倪 敬 舒 央 孟青新 呂俊杰 王書贏 胡春美
1.杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,杭州,310018 2.浙江暢爾智能裝備股份有限公司省級研發(fā)中心,縉云,321404
拉削加工刀具(即拉刀)是航空航天、汽車等行業(yè)關(guān)鍵零部件高效精密拉削加工機(jī)床的核心部件,因其切削過程存在較大負(fù)載(一般不小于10kN),故刀具-工件-切屑之間摩擦磨損作用繁雜,不易被清晰地建模描述和實(shí)時(shí)檢測反饋,如何深入地研究拉削刀具表面形貌,建立相應(yīng)的拉削負(fù)載模型,降低拉削負(fù)載,減小拉刀的摩擦磨損,提高拉削過程的可靠性,是拉削加工行業(yè)中亟待解決的課題之一[1]。
國內(nèi)外許多研究人員針對拉削刀具表面形貌與負(fù)載建模開展了研究。在刀具表面形貌研究方面,于占江等[1]發(fā)現(xiàn)將表面織構(gòu)應(yīng)用于車削刀具,可以有效減小切削力,減小刀具磨損量;邱孝聰?shù)龋?]介紹了表面織構(gòu)的形態(tài)特征及其作用機(jī)制,討論了織構(gòu)分布、織構(gòu)形狀、表面粗糙度、速度和載荷等因素對潤滑和摩擦學(xué)性能的影響;VLADESCUA等[3]通過實(shí)驗(yàn)研究了表面紋理對摩擦的影響以及混合和完全薄膜狀態(tài)下織構(gòu)的有利或不利影響;KHAIMOVICH等[4]提出了一種在高速加工中自動計(jì)算拉刀的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)的函數(shù)和切削參數(shù)的方法。在拉削刀具負(fù)載建模方面,RAGHAVENDRA等[5]利用實(shí)驗(yàn)獲得的拉削系統(tǒng)固有頻率和實(shí)際阻尼固有頻率來對拉削負(fù)載進(jìn)行建模;SCHROETER等[6]基于動力學(xué)原理,構(gòu)建并驗(yàn)證了拉削負(fù)載的動力學(xué)特性;KLOCKEA等[7]基于熱誘導(dǎo)表面完整性、微觀硬度和殘余拉應(yīng)力等參數(shù),建立了拉削力模型;VOGTEL等[8]引入熱力學(xué)原理,通過多元回歸模型來預(yù)測拉削負(fù)載;HOSSEINI等[9]提出了拉削工具的幾何模型和拉削負(fù)載的預(yù)測模型,基于切削系統(tǒng)中消耗的能量來預(yù)測切削力;倪敬等[10]考慮工件圓孔的圓弧效應(yīng)、刀齒的刮削效應(yīng)以及刀齒與工件接觸的周期特性,建立了計(jì)算和預(yù)測拉削負(fù)載的模型。
然而,上述文獻(xiàn)涉及的研究內(nèi)容,一方面僅關(guān)注刀具織構(gòu)表面能夠降低切削負(fù)載,但是沒有提出有效的切削負(fù)載模型;另一方面,現(xiàn)有切削負(fù)載模型大都將切削過程中刀具所受到的應(yīng)力假設(shè)為均布應(yīng)力,而沒有很好地考慮刀具表面形貌對切削負(fù)載的影響。因此,諸如本文涉及的拉削刀具,其表面具有特殊的織構(gòu)槽形貌,其刀具切削負(fù)載的詳細(xì)計(jì)算模型有進(jìn)一步研究的必要。
圖1所示為拉削加工系統(tǒng),該系統(tǒng)主要由床身、主油缸、導(dǎo)向柱、溜板、夾刀裝置、端板和織構(gòu)拉刀等組成。具體拉削加工的工作原理為:主油缸通過溜板和夾刀裝置驅(qū)動拉刀穿過工件圓內(nèi)孔實(shí)現(xiàn)矩形槽的加工。
圖1 拉削加工系統(tǒng)示意圖Fig.1 Configuration of broaching machine
圖1所示的拉削系統(tǒng)如果僅考慮織構(gòu)拉刀與工件接觸部分,可以簡化為圖2所示的原理圖。圖2中,刀齒的織構(gòu)為凹形矩形槽;v為拉削速度;l1和l2分別為粗拉區(qū)和精拉區(qū)的長度;OXYZ為拉刀的拉削負(fù)載方向坐標(biāo)系;lw為拉削工件的長度;p為拉刀上相鄰兩個(gè)刀齒的齒距,根據(jù)實(shí)際拉刀刀齒分布情況,p為一恒定數(shù)值;δi為第i個(gè)拉刀刀齒的絕對齒升量,i為拉刀刀齒序號,i=1,2,…,n,n為拉刀刀齒的齒數(shù)。
圖2 織構(gòu)拉刀及其負(fù)載分析圖Fig.2 Load of broaching tool with texture
根據(jù)圖2所示的織構(gòu)拉削刀齒受力分析可知,織構(gòu)拉刀的拉削負(fù)載主要由沿X方向拉削力FX、沿Y方向的正壓力FY、沿Z方向的正壓力FZ組成,其中又以沿X方向的拉削力FX為主要拉削負(fù)載,因此,本文以織構(gòu)拉刀的拉削負(fù)載FX為研究對象開展建模分析。根據(jù)經(jīng)典金屬切削理論,F(xiàn)X可以描述為
式中,Ki為拉刀第i個(gè)刀齒與材料相關(guān)的比壓力;Ai為拉刀第i齒拉削時(shí)的有效面積;βi為拉刀第i齒的量綱一常數(shù)。
根據(jù)圖2和式(1)的描述,織構(gòu)拉刀拉削負(fù)載特性具有以下特點(diǎn):①由于每個(gè)刀齒上存在不同個(gè)數(shù)的織構(gòu)槽,因此大大增加了拉削過程中Ai的復(fù)雜性,也增加了拉刀拉削負(fù)載預(yù)測的復(fù)雜性;②由于工件為內(nèi)圓孔形狀,因此拉削過程中很多刀齒與工件會不完全接觸,即會產(chǎn)生圓弧效應(yīng);③由于工件存在長度,因此同時(shí)和工件接觸的刀齒數(shù)存在變化。
基于上述分析,本文從經(jīng)典單齒拉削負(fù)載模型入手,詳細(xì)分析織構(gòu)拉刀的拉削負(fù)載數(shù)學(xué)模型,然后考慮圓弧效應(yīng)和多齒共同切削效應(yīng),建立一般性的織構(gòu)拉刀拉削負(fù)載特性模型。
拉刀單個(gè)刀齒參與拉削情況出現(xiàn)在工件長度lw小于刀齒間距p的情況下。如圖3和式(1)所示,根據(jù)經(jīng)典切削加工理論,拉刀的拉削負(fù)載FX簡化為單個(gè)刀齒拉削負(fù)載,可以具體描述為
式中,K為與拉削刀齒材料相關(guān)的比壓力;A為單齒拉削時(shí)的有效面積;b為刀齒寬度;h為刀齒切深;β為單齒拉削時(shí)的量綱一常數(shù)。
圖3 無織構(gòu)拉刀單齒切削參數(shù)圖Fig.3 Configuration of broaching tool without texture
1.3.1 單齒拉削負(fù)載模型
在織構(gòu)拉刀單個(gè)刀齒上開設(shè)凹形織構(gòu)槽的效果如圖4所示。
圖4 織構(gòu)拉刀的正視圖Fig.4 Front view of broaching tool with texture
圖4中,結(jié)合實(shí)際并為研究方便,假設(shè)拉刀第i個(gè)刀齒上開設(shè)的織構(gòu)槽數(shù)m(i)為兩個(gè)相鄰的自然數(shù),如3或4,4或5,等。這樣,m(i)個(gè)織構(gòu)槽將刀齒分成m(i)+1段,為第i個(gè)刀齒第j段刀齒
此外,如圖 4所示,b(i)為第 i個(gè)刀齒后刀面開設(shè)凹型織構(gòu)槽的寬度,則此時(shí)單齒參與切削的面積Ai1可以由下式計(jì)算:
式中,m(i)為第i個(gè)刀齒的織構(gòu)槽數(shù)量;λi為與比值相關(guān)的校正系數(shù)。
1.3.2 工件圓弧效應(yīng)下的單齒拉削負(fù)載模型
根據(jù)圖4所示的拉刀織構(gòu)槽分布情況,拉削過程中,拉刀織構(gòu)槽與工件之間的接觸順序如圖5和圖6所示。圖6中,R為圓弧工件內(nèi)圓半徑,l0為工件圓弧中心到拉刀刀齒面的距離,δ0為第0個(gè)刀齒的絕對齒升量,Δδ=δi-δi-1表示相鄰兩個(gè)齒的絕對齒升量差,也就是單齒切深。依圖5分析,拉削過程中,拉刀第k個(gè)織構(gòu)槽碰到工件圓弧邊緣時(shí)的拉刀齒序數(shù)nk可以由下式計(jì)算:
其中,符號‘[]’表示向上取整,‘’表示取余。
圖5 拉刀織構(gòu)槽與工件之間的接觸順序Fig.5 Contact between workpiece and tool with texture
圖6 工件圓弧效應(yīng)下的Ai2計(jì)算原理圖Fig.6 Calculation view of Ai2with round workpiece
于是,對工件圓弧效應(yīng)下單齒參與切削的面積 Ai2分析如下。
(1)當(dāng)i<n1時(shí),圓弧效應(yīng)下,織構(gòu)槽未參與切削,則切削層剖面面積Ai2計(jì)算如下:
式中,Ai1為第i個(gè)刀齒的切削層剖面面積;S0為線段P1Q1和弧 P1ΩQ1組成的面積;Si表示線段和弧 P′iΩQ′i組成的面積。
S0和Si由下式計(jì)算:
(2)當(dāng) n1≤i<nk時(shí),圓弧效應(yīng)下,織構(gòu)槽階梯性參與切削,則切削層剖面面積Ai2計(jì)算如下:
(3)當(dāng) nk≤i≤nN時(shí),拉刀上的織構(gòu)槽完全參與切削,其中,nN為拉刀切深達(dá)到PNQN線時(shí)的拉刀刀齒序號,即為圓弧效應(yīng)分界點(diǎn),則此時(shí)切削層剖面面積Ai2計(jì)算如下:
(4)當(dāng) nN<i≤n時(shí),拉刀脫離圓弧效應(yīng),刀齒切削平面,則切削層剖面面積Ai2計(jì)算如下:
根據(jù)圖2所示的拉刀與工件的相互接觸關(guān)系,一般情況下,工件長度lw都會大于拉刀刀齒間距p,這會導(dǎo)致與工件接觸的拉刀齒數(shù)nc超過1個(gè),即形成多齒拉削。該情況下,最大接觸齒數(shù)nm與工件截面長度lw及拉刀齒距 p之間的關(guān)系可以表述為
實(shí)際拉削加工過程存在三個(gè)階段,獲得刀齒與工件的接觸個(gè)數(shù)nc和時(shí)間t的關(guān)系如下所述。
(1)刀齒數(shù)增加階段。在此階段,nc每經(jīng)過時(shí)間間隔Δt增加一個(gè)刀齒,一直達(dá)到nm,即
式中,t0為第一個(gè)刀齒接觸工件所需時(shí)間;t1為nm個(gè)刀齒接觸工件所需時(shí)間。
(2)刀齒數(shù)交替變化階段。在此階段,每經(jīng)過時(shí)間間隔Δt,nc在整數(shù)nm與nm-1之間呈現(xiàn)周期變化特性,其接觸刀齒數(shù)與時(shí)間關(guān)系可以表示如下:
(3)刀齒數(shù)減少階段。在此階段,每經(jīng)過時(shí)間間隔Δt,nc減少一個(gè),一直達(dá)到0,其接觸刀齒數(shù)與時(shí)間關(guān)系如下:
式中,t3為刀齒全部脫離工件所需時(shí)間。
綜合上述分析可知,考慮工件圓弧效應(yīng)下,多齒拉削負(fù)載動特性計(jì)算模型FX(t)可以描述為
式中,ni為參與拉削齒中將要脫離工件刀齒序數(shù)。
實(shí)驗(yàn)機(jī)床為LG612Ya-800型拉床,如圖7所示,主要由機(jī)床底座、控制臺、主油缸(缸徑100 mm,活塞桿直徑50 mm,行程800 mm)、壓力傳感器、導(dǎo)向套、工件和拉刀組成。該拉削機(jī)床的額定拉力為20 kN,拉削加工速度為0~2.8 m/min。
圖7 拉削加工實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.7 Broaching experimental system
拉削實(shí)驗(yàn)測試所用工件材料為45鋼,由外徑60 mm和壁厚10 mm的鋼管經(jīng)過數(shù)控車削制成,具體形狀和尺寸如圖8所示。
圖8 拉削實(shí)驗(yàn)工件造型圖Fig.8 Configuration of workpiece
2.3.1 實(shí)驗(yàn)拉刀
實(shí)驗(yàn)拉刀分為普通拉刀和其他織構(gòu)槽拉刀兩種。普通拉刀的材料為高速鋼W18,具體形貌如圖9所示,刀具的幾何參數(shù)如表1和表2所示。普通拉刀的特征是每個(gè)刀齒上有3個(gè)或4個(gè)槽,槽數(shù)相鄰交替變化,以完成整個(gè)平面的拉削加工。因此,可以稱普通拉刀為3/4槽拉刀。
圖9 織構(gòu)槽拉刀的表面形貌Fig.9 Configuration of broaching tool with texture
表1 拉刀幾何參數(shù)Tab.1 Geometry of broach tool
其他織構(gòu)槽拉刀是以普通拉刀為基礎(chǔ),在每個(gè)刀齒上進(jìn)行織構(gòu)槽優(yōu)化設(shè)計(jì),因此,其他織構(gòu)槽拉刀也可以稱為4/5槽拉刀和5/6槽拉刀,其具體織構(gòu)槽參數(shù)如表3所示。
2.3.2 實(shí)驗(yàn)拉刀制備
實(shí)驗(yàn)織構(gòu)槽拉刀以普通鍵槽拉刀為基體材料,根據(jù)表3所示的織構(gòu)槽參數(shù),采用光纖激光打標(biāo)機(jī)進(jìn)行激光刻蝕得到,具體如圖9所示。激光輸出功率為20 W,激光波長為1.06 μm,重復(fù)頻率為(20~2 000)kHz,雕刻線速度為0~7000 mm/s,最小線寬為0.03 mm,重復(fù)精度為±3 μm。
表2 拉刀刀齒齒升量參數(shù)Tab.2 Increasement of each broach tool mm
表3 拉刀后刀面織構(gòu)槽參數(shù)Tab.3 Texture configuration on rear face of broach tool mm
(1)實(shí)驗(yàn)采集系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)過程的拉削負(fù)載數(shù)據(jù)采集與分析采用自行研制的S7-300PLC監(jiān)控系統(tǒng)完成,主要由數(shù)據(jù)分析軟件、監(jiān)控電腦、CPU313C、高速AI模塊和壓力傳感器組成。拉削負(fù)載具體由主油缸兩腔壓力反饋檢測間接求得,具體壓力傳感器為PTH503型,量程為0~15 MPa,輸出信號為4~20 mA,綜合精度為±0.5%FS,供電電壓為24DCV,響應(yīng)時(shí)間為5 ms。壓力傳感器的模擬量采集模塊為高速AI模塊,采樣時(shí)間為1 ms,采樣精度為14位。數(shù)據(jù)分析軟件基于Borland C++Builder自行編制。
(2)實(shí)驗(yàn)方案。分別以3/4槽、4/5槽和5/6槽拉刀為研究對象,以相同的拉削速度45 mm/s進(jìn)行拉削加工實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集時(shí)間為5.3 s,實(shí)驗(yàn)次數(shù)為每把刀具拉削3次。
根據(jù)前述實(shí)驗(yàn)方案,得到了重復(fù)性較好的拉削數(shù)據(jù),任意選取3/4槽、4/5槽和5/6槽拉刀其中1次的拉削負(fù)載實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),可以得到圖10~圖12所示的織構(gòu)槽拉刀拉削負(fù)載曲線。
(1)普通拉刀(3/4槽)的拉削負(fù)載驗(yàn)證。如圖10所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線,在0~0.9 s時(shí)間段,拉削力為0.5 kN,而此時(shí)這里的拉削力并不是真正的拉削負(fù)載力,而是主油缸的空載推力;在0.9~4.8 s時(shí)間段,這里的拉削負(fù)載是拉刀參與切削的拉削力體現(xiàn)。從曲線中可以看出,拉刀與工件的接觸,拉削負(fù)載呈現(xiàn)由小變大的趨勢;然后,由于受到了工件的圓弧效應(yīng)影響,拉削負(fù)載繼續(xù)增大,一直到圓弧效應(yīng)消失時(shí)達(dá)到最大(大約在3.8 s);而后,拉刀刀齒的齒升量減小,拉削加工進(jìn)入精密拉削過程(約到4.1 s),拉削負(fù)載呈現(xiàn)快速減小的趨勢;最后,刀齒齒升量減小到0,進(jìn)入拉擠過程,拉削負(fù)載經(jīng)歷一穩(wěn)定階段(約到4.8 s)后減小到空載情況。
根據(jù)織構(gòu)槽拉刀的拉削負(fù)載計(jì)算模型(式(24)),對于3/4槽拉刀,Kj=2115.5,βj=0.082;這樣可以得到圖10中虛線所示的拉削負(fù)載仿真曲線。從圖10中可以看出,仿真值和實(shí)驗(yàn)值吻合得較好,最大正偏差為0.3 kN,最大負(fù)偏差為-0.3 kN。也就是說實(shí)驗(yàn)測得拉削負(fù)載數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)之間誤差保持在4%內(nèi)。因此,本文建立的模型可以較好地模擬3/4槽拉刀的實(shí)際拉削負(fù)載。
圖10 3/4槽拉刀拉削負(fù)載仿真和實(shí)驗(yàn)曲線Fig.10 Load results of 3/4 type broach tool
(2)其他織構(gòu)拉刀的拉削負(fù)載驗(yàn)證。根據(jù)織構(gòu)槽拉刀的拉削負(fù)載計(jì)算模型(式24)),對于4/5槽拉刀,取 Kj=2115.5,βj=0.082;當(dāng)≥3時(shí),λi=1,當(dāng)3時(shí),λi=0.6。這樣可以得到圖11中的虛線所示的拉削負(fù)載仿真曲線。從圖11中可以看出,仿真值和實(shí)驗(yàn)值吻合得較好,最大正偏差為0.2 kN,最大負(fù)偏差為-0.2 kN。也就是說,實(shí)驗(yàn)測得拉削負(fù)載數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)之間的誤差保持在3%內(nèi),因此,本文建立的模型也可以較好地模擬4/5槽織構(gòu)拉刀的實(shí)際拉削負(fù)載。
圖11 4/5槽拉刀拉削負(fù)載仿真和實(shí)驗(yàn)曲線Fig.11 Load results of 4/5 type broach tool
根據(jù)織構(gòu)槽拉刀的拉削負(fù)載計(jì)算模型(式(24)),對于 5/6槽拉刀,取 Kj=2115.5,βj=λi=0.6。這樣可以得到圖12中虛線所示的拉削負(fù)載仿真曲線。從圖12中可以看出,仿真值和實(shí)驗(yàn)值吻合得較好,最大正偏差為0.2 kN,最大負(fù)偏差為-0.2 kN。也就是說實(shí)驗(yàn)測得拉削負(fù)載數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)之間誤差保持在3%內(nèi),因此,本文建立的模型也可以較好地模擬5/6槽織構(gòu)拉刀的實(shí)際拉削負(fù)載。
圖12 5/6槽拉刀拉削負(fù)載仿真和實(shí)驗(yàn)曲線Fig.12 Load results of 5/6 type broach tool
綜上所述,本文提出的織構(gòu)拉刀拉削負(fù)載計(jì)算模型可以較好地模擬實(shí)際拉削負(fù)載。
將圖10~圖12中不同刀齒表面織構(gòu)參數(shù)下實(shí)際拉削負(fù)載曲線放在一起,可以得到圖13所示的結(jié)果。從圖13中可以看出,當(dāng)?shù)洱X上的織構(gòu)槽數(shù)量由3/4槽增加到4/5槽時(shí),拉削負(fù)載有明顯的減??;但是,當(dāng)織構(gòu)槽數(shù)由4/5槽增加到5/6槽時(shí),拉削負(fù)載不是繼續(xù)減小,反而增大了,增大到甚至比3/4槽時(shí)更大。
圖13 不同織構(gòu)參數(shù)下拉刀拉削負(fù)載對比Fig.13 Load comparison with different texture
另一方面,圖10~圖12中不同刀齒表面織構(gòu)參數(shù)下實(shí)際拉削負(fù)載曲線的最大值和平均值放在一起,可以得到圖14所示的結(jié)果。從圖14中也可以看出,當(dāng)拉刀刀齒上的織構(gòu)槽數(shù)量由3/4槽增加到4/5槽時(shí),拉削負(fù)載最大值由7.502 kN降低到7.076 kN(減小了約5%),拉削負(fù)載平均值由2.192 kN減小到2.016 kN(減小了約8%),都有明顯的減?。坏?,當(dāng)織構(gòu)槽數(shù)由4/5槽增加到5/6槽時(shí),拉削負(fù)載最大值由7.076 kN上升到7.592 kN,拉削負(fù)載平均值由2.016 kN上升到2.541 kN,拉削負(fù)載最大值不是繼續(xù)減小,反而增大了,增大到甚至比3/4槽時(shí)更大。
圖14 不同織構(gòu)參數(shù)下拉刀拉削負(fù)載平均值對比Fig.14 Average load comparison with different texture
根據(jù)上述不同刀齒表面織構(gòu)參數(shù)下實(shí)際拉削負(fù)載趨勢分析,拉刀表面的織構(gòu)槽數(shù)量不是越多越好,而是有一個(gè)最優(yōu)值。
根據(jù)式(5)~式(10)和式(24)的描述,結(jié)合圖4,影響拉削負(fù)載的最主要因素是刀齒上的b(1)和數(shù)值。當(dāng)長度相比于 b(1)較長時(shí),待切削部分中 b(1)部分的加強(qiáng)作用不明顯,忽略 b(1)部分對拉削負(fù)載并沒有太大影響;而當(dāng)長度減小到3倍的 b(1)時(shí),待切削部分中 b(1)部分對整個(gè)切削部分起到了加強(qiáng)筋的作用,這使得切削加工變得困難,使得 b(1)和部分對拉削負(fù)載的貢獻(xiàn)變得相當(dāng),即b(1)部分對拉削負(fù)載影響就不能忽略了。因此,拉刀刀齒上織構(gòu)槽數(shù)量不是越多越好。
(1)考慮拉刀刀齒表面的織構(gòu)槽和工件圓弧效應(yīng),建立了單齒拉削負(fù)載模型。
(2)考慮由工件長度引起的多齒接觸周期特性,得到了具有一般性的織構(gòu)拉刀拉削負(fù)載計(jì)算模型。
(3)仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在拉刀刀齒上開設(shè)織構(gòu)槽可以減小拉削負(fù)載,但是開設(shè)的織構(gòu)槽數(shù)量并非越多越好,而是存在一個(gè)最優(yōu)值。對于寬度b=16 mm的拉刀,設(shè)置4/5織構(gòu)槽降低負(fù)載效果最好。
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