超声振动铣削光学玻璃材料铣削力研究.pdf

精密制造与 自动化 2 0 1 5 年第 1 期 宋 e 试验 与 研 究 超声振动铣削光学玻璃材料铣削力研究 洪静 商丘学院 电子信息工程学院河南商丘 4 7 6 6 0 0 摘 要工件材料在切削加工过程中所产生的铣削力对加工稳定性 加工的成品率以及工件质量有着十分重要的 影响 对光学玻璃这种典型的硬脆性材料 使用传统的铣削方式难以得到高效精密的加工 超声铣削加工是一种 特别适用于非金属材料以及难加工材料的加工方式 首先建立了超声振动铣削光学玻璃材料的平均铣削力模型 从理论上得出超声振动铣削加工可有效的降低加工过程中的铣削力这一结论 并用实验验证了这一结论 实验结果 表明 与普通铣 削加工相 比 超声铣削加工 明显的降低了切 削加工过程 中产生的切削力 提 高了加工 的稳定性等 关键 词 超声振动铣削加工光学玻璃材料平均铣 削力模 型铣 削力 正交实验 与分析方法 在机械加工中 切削力的大小不仅决定加工中 功率的消耗及工艺系统的稳定性 也决定着工件 的 加工质量和精度 切削力对刀具的磨损和使用寿命 同样也有重要影响 机械加工过程 中切削力的研究 对切削参数的选择和切削过程 的分析 以及实际的生 产具有重要的指导意义 1 超声振动铣削光学玻璃平均铣削力模型 在超声振动切削加工中产生的切削力波形和普 通铣削加工切削力波形是有明显区别的 超声振动 加工产生的切削力波形是一种脉冲波形 在一个切 削周期内 整个切削长度被分割为均匀等同的微段 刀具是依次对工件每一个微段进行瞬时高速的切削 这与传统加工的切削加工过程是不同的 由此可知 超声切削加工可显著的提高加工效率和加工质量 图 l a b 是超声波振动切削力波形和普通切 削力波形 图 1 b 中 是在一个振动周期内的纯切 削加工时间 二 1 厂 是一个完整的切削加工周期 F 兰 L a 普通铣削力 b 超声波振动切削力 图 1 铣削力波形 根据铣削力波形可将传统切削力和超声振动切 削力的切削力计算公式推导出来 传统切削力公式 c F o F s i n 2 f t 1 超声振动切削力公式 F t 厂 2t c Fm sin n tc f c o s 2 n f t F t 厂 Fm 元 c o 2 在切削力计算公式 中 因纯切削时问 是按照 常量来计算的 故无法直接判断切削速度 i3 和进给 量 f对切削力产生的影响 我们用振动运动学方程 对振动切削加工中受到 的平均铣削力的公式进行推 导 从图 2可看出 加工工件上任意质点的振动方 程式为 t A s i n a J T A s i n 2 t 3 9 精密制造与 自动化 2 0 1 5年第 1期 式 中 A 为工 件振 幅 为 工件 的振 动频率 厂 o 2 T r 振动速度方程式为 妒 2 u f A co s 2 u f t 4 由机床的进给速度 1 c n 厂 r 可推导出在振动 切削过程 中的复合切削速度为 1 7 1 7 c x t 孔 厂 r A 2 t f co s 2 r t f t 5 在一个振动周期 1 厂 内 切削加工结束 的时 间 由 v O时给出 C O S 1 C O S 1 n f r 6 切削开始的时间 由下式得出 A s in o g t e A s in co t s t s 一 e A s i n 2 u f t P A s in 2 rif t s 7 根据式 7 可知 在 已知振幅 频率 厂 进 给速度 v c和切削结束的时间 t 可以计算出切削开 始时间 在一个振动周期 内的纯切削时间 t 则为 t 一 t s t l f 一 t s 8 同时也知 f c是一个与振幅 频率 厂 进给速度 有关的常量 可将其写为 t f A 厂 厂 厂 n 9 在此假设刀具的等效质量为 同时假设工件 在切削过程中是受力均匀的 工件所受的平均冲击 力F 可近似的 由式 1 0 求出 M a M Y t e V t s 1 0 Cc 式中 v t c I t t e 2 n f A co s 2 u f t v t x t I t t 2 r t f A co s 2 u f t s 则 F 2 7 r f Z A M c os 2 U f t e C OS 一 2 u f t s 1 1 一 厂 1 在相 同的切削条件下 假设普通铣削加工在工 件上作用的切削力 的合力为 超声振动铣削加工 是 由普通切削和超声振动共 同作用的结果 则加工 过程 中作用在工件上 同样作用于刀具上 上的平 均铣削力是普通铣削力 和平均冲击力 的叠加作 用 在超声铣削加工过程中加工刀具受到的平均铣 削力为 F 竺 竺 吾 1 2 在式 1 1 中 由切削力的分解形式可知 co s 2 rif t 一co s 2 r t f t 0 因此 可得 出F S F 口 2 在超声铣削加工下 当各个因素变化时铣 削力变化的规律为 铣削速度从 1 5 1 m min增大到 2 2 6 m mi n时各个方 向上的铣削力的增加都是非常 缓慢 的 当铣削速度 从 2 2 6 m rain 增大 到 2 6 4 m mi n时铣削力是急速增加的 当每齿进给量增加 时铣削力 的增加是缓慢的 方向上的力在 0 0 0 2 5 0 0 0 5 mm 范 围内是下 降的 在 0 0 0 5 0 0 1 0 I I l l I 1 是明显增加的 接着是缓慢增加 当铣削 深度增加时 各 向铣削力都是呈增加趋势的 且是 均匀增加的 在普通铣削加工下 当各因素变化时 铣削力变化的规律为 铣削速度增加时铣削力 l 2 1 e 口 1 1 4 0 童 2 0 窭 嚣 40 t 86 e 1 坼 2 0 2 持 2 4 0 2 2 7 0 髋 削遭 度 V c c m mm a 铣削速度对铣削力的影响 0 0O 2 5 00 o O 0 0 7 5 0 O O OO1 2 6 OO 1 5 O 辱 齿 进蛤 量 m z 每齿进给量对铣削力的影响 Ol啦 口 O O 0 jO 0 2 5 0 3 0 O 5 Ol加 铣 削 辉度 a p t m m c 每齿铣削深度对铣削力的影响 图 4 各因素对铣削力的影响 R 是缓慢增加的 当铣削速度从 2 2 6 m min增大到 2 6 4 m min时铣削力 是急速增加的 当每齿进给 量从 0 0 0 2 5 n增加到 0 0 1 0 I I L r n时铣削力 是匀速增加的 每齿进给量从 0 0 1 0