螺纹铣削切削力模型.docx

本科毕业设计（论文）外文翻译译文学生姓名： 王晶 院 （系）： 机械工程学院 专业班级： 机械1004班 指导教师： 于洋 完成日期： 20 年 月 日 西安石油大学本科毕业设计(论文)外文翻译译文螺纹铣削切削力模型Anna Carla Araujo a ,Jose Luis Silveira a, Martin B.G. Jun b,Shiv G. Kapoor b, Richard Devor b,*摘要：本文主要介绍了预测螺纹铣削力的机理模型。切螺纹铣削的力学分析类似于端铣工艺，但采用了改良切削刃的几何形状。切屑厚度和切割力模型的开发是基于工具的独特几何形状进行的。该模型已校准了6061铝并得到验证。使用该模型对工具和螺纹几何形状的影响进行了研究。关键词：螺纹铣削；机理模型；力预测1 前言在工件上的线程可以在各种不同的方式来生产，它应用了以下两个基本原理：塑性加工和金属切削。虽然由塑性变形产生的线程通常较强，螺纹成型工艺在许多应用方面无法达到高准确度和高精密度的需求。此外，利用脆性材料制成的螺纹是不能由塑性加工产生的.为线程生成在这类应用的另一种方法是螺纹切削 1。常见的切削过程有内部线程生成切割攻丝和螺纹铣2。而攻丝需要工具的直径是相同的，一个螺纹磨可以在孔直径大于该工具产生的内螺纹3。螺纹铣削的这种多功能性使得当不同的直径需要带螺纹时允许使消除换刀。螺纹铣削也通常可以提供更高的精度，可以实现更大的速度比攻4,5 。此外，螺纹铣削和攻丝相比提供了更好的排屑，从而减少了由于切屑堵塞引起的刀具磨损，同时也增加摩擦力。但是，在更广泛的基础上促进该过程仍需要了解此过程和在螺纹铣削上提高工作效率和螺纹质量的可能性。一些模型已经被开发用于创建线性攻丝6-9。坎波马内斯10开发了一种力模型与粗加工立铣刀，它们具有类似的几何形状，。此外， Altintas和Merdol 11通过拟合锯齿形凹槽设计与三次样条开发了切削力模型的锯齿形螺旋立铣刀。然而，这些力模型并不适用于螺纹铣削，因为过程的几何形状和刀具几何形状是不同的。目前没有记录已开发调查螺纹铣削过程的力模型，很少有人知道的螺纹铣削加工的切削特性。本文的目标是开发可用于理解螺纹铣削过程的螺纹铣削力模型，以提高工艺性能。该切屑厚度模型来整合沿着切割工具的不同径向深度由于线程和刀具跳动的影响。该刀具被认为是具有螺纹切削刃的端铣刀。切削力模型是用机械方法开发的。本文的结构如下。首先描述螺纹铣削加工的独特性和切屑厚度并开发介绍切削力模型。特定切削能量的校准用于垂直和螺旋工具，其次是模型验证。然后，研究了刀具几何形状（即螺旋角和螺纹角）对工艺性能的影响。2 螺纹铣削过程模型的建立2.1 运动过程和刀具形状螺纹铣削的加工过程可分为五个阶段，如图1。第一阶段涉及到将刀具定位到与孔的中心轴线对齐，然后降低刀具插入位置开始铣削螺纹。一旦该刀具定位了，并在规定的转速下旋转，刀以规定的进给率径向移动到工件，切削适当的径向深度。第三阶段中，刀具以给定的螺旋进给旋转一整圈来移动孔。在生成的线程的数量 ，此转生成的螺纹数目与工件上的螺纹数相一致。如果生成孔全部深度的螺纹要几个步骤实现，重复步骤1-3，直到产生所有螺纹。 一旦螺纹生成，刀具移回至孔（第四阶段）的中心。最后，刀具退出孔。刀具的几何形状如图2（a）所示，显示了螺旋角和前角。刀具的外径用表示，螺纹内刀具的内径用表示。螺纹的几何形状如图2（b）所示。螺纹的特征用螺旋角、螺距p和螺纹高度h表示。图1 螺纹铣削过程螺纹铣削刀具可以被分析为堆叠的盘状物，1，.，其中，每个盘状物的厚度是Z和可变直径是，如图2（a）所示。可变直径可写成从工具的底部测得的盘的高度z的函数，螺距p如12所示。 （1）当给出时 （2）如后面所示，沿着刀具的盘直径变化引起每个盘状物径向切削深度的变化。排屑槽之间的角度取决于槽的数量，且有刀具几何形状定义为： （3）2.2 切削机理Tlusty13引入了刀具与工件之间的接触界面的概念。他展现出两种不同类型的切割（I型和II型），这取决于切割（轴向和径向）的深度。最近，Yang等人14引入了低轴向和减小高径向深度的第三种类型的切割（III型）。在螺纹铣削中，与刀具直径比较，相关的径向切削深度较小，所以III型切割不在本文考虑。图3显示了接触面的螺纹铣削刀具为（a）第I类型及（b）第I类型切割，其中b是轴向深度切割e径向深度切割。一个槽的作用被投影在一个平面上，该平面是未折叠（展开），如图3所示。切削刃是倾斜与的直线，并从左侧移动到右侧。整个切割操作可以根据切削刃与工件的接触长度分为三个阶段。各相的限制是，其中下标n是取决于不同阶段的，从1开始变化。对于第一类型切割，在阶段A中切削刃的长度从0增加至最大深度b，且转动角从进入角变化到，定义为： （4）在阶段B中，与工件接触切削刃的长度保持恒定，且变从变化至进入角。由于刀具是走出工件的，切削刃长度逐渐减小（C阶段），当大于时，该刀具完全脱离工件。图2 螺纹铣削几何形状 （a）刀具几何形状 （b）螺纹几何形状 循环阶段A到C略有不同，由于大比例的轴向切削深度b和径向切削深度e，如图3中切削类型II所示。在这个周期中，在相位A()的边缘达到进入角，当仍小于时，这就意味着，在切削刃的尖端到达工件之前切削刃的底部到达工件。因此，当时的过程为类型I，当时为类型II。注意，图3示出的相位在类型一和类型二中不同。切削刃上的P点的位置角度表示为（图4），并且角度跨度为到，即。同时，和值得变化取决于不同阶段和切削的类型。如后面所示，给定切削条件下和值对估算切屑的厚度很重要。阶段A-C中和值如表1所示。(a) （b）图3 剪切类型I（a）、类型II（b）的接触面表1 阶段A-C中和的值阶段类型I 类型II -阶段A阶段B阶段C 2.3 切屑厚度和切削力模型一旦刀具以径向切削深度进入工件时，螺纹铣削过程中涉及到刀具主轴轴线旋转和z轴方向上的进给运动。因此，刀具遵循螺旋形轨迹，即图5（a）上的点P。然而，要建立和验证模型，该过程要通过图5（a）给出的刀具-工具曲线路径简化，忽略z方向上的运动，例如类似图5（b）所示铣削过程中刀具沿着x轴的线性运动。这种简化是该过程的一个很好的近似相比，因为与切割速度相比，z轴的速度较小，且孔的曲率半径与切屑厚度相比较大。图4 剪切类型I（a）、类型II的角尖端跨度 总切割力，可以计算求和沿刀具与工件接触面每个盘状物上的自然力，例如从到（图4）。到的值要求进入角和退出角。因为对于螺纹铣削过程中=0。螺纹的切削刃的直径变化如公式（1）给出。直径的变化导致了径向切削深度的变化，因此退出角可以写作： （5）跳动的存在，每一凹槽以不同的旋转半径（RC）旋转。跳动的特征在于平行轴参数偏移跳动和其定位角度升，其中是从主轴轴线到刀具轴线距离，是任意凹槽和跳动的方向之间的夹角。因为每个盘状物具有不同的直径，第n个凹槽与第i个盘状物的直径被定义为： （6）t时间的切削厚度可以写作: （7）是每个齿的进给量，切削刃旋转角度可写作： （8）如果，给定的切削刃进入工件。机械建模方法是采取类似于在【15】中给出的切削力模型。每个盘状物的元素可表达为： （9） （10） （11）图5 走到参数(a)螺纹铣削过程（b）切削厚度模型简化过程、分别是切削、半径、轴向的特定切削参数。它们可表达为每个齿的进给量的函数，主轴速度是： （12） （13） （14）系数对于特定刀具-工件材料组合是长量。它们可以从一系列实验校核中获得15。总的切削力通过个元素力之和获得： （15） （16） （17）3 模型校正3.1 实验建立与校正为了获得6061铝和两种刀具（直线和螺旋）的校核系数，在森精机TV30数控铣削中心进行了一系列实验。一台Kistler四轴测力仪用于记录力信号。LabView软件用于采集数据。实验是用尺寸为的直线或螺旋标准螺纹铣刀进行的。该实验装置的进一步细节可以在16中找到。由于螺旋角的值不易从制造商获得，螺旋角可以通过测量间隙角来测量，如图6所示。图6的图像采取了使用了松下的光学视频探头（KR-222）的布朗和夏普赛尔三坐标测量机。一旦得到角，螺纹角可用以下公式获得： （18）式中di是螺纹铣刀的内径，p是螺纹的螺距。刀具的螺旋角被认为是25，直径di是4.75毫米。径向跳动和其定位角度升是使用具有200纳米分辨率的狮子精密电容式传感器测量的，按17给定的方法测量。径向跳动和定位角度升的值在直刀具中分别是1.4微米和210，在螺旋刀具中分别是2.5微米和310。图6 实验测量螺旋角实验过程中主轴转速和每齿进给的设计变量为2的平方，且设计采用6061铝合金作为加工材料进行。主轴转速的最低值和最高值分别为1000和2000转和每齿进给分别为0.01毫米和0.02毫米。具体的切削能量在校准试验的四条边界点进行了测定和校准系数是用最小二乘法得到的。直刀具的切削能量是每齿的进给和主轴转速的函数，是： （19） （20）螺旋刀具的切削能量这样获得: (21) (22) (23)3.2 模型验证该机械螺纹铣削模型既验证了直刀具也验证了螺旋形刀具。图7显示了0.015毫米/齿的进给速度和1500转的速度的实验和模拟力之间的图形比较。模拟的力分布与试验力分布相当匹配。表2示出了用于模型校准条件范围内的两个不同的校验测试条件的峰 - 谷切削力。仿真结果列于括号中。因为直刀具在Z方向上的力是零，它们不会在表2中列出。如图所示，该模型在约10的误差范围内预测平均的切削力。它也表明，直刀具在x方向和y方向的峰 - 谷力超过了螺旋刀具即使螺旋形刀具的径向跳动较大。在接下来的部分中，工具的几何形状，即螺旋角和螺纹轮廓的效果，在切削力方面的工艺性能进行了研究。图7 进给速度为0.015毫米/齿 主轴转速为1500转时的切削力表2 峰谷力比较进给量 转速 直刀具 螺旋刀具（毫米/齿） （转/分钟） 实验仿真 实验仿真 0.015 1000 116.3（123.6） 47.1（46.7） 100.7（92.4） 29.2（36.5） 47.3（48.4）0.015 1500 124.4（119.4） 52.1（51.1） 99.5（93.7） 28.6(37.1) 47.8(47.7)4 诠释模型为了研究螺旋角对的切削力的影响，模拟在三个不同的螺旋角（0，10和30）中进行。用于模拟的进给速度和主轴转速为0.15毫米/齿和1000转。径向跳动可忽略不计。切削力如图8所示。仿真结果表明，随着螺旋角增大峰力减小。力分布图如图8，力随着螺旋角更加均匀地分布。这是因为该参数用于确定切割过程（I型或II）中，等式（4）定义的，随着螺旋角增大时，引起对于每个切削刃的啮合角增大。图8显示了切削刃只从事于当等于零时旋转约为50的工件。然而，啮合角增大也增加，且当时，啮合角增加至90。进一步增大螺旋角将导致的值增大，如此以至于过程由类型I变化为类型II，导致了峰力的减小。螺纹铣削过程中产生的螺纹个数取决于轴向切割深度和螺纹的螺距。所需螺纹的数目可以由完整轴向切削深度的单操作或一系列每次切割完整深度的一小部分的操作产生。例如，对于给定螺距为1.5毫米，螺纹数为8的可以由轴向切削深度为12毫米的单一切削或四个连续的轴向切削深度为3毫米的操作产生。切割不同的轴向深度将会对切削力的大小和轮廓有显著的影响。因此，为了研究轴向切削深度的影响，模拟结果是对切口的四个不同的轴向深度（3，6，9，和12毫米）获得的。给出螺距p是1.5毫米，这些值相当于工件上2，4，6，和8个螺纹。用于模拟的螺旋角取为30，切削条件保持与上述相同的（0.15毫米/齿和1000转/分）。 图9展示了不同轴向深度切削模拟的结果，峰-谷切削力值如表3所示。工件上相应的螺纹数量也列在表3。工件上螺纹的力分布是不同的。例如，当d=3毫米时，工件上有两个线程，且相应的图（上图）显示出力曲线的两个“凸点”。 这些“凸点”上存在于力分布，因为由于刀具的螺旋角退出线程不存在。如从事工件线程的数量增加，力分布上的“凸点”越多。图8 不同螺旋角时的切削力值得注意是当轴向深度增加时切削力的大小如何改变的。这个过程是I型切割时的轴向深度是3.0和6.0毫米。因此，增加切削的轴向深度导致增加在三个方向上所有平均力和峰 - 谷力增大，如表3所示。但是，在切削的轴向深度为9.0和12.0毫米时，过程转变为型。对于II型过程，增加切削的轴向深度不增加切屑的负载而只增加了每个切削刃啮合角，从而导致相邻的槽纹被同时从事于工件。这就是为什么在切12.0毫米的轴向深度的力轮廓看起来更加均匀，从而导致减少的峰 - 谷的力。这表明II型切割在“动态“感应中更合适，因为减少的峰 - 谷力导致通过齿的频率振幅减少。然而，平均力，尤其是在y方向上，随着切削的轴向深度增大而增大。因此，刀具可能会遇到更多的刀具偏转在“静态”感应下，这可能会导致所生成的线程的大小尺寸误差。进一步的研究需要确定轴向切削深度对螺纹质量和精度的影响。表3 不同轴向切削深度时的力（牛顿）轴向（d） 啮合螺纹数目 平均值 峰-谷（毫米） 3.0 2 17.7 -0.3 9.5 42.2 15.7 22.2 6.0 4 33.0 -8.0 18.6 68.4 32.1 35.1 9.0 6 44.7 -22.4 28.5 68.6 51.8 17.9 12.0 8 47.6 -38.9 37.3 65.2 39.1 18.5 图9 不同轴向切削深度时的切削力5 总结本文可得出以下结论：（1） 一种机械的螺纹铣削模型已发展为一个一般的刀具几何形状和螺纹轮廓。由于线程的存在，刀具半径沿刀具轴向改变，它因而改变径向切削深度。该模型还考虑到这种变化在切割的径向深度。（2） 该模型已经通过一系列的螺纹铣削实验校准，该模型已被验证为6061铝的直线或螺纹刀具的螺纹铣削。该模型预测实验的误差在10%以内。（3） 利用该模型，对螺旋升角的作用进行了研究。峰 - 谷力随螺旋角增大而减小，因为每一个切削刃的啮合角增加且力分布在增大的啮合角上。（4） 对于给定的螺旋角，提高切削轴向深度导致从I型切割到II型切割的转变。由于这种过程类型中得变化，如切削的轴向深度的增加，每个切削刃啮合角的增加和切割力变得更均匀，从而导致平均力增加，但峰到谷的力减少。（5） 在“动态”感应中II型切割比型切割合适，因为峰-谷力减小且刀具更连续的啮合。致谢作者由衷的感谢CNPq巴西科学与技术发展委员会提供的研究基金。所有作者感谢理事会和伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校对这项研究过程中提供的支持。参考文献1 G.T. 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