字) ：谣协即 e t 期：m 年多月o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳理工 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，可 以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：诗t f 多p 诃 e t 期：如订弓，口 指导教师签名：薹磁芬 e t期：p 0 7 3 i q 第1 章绪论 第一章绪论 1 1 论文研究的背景及意义 随着信息技术的发展，出现了以数控机床为基础的加工自动化，从而在加工 工艺和加工方法上也发展了许多新工艺，新技术，比较典型的由高速加工技术， 精密和超精密加工技术，高能束加工技术以及虚拟制造技术等等。上述先进制造 技术的发展大大的提高了劳动生产率，改善了产品的质量，创造了巨大的财富。 在以前的几十年里，在机械加工技术的研究和发展上，主要精力集中在减少加工 过程的辅助时间方面。在数控机床出现以前，机械零件的加工过程超过7 0 的时 间是用于零件的上下料、测量、换刀、和调整机床等。以数控机床为基础的柔性 制造自动化技术的发展与应用，大大降低了零件加工的辅助时间，极大的提高了 生产效率“1 。数控技术的高速发展也使得许多形状复杂零件的加工变得越来越容 易，采用二轴以上联动的数控机床，可以加工母线为曲线的旋转体、凸轮、各种 复杂空间曲面的零件，能完成普通机床难以完成的加工。使单件小批量生产模式 迅速增加。作为实现单件小批量零件加工自动化的数控机床，由于其突出的优点 而得到广泛应用。 而近年来，在国内外机械制造中，出现了广泛采用无键联接来代替键和花键 联接来传递扭矩，并在机床、汽车、拖拉机、挖掘机、减速器、造船工业中获得 了应用，它由很多种，如图1 i 所示为各类型面联接示意图： 口命 abcd 图1 1 各类型面联接 以下是采用非圆形剖面的柱体非圆形剖面的锥体的孔轴配合而构成联接传递扭矩 沈阳理工大学硕士学位论文 如图1 2 o 审 a 图1 2 无键联接 b 从纵向剖面看，可以是圆柱形，可以是圆椎形，可以实现间隙配合、过盈配合及 过度配合，由于装拆方便，能保证良好的对中性；联接面上没有键槽及尖角，从 而减少了应力集中，可以传递较大的扭矩；廓形曲线升角较小，在载荷下自动定 心时可发生自动楔紧，从而以间隙配合装配，以过盈配合工作，增大了刚度；工 艺上省去了花键铣床和磨床，因而工序少成本低；结构简化可以采用强化工艺及 喷涂耐磨材料，使表面产生残余应力来延长机器寿命。因而无键联接在结构上和 工艺上有独特的优越性，不但效率高，而且寿命、可靠性、强度等性能得到明显 改善。由于型面联接的横截面为非圆形的联接方式。1 。即采用非圆异形截面的孔轴 配合代替键和花键来传递扭矩的一种联接方式。一。由于其具有结构简单，装拆方 便，传动扭矩大，对中性好，应力集中小，加工成本低等优点旧，因而广泛应用于 工业技术的各个部门。但相对机械学科的其他领域，型面联接的研究开展较晚， 应用范围尚不十分广泛。但近几年来，研究进展较为迅速，其成果不仅解决了一 些重大的工程实际难题：而且推动了型面联接本身的发展；在机械传动中，键联 接是用来实现轴与轮毂之间的动力和运动传递的最常见的联接方式。普通键联接， 存在着强度低、尖角处应力集中等缺点。另外轴与孔之间存在问隙时，会使得轮 毂不能准确定心，从而造成质心偏离回转轴线，运转过程中出现离心力，产生振 动，这一缺点对高速运转或精密机械是致命的。”。花键联接可避免普通键联接的 一些缺点，但仍存在着不能消除应力集中、定心和专用机床上加工等不足0 1 。型面 联接与键和花键联接比较，具有下列优点：1 ) 简化配合截面形状，装拆方便，疲 劳强度比键和花键提高3 5 倍，承受载荷能力在间隙配合时提高1 2 - i 3 倍，过 第1 章绪论 渡配合时提高2 倍；2 ) 奇数边的异形截面在传递载荷时具有自动定心功能，其定 心精度高过花键，提高了机器的传动精度：3 ) 制造成本低，与花键相比，成本减 少3 0 一7 0 ，且便于采用自动化加工技术因此许多结构采用型面联接代替花键联 接或键联接都取得了良好的结果，机器的性能和寿命都大有改善。但由于型面联 接本身廓形曲线复杂，使其加工难度较大，加工时既要严格保证其形状精度，也 要保证其表面粗糙度达到一定要求。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 型面联接的国内外研究现状 型面联接是无键( 异行截面或非圆截面) 联接的一种，是机械传动中一种有 发展前途的轴和轮毂间联接方式，它是把安装轮毂的那一段轴制成表面光滑的非 圆形剖面柱体或非圆形剖面锥体，荠在轮毂上制成相应的孔，这种型面联接( 特 别是等距型面) 与键连接相比具有装拆方便，传递扭矩大，对中性好等优点，故 被广泛应用于工业的各个部门，在国外的机床、汽车、拖拉机的变速箱中得到了 广泛的应用。早在1 6 世纪，型面就在钟表，印刷机械等行业开始得到应甩，但制 造的工艺难度较大，又限制了它的应用范围。2 0 世纪中叶，奥地利工程师科拉乌 兹提出了摆线型面联接。之后前苏联的巴罗威奇研究了等距型面联接及其设计和 制造技术。俄罗斯的工程技术人员研究了等距型面的制造工艺与设备。美国一些 制造商也研制了等距型面专用砂轮架卜。随着研究的深入，奥地利。德国，美国， 前苏联等相继出现了改装车床来加工型面联接的孔轴的方法，大大推进了型面联 接的应用“1 。尽管如此，型面加工技术仍处于是局部进行研究的状况，方法也不全 面，因此研究型面联接加工技术，探索寻求更好的加工方法是非常重要的课题。 焦作工学院型面联接课题组从8 0 年代开始，就对型面联接进行了研究，先后 承担了煤炭自然科学基金项目“煤矿机械传动中等距型面无键联接的研究”，河南 省科技攻关项目“机械无键联接异形截面轴加工机床研制”等课题的研究工作， 对型面联接的基本理论及其有关应用进行了深入探索，研究了型面联接的廓形曲 线，应力分布规律，设计方法及图样技术条件，标注形式和加工方法，设计制造 了等距型面的铣削，车削，拉削，插削的工艺装备“侧，为型面联接的应用创造了 条件，为型面联接的推广应用奠定了基础“1 。 目前，国内外型面联接的加工主要采用无尖角车刀和标准车刀的传统车削加 沈阳理工大学硕士学位论文 工方法。主要有仿型法、轨迹法、相切法和展成法，在这里不作具体介绍。另外 型面廓形的形成还可以采用成型铣削的方法，下面以三弧段等距型面轴为例简要 介绍一下成型铣削加工型面联接的方法，如图1 3 所示： 图1 3 三弧段等距型面轴成型铣削加工示意图 利用成型铣削方法首先要设计成型铣刀，与仿形加工方法相比，不需要改造 现有设备，在普通铣床上，利用通用附件即能完成这种型面轴的加工。如图1 3 所 示，工件4 一端由万能分度头的三爪卡盘2 卡紧，另一端由尾座5 上的顶尖支撑， 万能分度头用t 形螺钉固定在铣床工作台6 上，3 为成形铣刀。加工时铣刀三旋转 为主运动，工作台作纵向进给运动，走刀结束后利用分度头将工件旋转1 2 0 。经 两次分度即可加工出完整的三弧段等距型面轴( 廓形见图1 4 ) 在中小批量生产的 条件下，这种方法不失为一种经济有效的加工方法。 y r 一 图1 4 三弧段等距型面轴廓形 第1 章绪论 2 2 车铣的国内外研究现状 车铣技术是一种先进的金属切削技术，其技术含量高。它不是单纯的将车和 铣两种加工手段合并到一台机床上，而是利用铣刀旋转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。国外车铣技术研究主要集中在 德国、美国、法国和日本等工业发达国家。德国的a a c h e n 工业大学，d a m s t a d t 工业 大学都设有专门从事高速铣削和车铣技术的研究中心。其中，a a c h e n 侧重车铣， d a m s t a d t 侧重高速车铣。上述两个研究中心是德国机械制造1 1 个重要研究中心的 主要两个，研究水平处于世界领先地位。在a a c h e n 大学，有各类测试仪器、实验 用机床和制造中心等，总投资8 0 0 0 万马克。再车铣及相关技术研究方向上的投资 强度为1 0 0 0 万马克。研究领域涉及车铣原理、车铣运动学及动力学、车铣表面质 量等。德国另一个重要研究中心是d a m s t a d t 工业大学机床及生产工程研究所，实 验室占地面积1 9 5 0 m 2 ，主要从事车铣技术的研究，研究手段及设备非常齐全，实验 用各类机床价值约7 0 0 万马克，其中c n c 机床价格约4 0 0 万马克，测试仪器及设 备( 包括大型三座标测量仪) 价值约2 0 0 万马克，c a d ，c a m 中心1 0 0 万马克，仅 刀具费用就达7 0 万马克。有3 0 多名博士研究生在高速铣削、车铣、机床设计与 测试、c a d c a m 四个研究领域内工作，其中有一半从事高速铣削及相关技术和车 铣技术研究。 国内也对车铣技术进行了以一系列的研究。五、六十年代在一些工厂的生产 革新中出现过旋风铣，这是车铣的一种基本形式轴向车铣的实际应用。近年 来，不少科研人员又进行了一些深入的研究。沈阳理工大学高速切削工程技术中 心对于车铣技术进行了系统的研究，在国家科学技术部“九五”攻关项目的资助 下，在车铣技术的基础理论、车铣工艺，c n c 车铣加工中心的设计和制造等多个方 向进行了研究，并设计制造了具有自主知识产权的车铣加工中心。另外，沈阳 机床集团也试制出了自己的车铣加工中心，并参加了北京国际机床展览会。目前 我国对车铣技术的研究己涉足各个方面，但和国外相比来说我国对车铣技术的研 究总体上处于起步阶段。下面介绍一下车铣加工的定义：车铣技术是一种先进的 金属切削技术，其技术含量高。它不是单纯的将车和铣两种加工手段合并到一台 机床上，而是利用铣刀旋转和工件旋转的合成运动来实现对工件的切削加工， 沈阳理工大学硕士学位论文 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。它具备高速切削的一切优点，即： 1 ) 随着切削速度的提高，进给速度也可相应的提高，以便基本保持每齿切削厚度 不便变，单位时间内的材料切除率可大大增加，极大地提高了加工效率；2 ) 在切 削速度增加到一定值后切削力可降低3 0 以上，尤其是径向切削力的大幅度减少； 3 ) 在高速切削状态下，9 5 以上的切削热还来不及传给工件时，就被切屑带走， 工件基本上保持冷态，因而特别适合于加工容易热变形的零件；4 ) 高速切削时， 机床的振动频率特别高，它远远离开了机床关键零件部件的基本阶固有振动频率 范围，使机床工作平稳振动小，因而能加工出非常精密且光洁的零件；5 ) 采用高 速切削可以得到很高的零件加工质量，可以达到磨削的水平；6 ) 高速切削可以加 工常规切削无法加工的高硬度材料，可取代磨削加工；7 ) 可以在屋冷却条件下进 行干切削。 图1 5 车铣的主要运动 如图1 5 所示，车铣加工包括铣刀旋转、工件旋转、铣刀的轴向进给和径向 进给四个基本运动。铣刀的旋转是主运动。切削速度由铣刀旋转速度和工件旋转 速度共同决定，其中铣刀旋转速度是决定切削速度的主要因素，特别是在高速、 超高速车铣加工中，工件的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， - 6 - 第1 章绪论 其中工件旋转速度对进给速度的影响远大于其他两个基本速度。工件旋转产生的 切向线速度即为铣刀的周向进给速度，他的大小等于工件的转速与工件周长的乘 积；铣刀的轴向( 或径向) 进给速度则等于工件的转速与铣刀在工件每转时沿工件 轴向( 或径向) 移动距离的乘积。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( 如加工长轴类零件) 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) 运动乜1 1 。 由图1 5 可知，车铣不是单纯的将车和铣两种加工手段合并到一台机床上， 而是利用车铣合成运动来完成各类表面的加工。根据工件旋转轴线与铣刀旋转轴 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 据工件和刀具旋转相对方向的不同。它们又都可以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 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，但由于他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孔表面，与此相反， 如铣刀直径大于其主轴箱体径向尺寸，轴向车铣也可进行长轴外圆和深孔内表面 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。”。如图i 6 所示： ( a ) 轴向车铣 图1 6 车铣原理示意图 1 3 车铣加工型面联接的特点及优点 7 - ( b ) 正交车铣 沈阳理工大学硕士学位论文 目前，国内外型面联接的加工主要采用无尖角车刀和标准车刀的传统车削加 工方法。主要有仿型法、轨迹法、相切法和展成法。但为了保证配合精度，最后 工序一般要在专用磨床上进行磨削加工，由于磨削加工过程砂轮直径大小及零件 轮廓半径的时变，难以满足实际加工控制要求衄1 。随着数控加工技术的发展大大 提高了型面加工的制造精度。然而此类方法皆不能实现高速切削。采用车铣加工 型面联接件即可实现切削的高速化。车铣技术特别适用于加工重型回转体工件， 如大型扎锟、发电机转子、大型铸管模等等，除加工外圆外，端面、内孔、沟槽、 螺旋槽、复杂空间曲面等加工也能在一次装卡中完成。 车铣技术与其它传统切削方法一样，并不是所有零件的切削加工都实用于车 铣技术，它只是在一些特定条件下能够充分发挥它的加工特点。车铣加工型面联 接件是一种崭新的加工方法，它是利用铣刀旋转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。与传统车削相比，其极易实现高速切 削，而高速切削的一切优点尽可在车铣中得以体现。”。作为一种先进的金属切削 方法采用车铣加工型面联接件本身具有如下优点锄1 ： 1 车铣是间断切削，因此无论加工何种材料的工件都能得到较短的切屑，易 于自动除屑。 2 间断切削使刀具有充足的冷却时间，刀具切削温度相对较低。 3 与传统车自4 相比，车铣极易实现高速切削，而高速切削的一切优点可在车 铣中得以体现。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 变形的径向力有明显下降，这就有利于提高型面联接件加工的形状精度，由于切 削力小，机床和刀具承受的负荷小，也有利于机床精度的保持。 4 由于切削速度是由工件和刀具的回转速度共同合成，因此不需使工件高速 旋转也能实现高速切削，有利于对型面联接件进行高速切削。型面联接件的超低 转速将消除因工件偏心而引起的振动或径向切削力的高频周期变化，这些特点使 得此类工件的切削过程十分平稳，有利于减少被加工工件的形状误差。 5 工件转速相对较低，加工型面联接件时几乎没有由于离心力产生的变形。 6 当采用高速车铣时，切削变形过程主要是绝热剪切，故切屑和刀具带走的 热量较多，因此工件温度相对较低，热变形小。 第1 章绪论 7 采用轴向车铣加工型面联接件，加工一次完成，可以获得较准确的廓形曲线， 减小了被加工工件的形状误差。 1 4 本课题的研究内容 本文针对等距型面联接如图1 1 中d 所示，应用数学方法对车铣加工型面联 接件进行建模，并应用a u t o l i s p 程序对其运动曲线进行计算机仿真，从而验证数 学模型的正确性，并给出了不同参数下车铣加工型面联接件的仿真曲线。然后在 c n c 高速车铣加工中心上做车铣加工型面联接件试验。对加工后的型面联接件表面 微观形貌进行观测，分析其表面各个位置的微观形貌特征，并对其各个位置进行 粗糙度测量，分析其表面各个位置的粗糙度变化情况。 1 建立了描述轴向车铣加工椭圆型面联接件运动的数学模型。 2 建立描述车铣加工等距型面联接件运动的数学模型。 3 对车铣加工型面联接件运动轨迹作计算机仿真，验证数学模型的正确性。 4 分析不同参数下车铣加工型面联接件对运动轨迹的影响。 5 作车铣加工型面联接件实验，分析主要切削参数对型面表面微观形貌特征 及表面粗糙度的影响。 1 5 本章小结 本章主要介绍了本课题研究的目的及现实意义，介绍了型面联接件加工方法 的国内外研究现状及应用，介绍了车铣加工的定义，以及车铣加工型面联接件的 优越性，最后提出本课题的主要研究内容及方法。 沈阳理工大学硕士学位论文 第二章轴向车铣椭圆型面白键动建模及仿真 椭圆型面是型面联接廓形曲线中最为简单的一种，对椭圆型面的加工大体可 分为两种方法：一是创成法，即利用机构装置来实现椭圆的加工伏尔默教授系统 地研究了利用凸轮机构加工各种参数的椭圆。二是数控加工的方法，这种方法加 工椭圆更方便，编程比较简单，各种现成的插补程序也较多。因此，相比其他型 面而言，椭圆的加工是比较容易，也是比较经济的陋州。本文为了深入研究车铣加 工型面联接件的运动过程，首先针对椭圆外型面进行了轴向车铣的数学建模及动 态仿真，通过对车铣加工椭圆型面的运动分析，为车铣加工更加复杂的型面联接 件的运动学研究提供了一个初步的理论基础 2 1 数学建模 如图2 1 所示，椭圆廓形的加工时应保证法向接触，刀具的母线与工件的轴 线间的距离是周期变化的，轮廓的成型运动是由工件和铣刀的旋转运动、铣刀在x 、 y 方向上的往复运动以及铣刀的轴向进给运动合成。 图2 1 轴向车铣椭圆型面运动 2 1 1 椭圆型面的截面方程 标准椭圆的参数方程为 第2 章轴向车铣椭圆型面运动建模及仿真 ”? ? 8 ，( 。，6 ) 7 ( 2 1 ) l y = b s l n 定义标准椭圆的形状比i 为半短轴与半长轴之比，即 f = 6 a ( 2 2 ) 由定义可见：i ( o ，1 ) 形状比是反映标准椭圆几何形状的唯一参数 2 1 2 轴向车铣椭圆型面运动过程的基本矢量方程 以外齿铣刀进行轴向车铣椭圆廓形进行建模如图2 2 为描述轴向车铣椭圆型 面外轮廓时运动过程的基本矢量模型在这一模型中，以工件轴心为原点的坐标系 x - y 为绝对坐标系，以铣刀轴心为原点的坐标系u - v 为相对坐标系。铣刀轴心矢量 d r 是描述运动过程中相对坐标系j y 7 原点在绝对坐标系x - y 中位置的矢量。刀具 矢量r 为描述运动过程中刀刃在相对坐标系u - v 位置的矢量，而最终描述铣刀刀 刃运动过程的刀刃在绝对坐标系中的位置矢量p 可由铣刀轴心矢量d r 、和刀具矢 量丁共同合成。 图2 2 中工件旋转妒。( 即铣刀相对工件公转角度) 后，铣刀轴心矢量可用下 式表示： 丽c 驴瞄妥篇 s ， 其中：，一铣刀半径； 口。一相切点法向角 由图2 2 可得： 争ue t 锄2 兀) 争 ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 兀 邶唾 一 七 w y “ k 0 引 i i 竺o k “ 盯 i i 虹 吼 定 沈阳理工大学硕士学位论文 一 一一一 一 一 b 0 a i 一 么黧霸 图2 2 轴向车铣椭圆廓形运动过程的基本矢量模型 取铣刀旋向为顺铣，齿数l ，则此时在相对坐标系u - v 中的刀具矢量为： 一黑 把此刀具矢量变换成原坐标系j ，- y ，中的矢量则需变换矩阵： = 瞄者 由此得刀刃在绝对坐标系中的位置矢量p ： ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) p ( ，作) = d r + m ( 0 1 ) t ( o f ) ( 2 8 ) 设旯为铣刀与工件的转速比，即 a = 堡：塑：丝 唧 w f 卿 ( 2 - 9 ) 把式( 2 - 3 ) 、( 2 - 4 ) 、( 2 - 6 ) 、( 2 - 7 ) 和( 2 - 9 ) 代入式( 2 8 ) 可得 第2 章轴向车铣椭圆型面的运动建模及仿真 p ( 矿。) = sc t 妒。，+ ，c o s a r c t s b s i n ( 伊- ) + 7 8 1 “l a r c t g c 。s a r c t g ( 手t g 矿。) + 如+ 却。】 s i n a r c t g ( 鲁t g 矿，) + 七霄+ 五伊。】 o ( 2 - 1 0 ) 其中n f - - 铣刀转速；九。一工件转速；z 一铣刀齿数；卿一铣刀转角；a 一铣刀与工 件转速比 c 顺铣加工时：取k = 1 ，逆铣加工时：取t = 一1 当为多齿加工时式( 2 1 0 ) 变为： p ( 妒。) = s ( 女妒。) + ，c 。s ( a r c t g 【了a t g ( k 尹。) 】+ 女霄 6 s i n ( 帆) + ，s i n a r c t g 【孑t g ( 饥) 】+ 如 c o s 【a r c t g s i n 【a r c t g 其中：卢( ，2 ，z ) 当切深为d l p 时，式( 2 1 1 ) 变为： p ( 妒。) = + ， + 枷。一生生旦】 ： + a 妒。一三三j 三二二堕】 ： s ( j i 尹。) + ( ，一) c 。s a r c t g 6 s i n ( 女妒。) + ( ，一口，) s i n ( a r c t g c 。s 【a r c t s ( 手t s 伊。) + 七霄+ a 妒，一半】 s i n 【a r c t s ( 詈t s 矿。) + i 霄+ 五妒。一半】 ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 2 2 轴向车铣椭圆型面运动曲线仿真 应用内嵌a u t o l i s p 的a u t o c a d 2 0 0 0 对轴向车铣椭圆型面的运动曲线作计算 机仿真 2 2 1 软件编制 a u t o c a d 的标准化菜单比较适合用于初学a u t o c a d 的学习者。对专业用户 1 3 、，、，j 耳 石 七 七 十 + h 朝 w 矿 伊 k 七 ( ( g g t + o 口一6口一6 【 【 耳 靠 t 七 + + ) ) w 妒 矿 g g c 十l 口一6竺6 ( ( 、，j、，j 冗 兀 “ “ + + 妇 矿 伊 k 七 ( ( 培 锯 d一6口一6 【 【 沈阳理工大学硕士学位论文 来说，标准菜单的利用率仅仅只有2 0 。十分幸运的是a u t o c a d 的菜单是开放式 的，用户可以使用菜单宏定义自己进行编写自己的菜单。 我们可以完全独立的通过菜单宏定义建立自己的菜单，由于用户化菜单与标 准菜单在形式上有许多相同之处，因此建立用户化菜单的最简单方法是通过对 s u p p o r t 子目录中的菜单样板文件a c a d m n u 的编辑修改得到用户化菜单。开发零件 库的用户化菜单部分代码如下： * * * p o p l 0 料车铣仿真 i d _ m n 车铣仿真 车铣仿真 i d - 车铣运动仿真 一 车铣运动仿真 i d _ 轴向车铣运动仿真 一 轴向车铣运动仿真 i d 轴向车铣运动轨迹仿真 轴向车铣运动轨迹仿真 n c a c ( 1 0 a d ”d ： 车铣仿真轴向车铣运动轨迹”1z x c x y d i d _ 轨迹型面联接 型面联接运动轨迹”1x m l j y d i d - 轨迹轴向椭圆 轴向车铣椭圆廓形运动过程仿真”) j a n g l 轨迹型面联接 “c a c ( 1 0 a d ”d ：车铣仿真 轨迹轴向椭 “c a c ( 1 0 a d ”d ：车铣仿真 i d _ 轴向车铣运动参数及理论表面粗糙度仿真 i e 交车铣运动仿真 i d 正交车铣外圆运动轨迹仿真 正交车铣外圆运动轨迹 仿真 m c n c ( 1 0 a d ”d ：车铣仿真正交车铣外圆运动轨迹”) z j c x w y y d i d 正交车铣型面运动轨迹仿真 正交车铣型面运动轨迹 仿真 e c c ( 1 0 a d ”d ：车铣仿真正交车铣型面运动轨迹”) z j c x x m y d i n 正交车铣曲轴运动轨迹仿真 正交车铣曲轴运动轨迹 仿真 “c a c ( 1 0 a d ”d ：车铣仿真正交车铣曲轴运动轨迹”) z j c x q z v d i d _ 正交车铣侧母线仿真 正交车铣侧母线仿真 m c a c ( i o a d ”d ： 车铣仿真正交车铣侧母线”) z j c x c m x 第2 章轴向车铣椭圆型面的运动建模及仿真 i d 正交车铣运动参数及理论表面粗糙度仿真 一 车铣切屑仿真 i d 轴向车铣切屑仿真 轴向车铣切屑仿真 c 、2 ( 1 0 a d ”d ：车铣仿 真l j t l s 5 7 8 0 ”) l j t l s 5 7 8 0 i d 正交车铣切屑仿真 ( 一正交车铣切屑仿真 n c n c ( 1 0 a d ”d ：车铣 仿真正交切屑仿真”) z j c x q x f z 装载完用户化菜单的a u t o c a d 菜单系统由原来标准 的菜单变为如图2 3 所示的用户化菜单。 图2 3 轴向车铣椭圆型面运动仿真用户化菜单 2 2