高速面銑加工的動態(tài)銑削力和刀具振動

常濤

摘 要：高速銑削在模具加工方面具有眾多應用優(yōu)勢，已經成為模具加工工藝發(fā)展的必然趨勢，為了充分發(fā)揮高速銑削加工技術優(yōu)點，推動我國模具制造業(yè)的良好發(fā)展，就需要對高速面銑加工的動態(tài)銑削力和刀具振動進行分析。

關鍵詞：高速銑削；高速面；動態(tài)銑削力；刀具振動

1 高速銑削技術介紹及研究

高速銑削技術改善了傳統(tǒng)模具加工技術中的很多不足之處，具有眾多技術優(yōu)點，已經被廣泛應用于汽車、航空等行業(yè)零件加工中，但是卻沒有實現(xiàn)較為理想的應用效果，究其根本原因是沒有實現(xiàn)切削參數的最優(yōu)化，進而影響了數控機床的加工效率。為了充分發(fā)揮高速銑削技術的應用優(yōu)勢，就需要應用物理建模技術和仿真技術對動態(tài)切削過程進行分析，實現(xiàn)切削參數的最優(yōu)化，創(chuàng)新高速銑削技術理論。

切削力建模與動態(tài)仿真是影響高速切削效果的最主要物理量，借助力學原理能夠構建力學模型，可以明確高速銑削加工過程中力的變化，同時還可以預測動態(tài)切削力和刀具振動現(xiàn)象，預測精準度較高。所以，可以使用力學模型方法建立動態(tài)銑削力模型以及刀具振動模型，并結合Matlab軟件進行動態(tài)仿真以及頻譜分析[1]。

2 面銑刀動態(tài)切削力分析

在對多齒銑刀動態(tài)切削力進行分析時，可以將其看做多個單齒銑刀動態(tài)切削力疊加效果，所以需要對單齒銑刀動態(tài)切削力進行分析。對于銑刀直徑為d0，銑削寬度為ae的工件，當銑刀在工件切離側和切入側的露出長度分別為u1和u2，進給方向角、切入角、切出角以及接觸角分別為φ、φ0、φe和φs時，在一定時間t內，切削接觸角和進給方向角之間存在關系為：

如果用Ac表式切削面積，則存在關系為：

當銑刀形狀為球頭圓弧刃的時候，如果用R（x）表式刀片圓弧函數，則切削面積公式為：

在力學式切削力預測方法理論中，指出切削力會隨著切削面的增大而升高，其中切削條件和工件材料特性是影響兩者之間關系的最主要因素[2]。假設切削面積與切削剛度分別為Ac和K，則兩者相乘便可以得到銑削力，如果用Fc、Fr、Fz分別表示銑刀切向上的切削力、徑向切削力以及軸向切削力，則單齒銑刀加工過程中，存在關系分別為：

其中x、y、z分別表示銑削寬度方向、銑刀削進方向以及刀具軸向方向。

在得到單齒銑刀動態(tài)切削力分析結果之后，根據疊加原理，可以求解多齒銑刀動態(tài)切削力。當銑刀齒數為z時，θ表示刀齒之間的齒間距，銑刀轉角β會隨著時間t變化而改變，如果用n表示銑刀轉速，則多齒銑刀第i個刀齒的銑刀軸向切削力、徑向切削力以及銑刀寬度方向的切削力可以表示為：

在公式中g（φi）表示單位階躍函數，是判斷刀齒是否參與切割的主要依據，φi（β）表示第i個刀齒在某一時間點的切近角度大小。

3 高速面銑刀動態(tài)切削分析

高速面銑刀在工作過程中，既有彈性也要阻尼特性，這是因為銑刀切削力是不斷變化的，再加上離心力的影響，銑刀便無法保持絕對穩(wěn)定狀態(tài)，會出現(xiàn)微小振動現(xiàn)象。如果以銑床切削部分建立坐標軸，經過反復測試，從得到的相對動柔度曲線中可以看出，主軸部位的振動現(xiàn)象最為明顯。利用高速面銑刀的彈性和阻尼特性，結合動力學原理，可以構建高速面銑刀動態(tài)切削模型[4]。

高速面銑刀切削是一個動態(tài)過程，切削厚度并不是固定不變的，再加上銑刀刀齒的斷續(xù)性特點，切削力便會不斷變化，并且所得到的坐標曲線形態(tài)具有周期性特定，所以，刀具系統(tǒng)便會隨著切削力的變化而發(fā)生變化，出現(xiàn)振動現(xiàn)象。如果用數學模型來表示高速面銑刀工作情況，則存在公式：

在得到數學函數模型之后，利用模態(tài)參數辨別方法進行計算，可以得到高速面銑加工過程的中的各項動力學模型參數，包括頻率、阻尼比、剛度系數等，利用這些參數，將原有數學函數模型進行變換，能夠得到數控機床與刀具的系統(tǒng)數學函數模型，為模型的建立提供了理論依據。以此作為重要參考，再利用振動系統(tǒng)的具體測試結果，能夠對高速銑削系統(tǒng)的工作狀態(tài)進行精準預測，得到高速面銑加工的動態(tài)銑削力以及刀具振動情況，解決生產加工過程中的實際問題。

結束語

利用力學理論，對切削厚度、刀具前角以及刀面磨損等因素進行綜合考慮，構建高速面銑加工模型，并結合計算機技術進行仿真分析，能夠得到動態(tài)銑削力和刀具振動位移仿真頻譜，進而可以對動態(tài)銑削力和刀具振動現(xiàn)象進行分析，明確各項切削參數與切削力以及刀具振動現(xiàn)象之間的關系，以此作為重要依據，可以實現(xiàn)切削參數的最優(yōu)化，對于提高數控機床加工效率和加工質量具有重要意義。

參考文獻

[1]鄭敏利，周軍，張為，等.高速面銑加工的動態(tài)銑削力和刀具振動研究[J].機械設計，2010，（9）：15-19.

[2]朱堅民，王健，張統(tǒng)超，等.基于刀具振動位移的動態(tài)銑削力測量方法[J].儀器儀表學報，2014，（12）：2772-2782.

[3]齊根想.復雜曲面模具鋼高速銑削振動特性研究[D].沈陽理工大學，2015.

[4]楊茹.高速銑削過程銑削力建模與表面質量分析[D].哈爾濱理工大學，2013.

[5]劉宇，李青祥.立銑加工切削力和振動的計算機仿真與實驗[J].吉林大學學報：工學報，2015，（2）：448-453.