平头螺旋刃立铣刀切削力预报模型的建立与数值仿真_二_切削参数对铣削力的影响

1、平头螺旋刃立铣刀切削力预报模型的建立与数值仿真( 二)切削参数对铣削力的影响王启东1 ,刘战强1 ,汤爱民2 ,曾滔21山东大学 ; 2株洲钻石切削刀具股份 摘要 :铣削力对刀具变形 、工件变形 、刀具寿命 、加工表面质量均有重要影响 ,是计算切削功率 ,设计和使用机床 、 刀具 、夹具和优化加工工艺不可缺少的依据 ,并直接影响切削热的产生 。由于缺乏精确的切削力信息 ,在生产车间实 际加工中通常采用较保守的加工条件 ,致使加工效率降低和生产成本提高 。因此建立可靠的切削力预报模型 ,在实 际加工之前预测出切削力对合理选择切削用量 、刀具几何参数 、优化数控程序等均具有重要意义 。本文在第一部

2、分 研究基础上 ,研究铣削方式 (顺铣 、逆铣) 、每齿进给量 、轴向切削深度 、径向切削深度等切削条件对铣削力的影响 。关键词 :立铣刀 ;切削力 ;机械力学建模 ;切削参数中图分类号 : TG714文献标志码 :AMilling Force Predicting Modelling and Numerical Simulation f or Helical ToothCylindrical Milling Cutters( Part II :Influence of Cutting Para meters on Milling Force)Wang Qidong , Liu Zhanqia

3、ng , Tang Aimin , Zeng TaoAbstract : Milling force has important effects on the deformation of cutters and work2piece , tool life and the machined surface quality. It is also the key basis for the calculation of cutting power , design and application of maching tools as well as cutting tools , holde

4、rs and cutting process optimization. Cutting force has an immediate impact on the generation of cutting heat . Conserva2 tive processing conditions often decrease machining efficiency and raise production costs in the practical machining due to the lack2 ing the accurate knowledge of cutting force .

5、 Hence , a reliable milling force predicting modeling has an important significance for predicting milling force , properly selecting cutting parameters , cutter geometry , optimizing the NC programs. This research in2 cludes two parts. Part II deals with the effects of milling pattern ( down2cut an

6、d up2cut milling) , feed per tooth , axial and radial depth2of2cut on milling force .Key words :end milling cutter ; cutting force ; mathematical modelling ; cutting conditions切削参数选择提供了理论依据 。B . Ganesh babu 等1引言切削力是描述加工性 、加工属性 、刀具磨损/ 断 裂 、颤振 、零件尺寸精度和表面质量等相关加工信息 的重要物理变量 。建立可靠 、通用 、便于数学计算和 计算机处理的切削力模型

7、 ,对工艺人员优化工艺设 计 ,进行误差预报 、颤振预报 、加工表面形貌评估和 瞬态切削过程仿真有重要作用1 。目前 ,国内外很多学者已对铣削力预测模型的 建立做了大量研究 。然而 ,影响铣削力变化的因素具体对 铣 削 力 有 怎 么 样 的 影 响 , 研 究 并 不 多 。M.Alauddin 等人2 研究了切削参数和铣削方式在切削 Inconel 718 时对铣削力的影响 。H. Z. Li 等人3 研究 了刀具磨损对切削力的影响 。L . T. Tunc 等人4 采用仿真的方法对切削路径规划 、转速 、轴向切削深度 等 对切削力 、扭矩的影响做了研究 ,为五轴加工中的人5基于响应面法建

8、立了立铣刀切削力预测解析模型 ,并进一步研究了轴向切削深度 、进给量对切削力的影响 。本研究 Part I 部分已经讨论了铣刀几何参量对 铣削力的影响 , Part II 部分将重点研究切削条件对铣削力的影响 。2 切削参数对铣削力的影响在铣削过程中 ,铣削力是一个随刀具旋转角度周期性变化的量 。影响切削力变化的因素较多 。切 削参量主要是指铣削加工时选择的切削用量和铣削方式 。铣削时的切削用量包括轴向切削深度 a 、径p向切削深度 ae 、每齿进给量 f z 。铣削方式按照铣刀切削速度方向与工件进给速度方向的关系可以分为 顺铣和逆铣 。另外 ,加工过程中是否使用切削液等 冷却润滑介质也会引起

9、切削力的变化 。X. - W. Liu 等6 指出切削力分布的理想状态 :(1) 垂直于进给方向上的切削力分量的绝对值尽可基金项目 :高档数控机床 与 基 础 制 造 装 备 科 技 重 大 专 项 资 助 项 目( 2009ZX04014 - 043 、2009ZX04012 - 031 、2009ZX04012 - 012 、2010ZX04017 - 012) ; 国家 科 技 支 撑 计 划 重 点 项 目 ( 2008BAF32B01) ;863 计划资助项目 (008AA042405)收稿日期 :2010 年 9 月92011 年第 45 卷 4能小 ; (2) 切削力分布是连续的

10、 ,即至少有一个 ( 多于一个) 刀刃正在参与切削 。切削力分布连续时 ,切削 力变化平稳 ,铣削力变化幅值 (铣削力最大值与最小值的差值) 较小 ,刀具受到的冲击力就小 ,有利于延 长刀具寿命 。2 . 1铣削方式对铣削力的影响图 1 、图 2 分别为采用相同切削用量 、不同铣削 方式下的铣削力 波 形 图 与 铣 削 力 结 果 分 析 图 。可见 ,同样切削用量下 ,逆铣时 ,铣削力三个方向上的 分力的最大值与最小值的差值 ,三个方向分力的平 均值 ,切削合力的最大值 、最大值与最小值的差值 、 平均值均较小 。因此在切削过程中铣刀受到的冲击 力 、刀具 工件变形 、铣刀崩刃或者破损的几

11、率均较小 ,产生的切削热更少 ,有利于保证加工质量 。( b)(c)(a) 顺铣( d)( b) 逆铣= 30; N = 4 ; f z = 0 . 05mm/ 齿 ; ap = 4mm ; ae = 4mm图 1 铣削方式对铣削力的影响(e)图 2 不同铣削方式下的铣削力结果分析顺铣 、逆铣切削时 ,铣刀受力方向也不同 。由图2 可知 ,顺铣时 , X 方向 (即进给方向的反向) 的平均 力为正值 ,即铣刀受力在铣刀坐标系内沿 X 方向正向 ,即进给方向反向 。铣刀上的受力与工件上的受 力是一对平衡力 ,则工作台或工件在 X 方向受到的 力沿进给方向为 正 向 。工 作 台 进 给 运 动

12、由 丝 杠 实 现 ,与铣床工作台固定的螺母和丝杠间总会有或大 或小的间隙 。假设进给方向水平向左 ,则丝杠和螺(a)10工 具 技 术母在右侧贴紧 ,间隙留在左侧 。此时铣刀对工件施加的左向的力当大到一定程度时会拖动工作台向左 窜动 ;随着丝杠继续转动 ,间隙又恢复到左侧 ,如此反复使得工作台运动很不平稳 ,容易造成刀齿损坏 。 相反 ,在逆铣时 ,可以避免这种窜动 ,切削更稳定 。由图 2 可知顺铣时 , Y 向平均值为正 ,则刀具对 工件施加的力将工件压向工作台 ,可防止工件在加 工过程中跳动 ,对减小表面粗糙度有利 。(e) ap = 6mm顺铣 ;= 30; D = 12mm ; N

13、 = 4 ; f z = 0 . 05mm/ 齿 ; ae = 4mm图 3 轴向切削深度对铣削力的影响2 . 2轴向切削深度对铣削力的影响图 3 和图 4 分别为保持其他切削用量相同 、不同轴向切削深度下的铣削力波形图与铣削力结果分 析图 。可见 ,随着轴向切削深度的增大 ,三个方向分力的最大值 ,切削合力的最大值均呈增大趋势 ,铣刀 崩刃或破损的几率增大 ,不利于保证正常的刀具寿 命 ;各向分力 、切削 合 力 的 最 大 值 与 最 小 值 差 值 增 大 ,刀具受到的冲击力更加严重 ,使铣刀的疲劳寿命 降低 ;各分力与切削合力的平均值增大 ,致使铣削过 程中刀具 、工件变形增大 ,难以

14、保证加工精度 ,同时刀具 工件接触区产生更多的切削热 ,切削区温度 升高 。这与在大轴向切削深度下 ,瞬时参与切削的 刀齿微元数目增多有关 。大的轴向切削深度下 ,高 的材料去除率有利于提高加工效率 ,但此时铣削力 也变大 ,加剧了刀具磨损 ,增加了成本 。(a) ap = 2mm( b) ap = 3mm(a)(c) ap = 4mm( b)( d) ap = 5mm112011 年第 45 卷 4( b) ae = 6mm(c)(c) ae = 8mm( d)( d) ae = 10mm(e)图 4 不同轴向切削深度下的铣削力结果分析2 . 3径向切削深度对铣削力的影响图 5 、图 6 为

15、保持其他切削用量相同 、不同径向 切削深度下的铣削力波形图与铣削力结果分析图 。 可见 ,径向切削深 度 增 大 , 对 三 个 方 向 分 力 的 最 大 值 、最小值 、两者差值 、切削合力最大值 、最小值 、两(e) ae = 12mm顺铣 ;= 30 ; D = 12mm ; N = 4 ; f z = 0 . 05mm/ 齿 ; ap = 4mm图 5 径向切削深度对铣削力的影响者差值影响均不明显 ;只在径向切削深度从 4mm 增加到 6mm 时 ,铣削力有明显变化 ,这是因为径向切 削深度的增大 ,使瞬时参与切削的刀刃数开始多于1 。通过分析可知 ,径向切削深度对铣削力的影响 ,与

16、其他切削参数相比较小 。(a) ae = 4mm12工 具 技 术2 . 4每齿进给量对铣削力的影响(a)(a) f z = 0 . 03mm/ 齿( b)( b) f z = 0 . 05mm/ 齿(c)(c) f z = 0 . 08mm/ 齿( d)( d) f z = 0 . 1mm/ 齿顺铣 ;= 30; D = 12mm ; N = 4 ; ap = 4mm ; ae = 4mm图 7 每齿进给量对铣削力的影响图 7 和图 8 为保持其他切削用量相同 、不同每齿进给量下的铣削力波形图与结果分析图 。可知 , 铣削力在每齿进给量增大时 ,各分力及切削合力的 最大值增大 ,最小值基本不

17、变 ,两者差值增大 ,铣刀(e)图 6 不同径向切削深度下的铣削力结果分析132011 年第 45 卷 4所受的切削合力明显增大 。切削合力最大值增大 ,加大了刀具崩刃和破损的几率 ; 最大值与最小值的 差值增大 ,会使铣削变得不平稳 ,刀具受到冲击力 ;三个方向分力 、切削合力的平均值增大 ,刀具 、工件 变形增大 ,加工精度降低 ,产生更多的切削热 ,切削 区温度上升 。(e)图 8 不同每齿进给量下的铣削力结果分析3结语通过本文提出的平头立铣刀的切削力预测模 型 ,可以对不同铣削条件下的铣削力做出预测 ,并根 据预测结果优化铣削参数 ,以获得最小的铣削力 ,减 小工件加工变形 ,保证加工

18、精度 ,延缓刀具磨损 ,提 高刀具寿命 。研究表明 ,径向切削深度对铣削力的 影响较小 。切削用量相同情况下 ,逆铣时切削力较 小 ,有利于减少刀具磨损 ,抑制切削热的产生 ; 顺铣 时由于切削力可以使工件压向工作台 ,防止工件跳 动 ,有利于保证加工质量 ,但会引起工作台的窜动 ; 轴向切削深度或每齿进给量增大时 ,虽然提高了材 料切除率 ,但是会因铣削力最大值增大 ,加大铣刀崩 刃或破损几率 ,同时铣削力平均值增大 ,使刀具 、工 件变形加大 , 产生 较 多 的 切 削 热 , 恶 化 切 削 加 工 质 量 。参考文献(a)( b)1 闫雪 ,陶华 . 难加工材料高速铣削切削力研究 D

19、 .工业大学航空宇航制造工程 ,2007 :18 - 27.西北2 M Alauddin , M A Mazid , M A El Baradi , et al , Cutting forcesin the end milling of Inconel 718 J . Journal of Materials Pro 2cessing Technology ,77 (1998) :153 - 159.3 M Wan , W H Zhang , G H Qin , et al . Efficient calibration of instantaneous cutting force coeff

20、icients and runout parameters for general end millsJ . International Journal of Machine Tools & Manufacture ,47 (2007) :1767 - 1776.4 L T Tunc , E Budak. Optimization of 5 - Axis milling processes based on the process models with application to airfoil machining J . 10th CIRP International Workshop

21、on Modeling of Machin 2 ing OPerations , Calabria , Italy ,2007.5 B Ganesh babu ,V Selladurai , Shanmugam. Analytical modelingof cutting forces of end milling operation on Aluminum silicon carbide partculate metal matrix composite material using re2 sponse surface methodology J . ARPN Journal of Eng

22、ineeringand Applied Sciences ,VOL . 3 , NO. 2 , APRIL 2008.(c)( d)14工 具 技 术3Cr2 W8 V 压铸模稀土离子氮碳共渗处理研究刘安民1 ,汪新衡1 ,匡建新1 ,赵虎军21湖南工学院 ; 2衡阳冶金厂摘要 :在 4 %RE、520 2h 、1. 05kPa 气压工艺参数下对 3Cr2W8V 压铸模进行了稀土离子氮碳共渗工艺试验 ,多 项性能检测结果表明 :添加适量稀土的离子氮碳共渗层的表面硬度 、耐磨性 、高温抗氧化性 、冷热疲劳性能以及耐 腐蚀性能都有显著的提高 ,3Cr2W8V 钢制汽车车灯座铝合金压铸模用该工艺处理

23、后 ,完全能满足其使用性能要求 。关键词 :3Cr2W8V 钢 ;压铸模 ;稀土离子氮碳共渗 ;冷热疲劳性能 ;高温抗氧化性 ;耐磨性中图分类号 : TG146. 45文献标志码 :AInvestigation on RE Ion Nitro2carbnrizing TreatmentUsed f or 3 Cr2 W8 V Die Ca sting MoldLiu Anmin ,Wang Xinheng , Kuang J ianxin ,Zhao HujunAbstract : This paper studies the RE Ion nitro2carbonizing technolo

24、gy for the 3Cr2W8V steel casting mold surface treatment by using 4 %RE、520 2h , and 1. 05kPa atmospheric pressure . Performance test results show that The optimization of these pa2 rameters makes the surface hardness , wear resistance , high temperature oxidation resistance ,thermal fatigue properti

25、es and corro2sion resistance of the treated layer significantly improved. A test with the use of this technology has been done for the 3Cr2W8V steel automotive lamp aluminum casting mold. The experimental results show that the treated layer has optimal qualities , which can meet the requirements in

26、practice .Key words :3Cr2W8V steel ; casting mold ; RE ion nitro2carbonizing ; thermal fatigue properties ; high temperature oxidationresistance ; wear resistance环境要求 。1 引言2 试验材料及方法试验材料为 3Cr2W8V 钢 ,铸模毛坯由棒料锻打 成型 ,经正火后 ,再经机械加工而成 ,通过钼丝切割 从铸模坯料上截取试样 , 试样粗磨后 550 去应力 退火 , (1020 淬火 + 560 3h 回火) 调质待用 。稀土离子氮碳共渗在工业用 LDMC150 型辉光 离子渗氮炉内进行 ,采用大功率脉冲电源 ,共渗介质 为热分解氨加尿 素 , 再 加 入 自 配 的 稀 土 有 机 溶 液 。 经对比试验采用最佳的工艺参数 : 4 %RE、520 2h 、1 . 05kPa 气压 。 渗层组 织 用 光 学 显 微 镜 进 行 金 相 观 察 ; HV -120 型维氏硬度计检测渗层硬度 ; 用增重法测量渗 层 650 抗氧化性 ;用显微裂纹观察法对比 700 至室温的冷热疲劳性能 ;在 MM200 型磨损试验机上进 行磨 损 试 验 , 用 环 块 式 摩 擦 ,