第 1 章 绪论
1.1 课题研究的目的及意义
1.1.1 引言
1.1.2 课题研究的目的及意义
1.2 高速切削的发展简况
1.3 国内外研究现状
1.3.1 高速切削机床技术
1.3.2 高速切削铝合金加工技术的研究
1.4 论文的主要内容
第 2 章 高速铣削切削参数对表面粗糙度影响的研究
2.1 高速铣削表面粗糙度的理论基础
2.1.1 影响高速切削表面粗糙度的因素
2.1.2 球头铣刀铣削残留高度
2.2 高速铣削铝合金表面粗糙度实验条件及设备
2.3 进给量对表面粗糙度的影响
2.4 切削速度对表面粗糙度的影响
2.5 进给方向对表面粗糙度的影响
2.6 本章小结
第 3 章 球头铣刀高速铣削铝合金的切削力研究
3.1 高速铣削铝合金材料的变形规律
3.2 球头铣刀加工曲面切削力模型
3.2.1 球头铣刀铣削参数
3.2.2 铣削行距间残留面积高度的计算
3.2.3 球头铣刀高速铣削的铣削方式
3.2.4 基于微元法的球头铣刀切削力的模型
3.3 高速铣削铝合金时进给量对切削力的影响
3.3.1 理论分析
3.3.2 实验验证
3.4 曲面曲率对切削力的影响
3.4.1 椭圆的曲率
3.4.2 球头铣刀加工椭球面时的切削力计算
3.4.3 加工曲面的曲率对切削力的影响
3.5 本章小结
第 4 章 高速铣削铝合金刀具切削路径优选的实验研究
4.1 高速切削的 CAM 策略
4.1.1 高速铣削对刀具切削路径的要求
4.1.2 高速切削的编程策略
4.2 刀具切削路径优选实验
4.2.1 刀具路径优选目标
4.2.2 实验条件
4.2.3 实验方法
4.2.4 实验结果与分析
4.3 刀具切削路径优选结果
4.4 本章小结
第 5 章 球头铣刀和工件之间加工倾角的实验研究
5.1 刀具和工件之间的加工倾角的定义
5.2 刀具和工件之间的加工倾角对表面粗糙度的影响
5.2.1 实验条件
5.2.2 实验方法
5.2.3 实验结果与分析
5.3 刀具和工件之间的加工倾角对切削力的影响
5.3.1 刀具轴线和工件表面间的倾角 βf的计算
5.3.2 实验条件
5.3.3 实验方法
5.3.4 刀具倾角对切削力的影响
5.4 考虑刀具倾角影响的编程策略
5.5 本章小结
结论
参考文献

第 1 章 绪 论

1.1 课题研究的目的及意义

1.1.1 引言

高速切削(High-speed cutting)技术是国际上 80 年代初迅速发展起来的一项先进的机械加工技术,它是在机床结构材料、刀具材料、机床设计制造技术、计算机控制技术、测量控制技术等飞速发展的基础上,由机械加工自身的发展规律和需要产生并发展的[1]
。由于高速切削的特殊规律,它具有一系列的优点,主要表现为[2]:

1.由于切削时间的减少,切削效率大大提高,其单位时间材料切除量可提高三至五倍;
2.切削力随切削速度的提高而下降,加工钢铁材料时,切削力可降低 30%左右;
3.由于切削时产生的热量绝大部分被切屑带走,工件和刀具基本保持冷态,有利于薄壁件的加工;
4.由于机床结构的改善和高速切削激振频率的提高,使激振频率远离机床的固有频率,工艺系统振动小,有利于加工表面光洁度的提高。特别是为复杂零件的加工带来稳定性,也克服了传统切削加工中由于振动引起的刀具磨损、破损问题。

目前,高速切削更多的应用于以下几个方面:

1.有色金属,如铝、铝合金,特别是铝的薄壁加工。目前已经可以切出厚度为 0.1mm、高为几十毫米的成形曲面。
2.石墨加工。在模具的型腔制造中,由于采用电火花腐蚀加工,因而石墨电极被广泛使用。但石墨很脆,采用高速切削能较好地进行成形加工。
3.模具,特别是淬硬模具的加工。由于淬硬的材料可以直接从供应商处购买, 因此采用高速切削可以直接将模具切出,这不仅省去了过去机加工→电加工的几道工序,而且,由于高速切削可达到很高的表面质量(Ra≤0.4um),可以省去电加工后的磨削和抛光等工序;这样,锻模和铸模仅经铣削就能完成加工已成为可能。
4.高硬度的、难切削的材料(如耐热不锈钢)的加工。

由于高速切削相关技术的不断发展,不同时期高速切削的定义也在发生变化:1978 年 CIRP 切削委员会认为线速度为 500-7500m/min 的切削加工为高速切削;1995 年普遍认为主轴转速高于 8000r/min 的切削加工为高速切削;从主轴设计的观点,有的学者提出用 DN 值(主轴轴承孔径与最大转速的乘积)来定义高速切削,其值为 500,000~200,000,000[54]
;也就是说高速切削的概念具有较大的相对性。

目前世界各国对高速切削的速度范围尚未作出明确的定义,通常把切削速度比常规切削速度高 5~10 倍以上的切削为高速切削。不同的材料切削速度的范围也不同,常用材料:铝合金为 600~7000m/min,铜为 900~5000m/min,钢为500~2000m/min,灰铸铁为 800~3000m/min,钛为 100~1000m/min;加工方法的高速切削速度范围为:车削 700~7000m/min,铣削 200~7000m/min,磨削5000~10000m/min,钻削 100~1000m/min,相对应的进给速度一般为 2~25m/min,高的达 60~100m/min,也有许多机床厂和刀具厂把主轴转速高于 10000r/min 的加工定义为高速加工。
铣削是目前高速切削应用的主要工艺,铣刀是主要的高速切削刀具。高速铣削在工件本身刚度不足、复杂曲面加工、难加工材料以及超精密切削等加工领域都得到了充分的应用。美国一家飞机制造公司中的百分之五十的零件由于采用高速铣削,加工时间降低 50%,成本节约 25%~27%。在模具制造中,高速铣削与 CAD/CAM 相联,可以实现加工过程的高效化和自动化[3]。

1.1.2 课题研究的目的及意义

高速加工作为一种新的技术,它给传统的金属切削理论带来了一种革命性的变化。但目前对于这一崭新技术的研究还处在不断的摸索研究当中。人们对高速切削的经验还很少,还有许多问题有待于解决:比如高速机床的动态、热态特性;刀具材料、几何角度和刀具寿命问题,机床与刀具间的接口技术(刀具的动平衡、扭矩传输)、冷却润滑液的选择、CAD/CAM 的程序后置处理问题、高速加工时刀具轨迹的优化问题等等。

目前,虽然我国尚未开发出自主产权的高速切削加工设备,但模具、汽车、航空航天等行业在激烈的市场竞争中已引进了相当数量的高速切削设备,由于国内缺乏相应的高速切削机理及工艺技术的基础研究,使得高速切削生产中缺乏稳定可靠的技术指导,实际生产中主轴转速偏低,切削用量及刀具选择欠优化,机床利用率低,生产成本高,远未发挥高速切削加工设备的优势。本课题将通过理论分析与实验研究高速铣削加工技术,揭示高速铣削铝合金中切削力的变化规律,实现高速铣削参数优选,获得满足要求的高速铣削 CAM 策略。

这对于发展高速铣削技术,充分发挥数控高速加工机床的效能,简化加工工序,提高金属切除率,缩短生产周期,获得高质量的加工表面,具有重要的现实意义。

1.2 高速切削的发展简况

最早开始研究高速铣削的是德国人 Carl Salomon,他在 20 世纪 20 年代用440m/min 的切削速度切削钢,1600m/min 切削青铜,2850m/min 切削铜,16500m/min 切削铝[4]。那时人们认为,切削速度越高,切削温度也越高,当超过了刀具材料耐高温性所允许的最高温度后,由于刀具材料的硬度急剧下降,导致了刀具的迅速磨损。因此,用某一种刀具材料切削某一种工件材料,存在一个极限切削速度。Salomon 在很宽的切削速度范围内做铣削时的切削速度与切削温度之间关系的实验,得出了与上述看法不同的结论。实验结果表明,切削速度与切削温度之间并不呈单调的变化关系。在切削速度较低的范围内,切削温度是随切削速度的提高而提高,但整个曲线有一峰值,超过了这个峰值:切削速度提高,切削温度反而下降。因此,对某刀具——工件材料付,存在着一个由 V1与 V2组成的切削速度区域,在这一区域内,由于切削温度超过了允许值,不可能进行符合经济原则的切削。低于 V1,或高于 V2:,都能进行正常切削。例如,用—把直径为 210mm,齿数为 28 的螺旋齿圆柱铣刀铣削磷青铜,铣削深度为 7.5mm,进给速度为 Vf=228mm/min,在切削速度 v=45m/min 时,切屑呈蓝色,经过短时间切削,刀具已烧坏,但将切削速度提高到 V=1600m/min,将进给速度提高 10 倍,工件与刀具仍是冷的[5]。Carl Salomon 博士的切削速度与切削温度的理论成为探索高速切削加工的理论基础。此后,高速切削加工的发展可分为五个阶段:

1.设想和理论探索阶段(1924 年~1957 年) 继 Carl Salomon 博士研究后,1949 年美国 William.Coomly 发现切削功率随转速下降的现象。R.L.Vaughn 在 50 年代后期,受到钻井速度较高的影响,激发了对高速切削加工金属进行深入研究的想法,奠定了第二阶段的开始。
2.高速切削机理和理论研究阶段(1958 年~1971 年) R.L.Vaughn 于 1958 年进行了切削速度较广的切削试验,得出切削速度的提高有助于表面加工质量的改善,尤其是对铝合金。1964 年,法国对钢和铸铁进 行了高速切削试验,证明高速切削加工铸铁是可行的。在此期间,澳大利亚、英国、日本也开始了对高速切削加工的研究。
3.高速切削应用探索阶段(1972 年~1978 年) 美国的 R.I.King 研究小组试制出转速达 18000rpm、功率为 25 马力的卧式高速加工中心。德国 Darmstadt 工业大学于 1978 年开始研究高速切削的切屑形成机理。法国研制出主轴转速达 60000rpm、进给速度 50m/min 的高速铣床。
4.高速切削技术进入应用阶段(1979 年~1989 年) 1979 年美国开始了现代加工技术研究计划(AMRP),该计划对高速切削机理、刀具及工艺进行了十分全面的研究,切削速度高达 7600m/mim,切削材料有钢、铸铁、铅、黄铜、铝合金等,刀具材料包括碳素工具钢、高速钢、金属陶瓷、陶瓷等。德国的 Darmstadt 工业大学 1981 年研制成功高速主轴系统。1984 年Darmstadt 工业大学和德国 18 家企业联合开展高速切削研究工作,在高速切削机理及工艺方面取得了卓越成果,使德国在高速切削研究领域超过了当时居领先地位的美国。
5.高速切削技术进入成熟阶段(1990 年至今) 进入 90 年代后,工业发达国家陆续投入到高速切削技术及其相关产品的研究、开发中,发展迅速,成果不断:如 1993 年出现了直线电机,研制开发针对高速切削特点的 CAM 软件等,详细情况见 1.3 节。

1.3 国内外研究现状

1.3.1 高速切削机床技术

国外在高速切削加工方面除了进行工艺研究外,还着重开展了研制、发展和提供能够适应于高速切削加工用的高质量、高性能、高可靠性的加工设备和装置。与高速切削加工设备和装置相关的新技术包括:机床结构改进、主轴结构改进、坐标轴驱动技术、导轨设计、刀具材料研究、刀具夹持装置、冷却处理技术、精密位置测量技术、排屑技术以及能适应于高速切削加工设备控制的CNC 控制系统及软件等[6]。

高速加工的机床要满足以下条件:配备结构紧凑的高速主轴、机床的功率要求足够大、机床主轴加速度大、高速进给系统、高速高精度插补系统、快速响应数控系统和高精度的伺服系统 [7]。

目前,高速切削机床主要有以下几个特点:

1.机电一体化的主轴,即所谓电主轴[8]

现代化的主轴是电机与主轴有机地结合成一体,采用电子传感器来控制温度,自有的水冷或油冷循环系统,使得主轴在高速下成为“恒温”;又由于使用油雾润滑、混合陶瓷轴承等新技术,使得主轴可以免维护、长寿命、高精度。

由于采用了机电一体化的主轴,减去了皮带轮、齿轮箱等中间环节,其主轴转速就可以轻而易举地达到 0~42000r/min,甚至更高。不仅如此,由于结构简化,造价下降,精度和可靠性提高,机床的成本也下降了。

2.高速伺服系统

高速切削机床不仅要求有高速主轴,还要求进给部件具有高的速度和加速速,能在瞬间达到高速和在高速中瞬间准停以实现高速直线运动[9]。实现高加速度直线运动有两种途径,一是采用滚动丝杠传动,一是采用直线电机传动。

3.高速 CNC 系统

目前最先进的数控系统已经可以同时控制 8 根以上的轴,实现五轴五联动,甚至六轴五联动,多个 CPU,数据块的处理时间不超过 0.4ms;同时,均配置功能强大的后置处理软件,运算速度快,仿真能力强且具备程序运行中的“前视”功能,随时干预,随时修改。外接插口,数据传输速度快,甚至可以与以太网直联;加上全闭环的测量系统, 配合使用数字伺服驱动技术,机床的线性移动可以实现 1~2g 的加速和减速运动[10]。

4.机床床身结构与安全性

高速切削机床大都采用落地式床身,实心的台架、刚性的龙门框架,且基体材料选择聚合混凝土,使机床的结构振动衰减作用是铸铁或纯焊接钢结构的 8倍,整体刚性好。为确保人身与设备的安全,高速切削机床须用足够厚的优质钢板把切削区封闭起来,用防弹玻璃做观察窗。同时采用主动在线监控系统,对刀具和主轴的状况进行在线识别与控制[26]。

5.刀夹与主轴间良好的联结[11]为满足高速旋转不降低刀柄的接触精度的要求,目前,高速切削机床大多采用空心短锥刀柄,如德国的 HSK 刀柄。HSK 刀柄采用 1∶10 的锥度,比标准的7/24 锥度短,锥柄部分采用薄壁结构,刀柄利用短锥和端面同时实现轴向定位。

1.3.2 高速切削铝合金加工技术的研究

1.3.2.1 高速切削铝合金机理的研究

德国的 Darmstadt 工业大学于 1978 年开始,对常用材料的高速切削机理进行研究,文献[12] [1]对其研究成果作了介绍。

铝合金高速切削时的切屑在一定范围内呈连续状,进一步增加切削速度其形态变为断续状,并受到切削深度、进给量的影响。铝合金是最早应用于高速切削加工的材料,文献[14]建立了高速切削加工表面形成的数学模型;文献[15]对金刚石刀具在铝合金镜面铣削中的毛刺、积屑瘤进行研究,得出影响镜面铣的主要因素是切削厚度、刀具锋利程度及刀面刃磨质量;文献[16]进行了高速切削铝合金切削用量及刀具的优化研究。对高速切削热方面的研究较少,文献17应用红外热像仪测温系统对高速铣削过程中切削温度的动态变化规律进行了试验研究,给出了铝合金高速铣削过程中存在的临界切削速度关键数据及切削温度随切削速度的变化规律。

1.3.2.2 高速切削铝合金的刀具材料[19-22]

高速切削时,对不同的工件材料应选用与其合理匹配的刀具材料和允许的切削条件,才能获得最佳的切削效果,刀具的基体材料应尽量使用热变形抗力强的材料。加工铝合金时,可供选择的刀具材料有硬质合金、陶瓷、金属陶瓷、聚晶金刚石等。

硬质合金:按 GB2075—87(参照采用 ISO 标准) 硬质合金可分为 P、M、K三类,P 类(相当于我国原钨钛钴类,主要成分为 WC 十 TiC 十 Co,代号为 YT)主要用于加工长切屑的黑色金属,用蓝色作标志;M 类(相当于我国原钨钛钽钴类通用合金,主要成分为 WC+TiC+TaC(NbC)十 Co,代号为 YW)主要用于加工黑色金属和有色金属,用黄色作标志,又称通用硬质合金,K 类(相当于我国原钨钴类,主要成分为 WC 十 Co,代号为 YG)主要用于加工短切屑的黑色金属、有色金属和非金属材料,用红色作标志。硬质合金是高速切削铝材的主要刀具材料。实际加工中通常使用无涂层的硬质合金刀具,这是因为较厚的涂层会导致刀尖圆弧钝化,而较薄的涂层则会在加工时迅速磨损,均难以起到延长刀具寿命的作用。由于 P 系列和 M 系列硬质合金中含有 T1C 成分,而 Tic 与铝的亲和性好,不利于切削,因此在粗加工时宜选用 K 系列硬质合金刀具。

陶瓷:陶瓷刀具是以氧化铝为主要成分,压制成型后在高温下烧结而成的一种刀具材料。与硬质合金相比:有更高的硬度和耐磨性;有很好的高温性能;有很好的化学稳定性和抗粘接性能;切削时的摩擦系数低。陶瓷刀具最大的缺点是脆性大,抗弯强度和冲击韧性比硬质合金低,承受冲击负荷的能力差;热导率低,热膨胀系数大,当温度发生显著变化时,易产生裂纹导致刀片破损;切削时一般也不宜使用切削液,这些缺点大大限制了陶瓷刀具的使用范围。

聚晶金刚石 PCD:金刚石刀具是目前超高速切削(2500~5000m/min)铝合金较理想的刀具材料。聚晶金刚石是一种人造金刚石,具有极高的硬度和耐磨性;

极低的摩擦系数;很高的导热性;很低的热膨胀系数;且刀刃非常锋利。其缺点是耐热性较低;强度低,脆性大,对振动敏感,适于精加工;价格昂贵。

1.3.2.3 高速切削铝合金的刀具几何参数文献[23-25]

研究了高速铣削铝合金时刀具几何参数的选择:

1.前角 前角不能太小,否则增大了切削变形和摩擦力,前刀面磨损加大,降低刀具使用寿命。与传统铣削工艺相似,当前角γ0较小时,切屑流出阻力较大,切削力较大,但当前角过大时,因刀具的散热体积较小,所以刀具较易磨损。为此一般推荐使用γ0为 12°左右。切削试验表明:在高速铣削 A1CuMgPb时前角每减少 1°,则切削力增加 1%。当材料强度较高时,为了改善切削条件,可以适当增大前角。
2.后角 刀具后角的选取会影响刀具刚度。由于高速切削时的进给速度很高,刀具后刀面和巳加工工件表面之间的第 3 变形区就成为不可忽视的一个发热源。为了减少刀具——工件之间的摩擦,后角一定要选得大一些。增大后角有利于提高刀具寿命,但会降低刀刃刚度。但是由于前角γ0对切削过程的影响更大,一般需要选取较大的γ0,为此,可采用双倒棱后角,在增大后角的同时保证刀具刚度。
3.刃倾角 刃倾角影响了切屑流出的方向和各切削分力的大小。因为铝合金是塑性材料,切屑形态为带状切屑,宜选用较大的刃倾角。在高速铣削铝合金时,推荐使用λS为 20°-25°,若小于这一数值时,会增大切屑的附加变形,并有可能影响加工表面质量。
此外,刀尖圆弧半径的选择应适当,圆弧半径过大或过小都会降低刀具使用寿命。刀齿不能太密, 刀齿较密,刀具容屑空间小,切削易堵塞,限制了进给量的提高,容易产生冷作硬化层,加剧刀具的磨损。

1.4 论文的主要内容

本论文面向高速切削加工技术的发展方向,结合应用广泛的高强度铝合金复杂曲面高速铣削加工实际,以黑龙江省重大科技攻关项目“大型、复杂零部件用现代刀具系列产品化与开发研究”项目中的“高速铣削机理及其刀具的开发研究” (GA02A403-3)课题中的一部分为研究的主要内容:
1.对高速铣削铝合金时表面粗糙度的影响因素进行理论分析和实验研究。
2.对球头铣刀高速铣削铝合金的切削力进行理论分析,建立球头铣刀加工曲面时的切削力数学模型;对高速铣削铝合金时进给量及曲面曲率对切削力的影响进行理论分析和实验研究。
3.对球头铣刀刀具轴线和工件之间的加工倾斜角度进行理论研究,建立加工曲面时刀具倾角与曲面曲率确定的函数关系,并通过实验研究高速铣削铝合金时刀具倾角对表面粗糙度和切削力的影响。
4.进行基于切削力波动控制的高速铣削刀具路径优选实验研究。

第 2 章 高速铣削切削参数对表面粗糙度影响的研究

表面粗糙度是评价工件已加工表面质量的最主要参数,是反映零件表面上微观几何形状误差的一个重要指标。表面粗糙度是指加工表面上具有较小间距和峰谷所组成的微观几何形状特性,它主要是由于切削过程中工件加工表面上刀具的痕迹、刀具和零件表面之间的摩擦、切屑分离时的塑性变形和金属撕裂,以及工艺系统中存在的高频振动等原因形成的。本章通过切削实验来研究高速铣削铝合金时切削速度、进给量及其它因素对工件表面粗糙度的影响规律。

2.1 高速铣削表面粗糙度的理论基础

2.1.1 影响高速切削表面粗糙度的因素[52]

1.工件材料与刀具材料的匹配
与一般加工中一样,工件材料与刀具材料的匹配是很重要的,它不仅影响到切削加工的性能,对加工表面粗糙度的影响也是很明显的。
2.工件材料的硬度
高速切削时,被加工工件材料硬度对加工表面粗糙度也有影响。高速切削时的表面粗糙度随工件材料硬度的变化规律与传统低、中速切削时不同,有研究表明[2]:工件材料硬度增加使表面粗糙度降低。
3.进给量和切削速度
在普通速度下切削,传统切削理论认为:切削脆性材料时切削速度对表面粗糙度基本上没有明显影响,但在切削塑性材料时,在低、中切削速度的情况下,易产主积屑瘤及鳞刺,从而表面粗糙度都很大,随着切削速度的提高,积屑瘤和鳞刺减少甚至消失,工件材料的塑性变形也减小,因而可以减小表面粗糙度。而进给量增大,会导致刀具残留面积增大,从而使表面粗糙度增大。在高速切削条件下进给量和切削速度对表面粗糙度的影响还在研究阶段,其形成机理还不完善。
4.振动的影响
高速切削机床(包括加工中心)具有很高的刚度,但是加工薄壁件时,由于受到高次谐振可激起工件以固有频率振动,影响表面粗糙度。
5.其它因素
如:切削液、机床性能等其它因素的影响。

2.1.2 球头铣刀铣削残留高度

铣削残留高度是影响铣削表面粗糙度的主要因素,所以往往通过控制它的大小来控制表面加工质量。目前确定球头铣刀铣削残留高度的方法大多建立在估算公式上[53]。目前使用较多的计算模型是图 2-1 所示简化模型,其残留高度 h的计算公式是:

20211130160822.png

式中: R——球头铣刀半径 ;P——行间距

20211130160910.png

2-1 铣削行距与残留高度的关系
Figure2-1 The relationship between the breadth of cutting row and the rudimental height

由图 2-1,式(2-1)可知:球头铣刀高速铣削残留高度随球头铣刀半径增大而减小,随行间距增大而增大。

2.2 高速铣削铝合金表面粗糙度实验条件及设备

试验是在 MIKRON UCP710 五坐标加工中心进行的,主轴可无级调速,最大转速 20000r/min,功率 15KW,最大进给速度 20 m/min;加工工件为长方形 6061锻铝合金试件;刀具选用 fraisa 的直径为Φ16 两齿硬质合金球头立铣刀(U5280610);测量仪器采用 HOMMEL-LINKS LV-1002302 型表面轮廓测量仪测量加工表面粗糙度(沿进给方向(K 向)和行距方向(C 向)分别测量),测量前用标准量块标定;切削液采用乳化液。

为研究切削速度和进给量对表面粗糙度的影响,主轴转速和每齿进给量分别取 5 个水平,切削参数见表 2-1 所示。

为同时研究刀具轴线和加工表面间的倾角对表面粗糙度的影响,分别在倾角βn=0°,5°,10°,15°,20°的条件下进行铣削实验。

表 2-1 切削实验参数
Table2-1 cutting parameters

20211130161043.png

2.3 进给量对表面粗糙度的影响

试件加工表面粗糙度与每齿进给量的关系如图 2-2 所示。图 2-2(a)为不同倾角和主轴转速条件下 25组K 向表面粗糙度与每齿进给量的关系曲线,图2-2(b)为不同倾角和主轴转速条件下 25 组 C 向表面粗糙度与每齿进给量的关系曲线,图 2-2(c)为倾角βn=5°时 5 组 K 向表面粗糙度和每齿进给量的关系曲线,2-2(d)为倾角βn=5°时 5 组 C 向表面粗糙度和每齿进给量的关系曲线。由图 2-2 并分析测量数据表明: 当每齿进给量 fz小于 0.08mm 时,其变化

20211130161135.png

每齿进给量(mm/z)
图 2-2(a) K 向表面粗糙度与每齿进给量的关系

20211130161252.png

每齿进给量(mm/z)
图 2-2(b) C 向表面粗糙度与每齿进给量的关系

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每齿进给量(mm/z)
图 2-2(c) K 向表面粗糙度与每齿进给量的关系(βn=50)

20211130161421.png

每齿进给量(mm/z)

图 2-2 (d) K 向表面粗糙度与每齿进给量的关系(βn=50)
图 2-2 表面粗糙度与每齿进给量的关系
Figure2-2 The relationship between Surface roughness and feed per tooth

2.4 切削速度对表面粗糙度的影响
图 2-3 为不同倾角和进给量下的 25 组表面粗糙度与切削速度的关系曲线。

20211130161538.png

图 2-3 表面粗糙度与切削速度的关系
Figure2-3The relationship between Surface roughness and cutting speed

试件加工表面粗糙度与切削速度的关系如图 2-3、2-4 所示。图 2-4(a)为倾角βn=5°时 5 组 K 向表面粗糙度和主轴转速的关系曲线,图 2-4(b)为倾角βn=5°时 5 组 C 向表面粗糙度和主轴转速的关系曲线。

20211130161632.png

2-4(a)K 向表面粗糙度与主轴转速的关系(βn=5°)

20211130161721.png

C 向表面粗糙度与主轴转速的关系(βn=5°)
Figure2-4The relationship between Surface roughness and rotation number

2-4 表面粗糙度与主轴转速的关系

由图 2-3、2-4 可以看出,在试验的切削速度范围内(V=500~900m/min),切削速度的改变对表面粗糙度的影响不大,随着切削速度的增加,表面粗糙度值并没有减小,这和切削速度刚由普通区提高到高速区时表面粗糙度明显减小现象的不同。这可能是由于切削速度达到高速切削范围后,传递到工件加工表面的切削热减少,变形区的切削温度降低,使刀具前刀面上的平均摩擦系数μ增大,同时,刀具磨损更为迅速,从而导致表面粗糙度不再继续减小。

综合考虑每齿进给量和切削速度的影响,由实验测量数据和图 2-2(c)(d)、图 2-4 发现在 fz=0.08mm,n=16000 r/min 时表面粗糙度 Ra 值最小。

2.5 进给方向对表面粗糙度的影响

高速铣削铝合金得到的表面粗糙度值很小,K 向 Ra 值在 0.1~0.3µm 范围内,平均值为 0.16 µm;C 向 Ra 值在 0.1~0.4µm 之间,平均值为 0.27 µm。

实验数据表明:工件表面 C 向的 Ra 值比 K 向大,这是由于 K 向是进给方向,表面粗糙度主要受每齿进给量的影响,变化不大; C 向是行距方向,存在铣削残留高度。由式 2-1,在实验所采用的切削条件下,表面粗糙度 Ra 的理论值为0.039µm,实验值和理论值很接近,这说明球头铣刀半径和行距是影响铣削表面粗糙度的主要因素。因而当加工表面要求表面粗糙度均匀一致时,行距的选择应与每齿进给量相适应。

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图 2-5 切削时间对表面粗糙度的影响
Figure2-5 The influnce of cutting length to surface roughness

图 2-5 反映了切削时间对表面粗糙度的影响。由图可以看出随着刀具切削时间的增长,总切削长度增加,刀具磨损, C 向表面粗糙度 Ra 的平均值逐渐增大,由 0.179µm 增大到 0.345µm;而 K 向表面粗糙度 Ra 的平均值变化不大,在0.14µm ~0.18µm 之间波动,这种现象对于选择刀具路径具有一定的指导意义。

例如在加工图 2-6 所示的窄长平面时,为获得比较均匀一致的表面粗糙度值,采用行切法的刀具路径时,应选择长度较长的方向为进给方向。

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2-6 窄长平面加工进给方向的选择
Figure2-6 The choice of feed direction for workpiece

2.6 本章小结

本章通过对高速铣削铝合金时影响表面粗糙度的主要因素的分析,推导了球头铣刀铣削残留高度计算公式;通过高速铣削铝合金表面粗糙度的实验研究获得了进给量、切削速度以及进给方向对高速铣削铝合金表面粗糙度的影响规律,结论如下:

1.每齿进给量 fz在 0.03~0.08mm 时,其变化对表面粗糙度 Ra 影响不大,当 fz大于 0.08mm 后,随着每齿进给量 fz的增大,表面粗糙度 Ra 变化趋势也是增大的。
2.在切削速度达到铝合金铣削的高速区后,切削速度的改变对表面粗糙度的影响不大。
3.可以降低表面粗糙度值的切削参数组合为 fz=0.08mm,n=16000r/min。
4.球头铣刀半径和行距是影响铣削表面粗糙度的主要因素,当加工表面要求表面粗糙度均匀一致时,行距的选择应与每齿进给量相适应。
5.随着刀具切削时间的增长,总切削长度增加, 行距方向表面粗糙度 Ra平均值逐渐增大,而进给方向表面粗糙度 Ra 的平均值变化不大,这对于加工曲面刀具路径选择具有一定的指导意义。

3.1 高速铣削铝合金材料的变形规律

切削加工中被切削层材料受到刀具的挤压作用产生弹塑性变形,如图 2-1所示,在第一变形区开始沿剪切面滑移,并在切削刃前端分离,一部分沿前刀面的第二变形区继续挤压和摩擦形成切屑,另一部分与后刀面摩擦与挤压形成已加工表面。铝合金材料的变形主要集中在第一变形区[27]。

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图 2-1 高速铣削铝合金材料的变形
Figure2-1 The deformation when high-speed-milling AL-alloy

3.2 球头铣刀加工曲面切削力模型

对球头铣刀切削力建模技术的研究,目前国内外集中在以下两个方面:

1.经验建模[28-29]:这是一种完全依赖于实验数据的建模方法。实验数据库相当庞大,且所建模型还不够精确。
2.几何建模[30-34]:此种建模方法是基于球头铣刀的几何结构,借助于传统的斜角切削理论建立的模型。这种模型所包含的切削力系数仍需进行必要的切削力实验方能确定。采用此种方法确定球头铣刀铣削力模型的成果较多,其中马万太等人基于切削力和切屑负载之间的经验关系,通过对球头铣刀的微分化方法,建立了球头铣刀基本切削力模型[35]。倪其民等人在 Feng 等人和马万太等人的研究基础上,提出了抽取参与切削切削刃段信息的实体造型方法,给出了刀具进给速度的三维描述方案,推导了三维进给运动下考虑刀具变形的瞬时切厚计算公式,建立了考虑刀具变形的球头铣刀铣削力模型[41]。P.Lee 采用正交试验设计的方法,测量切削层参数,预测了球头铣刀的铣削力[36]。Min Yang Yang 等提出了一种使用基本加工数据来预测球头立铣刀切削力的方法[37]。冯志勇等基于微分几何理论建立了任意形状铣刀的数学模型,给出了适用于任意形状铣刀的三维单元铣削力模型[38-40]。
本文以椭球面为加工曲面来研究球头刀加工曲面时的切削力,建立考虑曲率影响的球头铣刀切削力模型。

3.2.1 球头铣刀铣削参数

1.刀具转速 n (r/min)
高速铣削时球头铣刀的旋转运动为主运动,刀具有效直径随切削刃和工件接触位置不同而变化, 切削速度 v 与刀具转速 n 及刀具直径间的关系式为:

20211130163024.png

名义切削速度为:

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式中: 0d ——铣刀有效直径(mm) ; n ——铣刀转速(r/min); R—— 铣刀球面半径(mm)

2.进给量
每齿进给量 fz:铣刀每转过一个刀齿, 工件相对于铣刀沿进给方向的位移,单位为 mm/z。
每转进给量 f r:铣刀每转一转, 工件相对于铣刀沿进给方向的位移,单位为 mm/r。
进给速度 vf (每分钟进给量) :一分钟内, 工件相对于铣刀沿进给方向的位移,单位为 mm/min。
三种进给量的关系为:

20211130163231.png

式中: Z——铣刀齿数

3.铣削深度 ap(mm)
铣削深度 ap是指平行于铣刀轴线方向度量的被切削层尺寸。
4.铣削行距 ae(mm)
铣削行距是指两条刀具运动轨迹(指刀具与加工表面的切触点轨迹)之间的线间距。

3.2.2 铣削行距间残留面积高度的计算

用球头铣刀加工曲面时,刀痕在切削行间形成了残留高度h ,与铣削行距ea和刀具半径 R 以及加工表面曲率 K 密切相关,如图 3—2 所示。

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图 3-2 铣削行距与残留高度的关系
Figure3-2 The relationship between the breadth of cutting row and the rudimental height

由图 3—2 所示的几何关系可以看出,残留高度h 与铣削行距ea 和刀具半径R 以及加工表面曲率 K 之间的关系为;

20211130163436.png

3.2.3 球头铣刀高速铣削的铣削方式

高速切削时加工余量较小,一般情况下切削深度 ap均小于铣刀球面半径 R,此时球头铣刀的铣削方式如图 3-3 所示:沿铣刀轴线 z 方向,球头铣刀在(R-ap)≤ Z < (R - h) 处为非对称铣削,在 (R-h)≤ Z < R 处为对称铣削。

20211130163812.png

图 3-3 铣削层参数
Figure3-3 milling layer parameter

3.2.4 基于微元法的球头铣刀切削力的模型

3.2.4.1 铣削的切削力计算公式
切削过程中,主切削力是计算切削功率及其它切削力的基础。按照用单位切削力计算的原理,主切削力 FC可计算如下[42]

20211130163945.png

式中 P——单位切削力(N/mm)
A——切削层公称截面积(mm2)
单位切削力 P 是随切削厚度变化的,切削厚度 hD增大时,单位切削力减小,故

20211130164050.png

式中 C——系数,取决于加工条件
y——指数,表示切削厚度对单位面积切削力的影响程度(y< 0)

3.2.4.2 球头铣刀铣削微元和切削层参数

1、球头铣刀铣削微元

球头铣刀球面处横截面直径沿铣刀轴线变化,铣削过程中,铣刀轴线方向各处切削层面积因铣刀横截面直径及铣削参数的不同而变化,切削力沿铣刀轴线变化。为了研究球头铣刀切削力变化规律,根据微分原理,沿铣刀轴线方向截取长度为 dz(球面圆心处 Z=0),横截面半径为 r 的铣刀切削部分做为铣削微元,如图 3-3 所示。
球头铣刀任意横截面的铣削微元参数如图 3-4、3-5[43]所示:

因为高速切削时切削深度 ap小于铣刀球面半径 R,则铣削微元半径 r 为

20211130164218.png

铣削微元的切削深度 ap等于铣削微元长度 dz 即 ap= dz

非对称铣削时,接触角 φ 为:φ = arccos(1-ae/r)

对称铣削时,铣削微元的铣削宽度 ae为:ae=2r;接触角 φ=π

20211130164502.png

图 3-4 球头刀铣削微元的非对称铣削
Figure3-4 Unsymmetrical milling of the ball end

20211130164536.png

图 3-5 球头刀铣削微元的对称铣削
Figure3-5 Symmetrical milling of the ball end

2、铣削加工切削层参数[45]:

铣削时,切削层平均切削厚度 hav为:

20211130164712.png

切削层平均切削面积 A 为:

20211130164746.png

式中: d ——铣刀直径 ; ae——铣削宽度 ; ap——铣削深度 ; fz——每齿进给量 ; Z——铣刀刀齿数 ; ϕ ——铣刀刀齿和工件接触角,非对称铣时 ϕ=arccos(1-ae/r), 对称铣时ϕ=π

3、 球头铣刀铣削微元的切削层参数
由式(3-8)、(3-9)可得球头铣刀铣削微元的切削层参数关系式为:
① 0<z≤h 时:铣削方式为对称铣削,铣削微元如图 3-6 所示,其中ϕ=π, r=√(R2-z2), a2=2r,则:

20211201170822.png

②h<z≤p 时:铣削方式为非对称铣削,铣削微元如图 3-5 所示,

20211201171000.png

3.2.4.3 球头铣刀主切削力的计算
根据主切削力计算公式(3-5)及式(3-8)、(3-9)可得铣削微元主切削力 dFc

20211201171102.png

铣削过程中,作用于铣刀上的主切削力为参与切削微元的主切削力的合力,则沿铣刀轴线积分可得球头铣刀主切削力:

20211201171147.png

  1. 3 高速铣削铝合金时进给量对切削力的影响

3.3.1 理论分析

由式(3-8) 、(3-9) 、(3-14)可知:每齿进给量 fz 增大,会使切削层的切削厚度增加,切削面积增大,从而导致切削力增大。

3.3.2 实验验证

3.3.2.1 实验条件

工件材料为 6061 锻铝合金,采用干切削;刀具选用 WALTER F2139 直径为 Φ16 的两齿硬质合金球头铣刀;机床采用 MIKRON UCP710 五坐标加工中心,主轴最大转速 20000r/min,功率 15KW,最大进给速度 20 m/min;采用 YD-21 型动态电阻应变仪以及 FAS-4DEE-2 切削力数据采集和处理软件来测量切削力。

3.3.2.2 实验方法

在其它参数固定的条件下:主轴转速 n=18000r/min(对应的切削速度为V=904 m/min),背吃刀量 ap=1 mm,行距 ae=0.3mm,改变进给速度进行切削实验。
进给速度分别为 vf=1500 ,3000,4500(mm/min),对应的每齿进给量为 fz=0.042 mm/z,0.083 mm/z,0.125mm/z。

3.3.2.3 实验结果分析
图 3-6 为每齿进给量和切削力的关系图。由图 3-6 可以看出:切削力随着每齿进给量的增大而增大,验证了理论分析。

20211201171438.png

图 3-6 切削力和每齿进给量的关系
Figure3-6 The relation of cutting force and feed per tooth

3.4 曲面曲率对切削力的影响

3.4.1 椭圆的曲率k

当椭圆方程为 x2/a2+y2/b2=1时,曲率公式为:

20211201171629.png

则当加工刀具路径采用等 X 截面法时,其椭圆方程式为

20211201171707.png

其曲率为

20211201171801.png

当加工刀具路径采用等 Y 截面法时,其椭圆方程式为:

20211201171837.png

其曲率为:

20211201171910.png

当加工刀具路径采用等高法时,其椭圆方程式为:

20211201171948.png

其曲率为:

20211201172024.png

3.4.2 球头铣刀加工椭球面时的切削力计算

1.计算加工曲面曲率 K:

①当加工刀具路径采用等 X 截面法时, 输入值a,b,c,x0,y计算得:

20211201172148.png

②当加工刀具路径采用等 X 截面法时, 输入值a,b,c,x,y0计算得:

20211201172302.png

③当加工刀具路径采用等 X 截面法时, 输入值a,b,c,x,z0计算得:

20211201172345.png

2.输入值 R,ae,k 计算得残留高度 h 为:

20211201172442.png

3.输入值R,fze,z,ae计算切削层平均切削厚度 hav为:

①0<z≤h 时:

20211201172616.png

②h<z≤ap 时:

20211201172722.png

4.输入值 havn,C,y计算单位切削力 P:

20211201172820.png

  1. 输入值R,ap,fz,h,Z,P,ae 计算主切削力 Fc

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3.4.3 加工曲面的曲率对切削力的影响

由 3.4.2 节球头铣刀加工椭球面时的切削力计算公式可以计算得到加工曲面曲率和切削力的关系。下面以采用等 X 截面法刀具路径加工椭球面为例进行计算,由实验条件已知 R = 8MM,ap=1mm,fz=0.125mm/z,Z=2,ae=0.3mm,a=75mm,b=50mm,c=30mm 则当 mmx 150= 时各点的曲率和切削力见表 3-1 所示,表中 CF为各固定值合并计算后所得的常数项。

表 3-1 曲率和切削力的关系
Table3-1 The relation between curvature and cutting force

20211201173232.png

曲率和切削力的关系如图 3-8 所示。

20211201173303.png

图 3-8 曲率和切削力的关系
Figure3-8 The relation between curvature and cutting force

3.5 本章小结

本章对高速铣削时铝合金材料的变形规律以及采用球头铣刀加工曲面时的切削力进行了研究;采用微元法建立了基于曲面加工的球头铣刀切削力模型;研究了高速铣削铝合金时进给量以及曲面曲率对切削力的影响,结论如下:
1.高速切削时,铝合金材料的变形主要集中在第一变形区,由于产生的热量增加,切屑底层金属软化,降低了刀具前刀面上的平均摩擦系数μ,使变形系数减小,从而使切削力减小。
2.通过理论分析和实验研究表明:高速铣削铝合金时,每齿进给量 fz增大,会使切削层的切削厚度增加,切削面积增大,从而导致切削力增大。
3.研究了加工曲面的曲率和切削力的关系:随着加工曲面曲率的增大,切削力在不断减小;这一结论对于选择高速切削刀具路径具有重要的指导意义。

第 4 章 高速铣削铝合金刀具路径优选的实验研究

高速切削不仅提高了对机床,夹具,刀具,刀柄的要求,同时也要求改进刀具路径策略,因为若路径不合理,在切削过程中就会引起切削负荷的突变,从而给零件、机床和刀具带来冲击,破坏加工质量,损伤刀具。在高速切削中由于切削速度和进给速度都很快,这种损害比在普通切削中要严重的多,因此,必须研究适合高速铣削的刀具切削路径,将铣削过程中切削负荷的突变降至最低。

4.1 高速切削的 CAM 策略

4.1.1 高速铣削对刀具切削路径的要求

高速铣削的刀具路径受到以下限制:切削负荷必须在刀具的极限负荷之内;残留材料不能大于指定极限;应避免材料切除率的突然变化;切削速度和加速度必须在机床能力范围内;切削方向(顺铣/逆铣)应保持恒定;应避免切削方向的突然变化;尽量减少空程移动;切削时间应减少到最短。

在实际零件的刀具切削路径编制过程中,应尽可能地满足这些要求。设计的刀具路径应是[47]:
1.进刀时采用螺旋或园弧进刀,使刀具逐渐切人零件,以保证切削力不发生突变,延长刀具寿命;
2.无切削速度的不连续和突变,使切削连续平稳;
3.切削时使用顺铣使切削过程稳定,不易过切,刀具磨损小,表面质量好;
4.采用小的轴向切深以保证小的切削力、少的切削热和排屑的顺畅;
5.无切削方向突变即刀具轨迹是无尖角的,普通加工轨迹的尖角处用园弧或其它曲线来取代,从而保证切削方向的变化是逐渐的而不是突变的。

4.1.2 高速切削的编程策略
为得到最好的高速加工效果,必须提供足够强大的 CAM 能力,以得到高质量的加工程序,保证机床能全负荷地进行工作。为此应使用具备自动高速加工功能,能快速计算出无过切刀具切削路径的 CAM 软件,减少操作者优化程序的工作量,复杂程序的计算可使用批处理功能留在夜间进行。
在高速加工编程中,最重要的是选取正确的加工顺序。安排加工顺序的基本原则是:

1.同时考虑要切除的材料,而非仅仅考虑要加工成形的几何形状;
2.尽可能地将加工步骤减少到最少;
3.尽可能地使用连续策略,例如,偏置路径通常比平行路径好;
4.应避免垂直下刀,尽量从材料外部切入材料;
5.在零件的一些临界区域应尽量保证不同步骤的精加工路径不重叠。这些区域如果出现路径重叠,势必会出现刀痕;
6.尽量不换刀,使用单个刀具精加工临界区域。刀具设置错误常常导致精加工后加工表面出现刀痕;
7.尽可能使用短刀具。长刀具更容易磨损。如有可能,应考虑重新定位零件方向,使用短刀具来加工不容易加工的区域。

4.2 刀具切削路径优选实验

4.2.1 刀具切削路径优选目标

以切削力波动最小为目标对刀具运动轨迹进行单目标优选。

4.2.2 实验条件
实验工件 :为了在优选刀具路径的同时研究刀具倾角对切削力的影响,采用椭球面作为被加工表面,工件形状尺寸如图 4-1,材料为 6061 锻铝合金,采用干切削。

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图 4-1 实验工件
Figure4-1 The workpiece of experiment

刀具:选用 WALTER F2139 精加工仿形铣刀、直径为 Φ16 的两齿 WMG20 可转位刀片(P3203-D16)
机床:MIKRON UCP710 五坐标加工中心,主轴最大转速 20000r/min,功率15KW,最大进给速度 20 m/min
测量仪器:采用 SDC 系列测力仪,YD-21 型动态电阻应变仪以及FAS-4DEE-2 切削力数据采集和处理软件来测量切削力

4.2.3 实验方法

4.2.3.1 铣削参数

主轴转速 n=18000r/min,对应的切削速度为 V=904 m/min
进给速度分别为 =1500fv ,3000,4500(mm/min)
背吃刀量 ap=1 mm,行距 ae=0.3mm

4.2.3.2 实验中采用的刀具切削路径
在实验中采取如图 4-2 所示的几种常用的曲面加工刀具路径作为优选对象。
采用英国达尔康公司的 CAM 软件 PowerMILL 生成加工程序。

20211201173904.png

图 3-2 曲面加工的几种刀具运动轨迹
Figure3-2 Several tool pahth for milling surface

(a)是等 X 截面法,采用一组垂直于 X 轴的平面截取椭球面,截平面与椭球面的交线就是刀具运动轨迹。切削时 Y 轴为进给速度方向,沿 X 轴方向行距为为 0.3mm。
(b)是等 Y 截面法,采用一组垂直于 Y 轴的平面截取椭球面,截平面与椭球面的交线就是刀具运动轨迹。切削时 X 轴为进给速度方向,沿 Y 轴方向行距为为 0.3mm。
(c)是最佳等高法,切削时由椭球顶部向下环切,沿曲面行距为 0.3mm。
(d)是等高法,采用一组垂直于 z 轴的平面截取椭球面,截平面与椭球面的交线就是刀具运动轨迹。切削时由椭球顶部向下环切,沿 Z 轴方向行距为0.3mm。
(e)是三维偏置法,切削时由下向上(椭球顶部)环切,沿三个坐标轴的距离相同,沿曲面的切平面行距 0.3 mm。

4.2.3.3 实验方案

将工件通过螺栓装在测力仪上,分别采用 5 种刀具路径进行切削,用测力仪记录切削力的大小并观察加工表面质量。

4.2.4 实验结果与分析

五种刀具路径的 200 点切削力平均值波形见图 4-3。通过分析整个切削过程的切削力波形之后,对于每种刀具路径,在切削力波动的最大值和最小值之间,选取十个具有代表性的数值来反映起其波动状况,图 4-4 为一种刀具切削路径下切削力波动图,图 4-5 为五种刀具切削路径切削力比较图。

20211201174045.png
图 4-3(a)等高法

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图4-3 (b) 等 Y 截面法

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图 4-3 (c) 等 X 截面

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图 4-3 (d) 最佳等高法

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图 4-3 (e) 三维偏置法

图 4-3 五种刀具切削路径的 200 点切削力平均值波形图
Figure4-3 The force fluctuate figure of 200 point of five tool path

20211201174337.png

图 4-4 等 Y 截面法切削力波动图
Figure4-4 The force fluctuate figure

20211201174434.png
图 4-5(a)

20211201174457.png
图 4-5(b)

20211201174519.png
图 4-5(c)
图 4-5 五种刀具切削路径切削力比较图
Figure4-5The compare of cutting force of five tool path

由图 4-3,4-5 可以看出,切削力波动最小的刀具路径是图 4-2(e)所示的三维偏置法,波动最大的是图 4-2(d)所示的等高法。五种刀具路径切削力波动按由小到大的顺序是:三维偏置法—最佳等高法—等 X 截面法(截平面垂直于 X轴)—等 Y 截面法(截平面垂直于 Y 轴)—等高法(截平面垂直于 Z 轴)。

这是由于三维偏置法和最佳等高法的刀具运动轨迹沿加工曲面行距均匀,切削层面积变化小,因而切削力波动小。对于采用截平面法加工椭球面的刀具切削路径,是沿坐标轴方向等行距,沿加工曲面行距不等,因而切削层面积变化大,造成切削力产生较大波动。
三种截平面法(等 X 截面法、等 Y 截面法、等高法)切削力波动大小的不同主要受加工曲面曲率的影响,由于加工表面是椭球面(三个方向半径分别为Rx=75mm,Ry=50mm,Rz=30mm),当截平面方向不同时,刀具路径曲率的大小以及变化也不相同,等 Z 截面法(等高法)曲率最小,其次是等 Y 截面法,曲率最大的是等 X 截面法,而曲率变化最小的是等 X 截面法。由 3.4.3 节分析可知曲率和切削力的关系是:曲率增大,切削力减小,即:曲面曲率最大的方向切削力最小,曲面曲率变化最小的方向切削力的波动最小。实验验证了这一观点。

由图 4-3,4-5,等 Z 截面法(等高法)切削力数值及波动最大,,其次是等 Y截面法,再次之是等 X 截面法。

对每种刀具路径进行如下分析:
1.采用图 4-2(d)所示的刀具路径(等高法)进行加工,测得切削力最大,切削力波动也最大,完成一个椭球面加工所用切削时间最短,加工后表面质量最差,在进给速度fv =3000mm/min 切削椭球顶部时出现排屑严重不畅,加工状态极不稳定,表面质量严重恶化,出现凹凸不平的沟槽。
2.采用图 4-2(b)所示的刀具路径(等 Y 截面法)进行加工,测得的 X 方向和 Y 方向切削分力较大,切削力波动较大,完成一个椭球面加工所用切削时间较短,加工后的表面粗糙,有椭球顶部明显的刀痕。
3.采用图 4-2(a)所示的刀具路径(等 X 截面法)进行加工,测得切削力较小,在等截面法中切削力波动最小。完成一个椭球面加工所用切削时间最长,加工后的表面粗糙,在椭球顶部有明显的刀痕。
4.采用图 4-2(c)所示的刀具路径(最佳等高法)进行加工,测得切削力小,除切削椭球顶部时切削力出现波动外,在加工过程中切削力波动小,完成一个椭球面加工所用切削时间较长,加工后表面质量较好。
5.采用图 4-2(e)所示的刀具路径(三维偏置法)进行加工,测得切削力最小,在整个加工过程中切削力波动也最小,完成一个椭球面加工所用切削时间最长。由于在 X,Y,Z 三个方向的距离相等,并采用螺旋形进刀,加工后表面质量最好。

4.3 刀具切削路径优选结果

以切削力波动最小为目标,对加工椭球面刀具切削路径进行优选的结果是:首先选择三维偏置法,其次选择最佳等高法,再其次选择等 X 截面法(截平面垂直于 X 轴),等 Y 截面法(截平面垂直于 Y 轴),最不可取的是等高法(截平面垂直于 Z 轴)。

4.4 本章小结

本章研究了高速铣削对刀具切削路径的要求,进行了基于切削力波动控制的高速铣削刀具路径优选实验研究,提出了针对加工表面形状特征的编程策略,结论如下:

1.高速切削刀具路径选择时应尽量采用螺旋或圆弧进刀,偏置路径比平行 路径好。
2.为使切削力波动最小,应针对加工表面形状特征选择沿加工曲面行距均 匀的刀具切削路径。
3.高速铣削切削力实验表明:切削力波动与曲面曲率变化有关,随着被加工表面曲率的增大,切削力在减小。
4.加工曲面时为使切削力最小,应选取曲面曲率最大的方向作为刀具运动轨迹方向。
5.在优选刀具运动轨迹时,为减小切削力的波动,应选择曲面曲率变化最小的方向作为刀具运动轨迹方向。

第 5 章 球头铣刀和工件之间加工倾角的实验研究

球头立铣刀是轮廓面加工的主要刀具, 因切削过程中被加工曲面与铣刀球面公法线过铣刀球面的球心,使干涉过切现象易于监测,切削运动轨迹易于控制而得到广泛的应用[48]。球头铣刀几何形状复杂,在切削过程中,切削厚度不均,同一时刻单刃或多刃参与切削,刀具和工件的接触状态经常改变,使得切削力周期性地改变。当球头铣刀加工自由表面时,切削速度是随切削刃和工件接触位置不同而变化的,越靠近球头铣刀端部切削越不锋利,在切削刃中心点(刀尖)切削速度为零且有效的容屑空间非常小。当刀具轴线垂直于加工表面时,由于切削速度接近于零而使加工表面粗糙,刀具破损或磨损。因此,调整刀具轴线与工件曲面法线之间的夹角能有效改善切削条件,提高刀具寿命,降低表面粗糙度[49]。本章通过实验研究球头立铣刀倾角对加工表面粗糙度及切削力的影响。

5.1 刀具和工件之间的加工倾角的定义

球头铣刀相对于工件加工表面的倾斜角度有两种状态[50],如图 5-1 所示。

20211201175009.png
图 5-1 刀具和工件之间的倾斜角度
Figure5-1 The inclination angle of the tool to the workpiece

图中βf表示刀具轴线相对于进给方向倾斜的角度;当刀具轴线相对于进给方向向前倾斜时βf为负,当刀具轴线相对于进给方向向后倾斜时βf为正。

βn表示刀具轴线相对于进给垂直方向倾斜的角度;当刀具轴线相对于进给方向向左倾斜时βn为正,当刀具轴线相对于进给方向向右倾斜时βn为负。

5.2 刀具和工件之间的加工倾角对表面粗糙度的影响

5.2.1 实验条件

20211201175110.png

图 5-2 6061 锻铝合金试件
Figure5-2 The workpiece of experiment

工件材料:6061 锻铝合金,工件形状及加工示意图如图 5-2
切削液:采用乳化液
刀具:选用 fraisa 的直径为Φ16 两齿硬质合金球头立铣刀(U5280610)
机床:MIKRON UCP710 五坐标加工中心,主轴最大转速 20000r/min,功率15KW,最大进给速度 20 m/min
测量仪器:采用 HOMMEL-LINKS LV-1002302 型表面轮廓测量仪测量加工表面粗糙度。

5.2.2 实验方法

5.2.2.1 铣削参数的确定

主轴转速分别取 n=10000,12000,14000,16000,18000(r/min),
对应的切削速度分别为 V=502,603,703, 804,904 (m/min)
每齿进给量分别取 fz=0.03,0.05,0.08,0.10,0.15 (mm/z)
背吃刀量 ap=1 mm,行距 ae=0.05mm
刀具轴线和加工表面间的倾角分别取βn=0°,5°,10°,15°,20°。

5.2.2.2 实验方案
采用直径Φ16两齿硬质合金球头立铣刀在一组固定的参数 ap=1 mm,ae=0.05mm 下分别改变倾角βn,主轴转速 n 及每齿进给量 fz进行切削实验,沿进给方向(K 向)和行距方向(C 向)分别测量加工表面粗糙度。

5.2.3 实验结果与分析

由于刀具轴线和加工表面之间倾角的存在,使得参加切削的有效刀具直径改变,实际切削速度提高。图 5-3 为倾角和有效刀具直径的关系。

20211201175322.png

图 5-3 倾角和有效刀具直径的关系
Figure5-3The relationship between the inclination angle and effective diameter of milling cutter

由图 5-3 可知:

20211201175341.png

式中 deff——有效刀具直径 ; d——名义刀具直径 ; ap——切削深度 ; β——刀具轴线和加工表面之间倾角

参加切削的刀刃最小切削速度为

20211201175507.png

参加切削的刀刃最大切削速度为

20211201175530.png

式中 n——主轴转速

图 5-4 为 25 组不同主轴转速 n 和每齿进给量 fz组合下工件表面粗糙度和倾角的关系。图 5-4(a)为 C 向的表面粗糙度 Ra 值和倾角的关系,图 5-4(b)为 K 向的表面粗糙度 Ra 值和倾角的关系。

20211202082915.png
图 5-4 (a) C 向的表面粗糙度 Ra 值

20211202082955.png
图 5-4(b)K 向的表面粗糙度 Ra 值
图 5-4 倾角对表面粗糙度的影响
Figure5-4The influrence of the inclination angle to surface roughness

图 5-5(a)为 fz=0.08mm 时不同主轴转速条件下工件表面 C 向的表面粗糙度
Ra 值和倾角的关系; 图 5-5(b)为 fz=0.1mm 时不同主轴转速条件下工件表面 K
向的表面粗糙度 Ra 值和倾角的关系。

20211202083036.png

图 5-5(a) fz=0.08mm

20211202083109.png

图 5-5 (b) fz=0.1mm
图 5-5 倾角对表面粗糙度的影响
Figure5-5 The influrence of the inclination angle to surface roughness

当βn=0°时,刀刃与工件接触处切削速度低,挤压刮擦现象严重,造成冷硬现象,工件表面颜色发黑,但由于挤压作用,表面粗糙度 Ra 值较小。

当βn=15°时,加工表面质量最好。此时,铣刀端部不参与切削,刀刃与工件接触处平均切削速度 Vav=(Vmax+Vmin)/2增大,切削速度差ΔV=Vmax-Vmin 减小,切削速度分布范围缩小,波动减少,切削刃受力较均匀,切削力主要作用在刀具刚性较好的轴线方向,切削平稳。

但当βn增大到 20°时,表面粗糙度 Ra 值却增大了。虽然此时刀刃与工件接触处平均切削速度高,切削速度差小,但由于作用在刚性较差的垂直刀具轴线方向的切削力 Fx=Fsinβ增大 ,刀具产生挠曲变形,导致工艺系统产生振动,影响表面质量。

图 5-6 为βn=20°和 15°时加工表面形态的对比。

20211202083320.png

20211202083349.png

图 5-6 加工表面形貌图
Figure5-6 Machined surface waviness

5.3 刀具和工件之间的加工倾角对切削力的影响

5.3.1 刀具轴线和工件表面间的倾角βf 的计算

刀具轴线和工件表面间的倾角和曲线的曲率半径密切相关,见图 5-7。

20211202083450.png
5-7 刀具倾角和曲率半径的关系
Figure5-9The relationship between the inclination angle and radius of curvature

图 5-7 中 zx A),( 为刀具和工件的切触点,D(α,γ)为曲线在点 A 的曲率中心。

由图 5-9 可知:

20211202083542.png

式中 ρ——曲线在点 A 的曲率半径;
由文献[51],对于曲线 y=f(x) ,在点 M(x,y) 处的曲率半径ρ为:

20211202083713.png

式中 K——曲线在点 M 的曲率;
当采用等 Y 截面刀具路径铣削椭球面时,对于某一固定的0Y 值,刀具轨迹为椭圆,其曲线方程为:

20211202083756.png

经推导可得:

20211202083831.png

当采用等 X 截面刀具路径铣削椭球面时,对于某一固定的0X值,刀具轨迹为椭圆,其曲线方程为:

20211202083905.png

经推导可得:

20211202083935.png

当采用等高法刀具路径铣削椭球面时,对于某一固定的0Z 值,刀具轨迹为椭圆,其曲线方程为

20211202084011.png

此时,对于每一个Z0 值,刀具轴线和工件表面间的倾角为βn,经推导可得:

20211202084124.png

5.3.2 实验条件

工件材料:6061 锻铝合金,工件形状尺寸如图 5-7,加工表面为椭球面,采用干切削。

20211202084206.png

图 5-8 实验工件
Figure5-8 The workpiece of experiment
刀具选用 WALTER F2139 直径为Φ16 的两齿硬质合金球头铣刀;机床采用MIKRON UCP710 五坐标加工中心,主轴最大转速 18000r/min,功率 15KW,最大进给速度 20 m/min;采用 YD-21 型动态电阻应变仪以及 FAS-4DEE-2 切削力数据采集和处理软件来测量切削力。

5.3.3 实验方法

5.3.3.1 刀具切削路径和刀具倾角

刀具切削路径采用图 5-9 所示的等 Y 截平面法:即采用一组垂直于 Y 轴的平面截取椭球面,截平面与椭球面的交线就是刀具运动轨迹。沿 Y 方向行距为0.3mm。此时,刀具轴线和工件表面间的倾角为βf,沿着进给方向βf由大变小,到达椭球顶部时(X=0)为零,而后又由小变大。

20211202084300.png

图 5-9 刀具切削路径
Figure5-9 The tool path

5.3.3.3 实验方案

将工件通过螺栓装在测力仪上,采用直径Φ16两齿硬质合金球头立铣刀在一组固定的参数:主轴转速 n=18000r/min ,ap=1 mm,ae=0.3mm 下采用等 Y 截面刀具路径进行切削,用测力仪记录切削力的大小。

5.3.3.4 实验数据的处理

由式(5-6)可知对于某一固定的 Y0值,βf随 X 坐标值变化而变化。下面以Y0=-16.8mm,进给速度 F=3000mm/min 为例来说明数据处理过程:
1、由数控加工原程序可知 Y0=-16.8mm 时,刀具路径沿 X 轴的行程范围是+79.793mm~-79.488mm;
2、由式(5-6)计算当βf=00,50,150,250,350,450时对应的 Xi值;
3、由 X=T*F,计算切削行程为 Xi值时所对应的切削时间 Ti
4、由测力仪采集的切削力波形图查得切削时间为 Ti时的各切削分力值;

实验数据见表 5-1:
表 5-1 实验数据表

20211202084655.png

5.3.4 刀具倾角对切削力的影响

刀具倾角对切削力的影响实验结果见图 5-10。

20211202084741.png

20211202084758.png

20211202084820.png

图 5-10 刀具倾角对切削力的影响
Figure5-10 The influrence of the inclination angle to cutting force

由式(5-4)(5-5)可知:当切削过程中刀具轴线的方向保持不变时,随着加工表面曲率的增大,刀具轴线相对于进给方向倾斜的角度βf 也随之增大。

3.4.3 节已分析了曲率和切削力的关系:曲率增大,切削力减小,因而可以推知:随着刀具轴线相对于进给方向倾斜的角度βf 的增大,切削力应该是减小的,实验结果(见图 5-10)验证了这一观点。

由图 5-10 可知随着刀具倾角的增大,切削力变化的趋势是减小。在实验过程中从切削力波形图也可直观的看到铣削椭球顶部(即倾角βf 接近零)时,切削力出现较大波动,数值增大;而在铣削椭球两端时切削力平稳。
当倾角βf达到 15°左右之后,随着倾角的增大,切削力的减小不再明显,这是由于工艺系统振动的影响。

5.4 考虑刀具倾角影响的编程策略

研究刀具轴线与工件加工表面之间的加工倾斜角度对表面粗糙度和切削力的影响对于编制多轴数控加工程序有重要的指导意义。
1.通过计算有效刀具直径 deff可以得到适应加工表面斜率变化的合理切削速度。
2.加工比较平坦的表面时,可以通过 CAM 软件设置球头铣刀相对于进给垂直方向倾斜一定角度,以改善切削条件,提高加工表面质量。
3.从减小切削力的角度考虑,可以调整球头铣刀相对于进给方向前后倾斜一定角度。

5.5 本章小结

本章对球头铣刀刀具轴线和工件加工表面之间的倾角进行了理论研究,提出了调整刀具和工件之间的加工倾角有效改善切削条件的策略;建立了加工曲面时刀具倾角的数学模型以及加工曲面曲率和刀具倾角之间确定的函数关系;
并通过实验研究了高速铣削铝合金时刀具倾角对表面粗糙度和切削力的影响规律, 结论如下:
1.实验结果表明:选用直径为Φ16mm 的两齿硬质合金球头铣刀,刀具轴线相对于进给垂直方向倾斜的角度βn=15°时,表面质量最好。
2.刀具轴线和工件表面间的倾角和加工表面的曲率密切相关,当切削过程中刀具轴线的方向保持不变时,随着加工表面曲率的增大,刀具轴线相对于进给方向倾斜的角度βf也随之增大。
3.实验数据表明:随着刀具轴线相对于进给方向倾斜的角度βf的增大,切削力变化的趋势是减小;但当倾角βf达到 15°左右之后,随着倾角的增大,切削力的减小不再明显。
4.编制多轴数控加工程序时可以通过设置合理的刀具倾斜角度来改善切削条件,提高加工表面质量。

结论

高速切削加工作为先进制造技术的重要基础技术,在美、德、法、英、日本、瑞士等工业发达国家得到了广泛的应用,已成为提高加工效率和加工质量、降低成本的主要途径。目前,虽然我国尚未开发出自主产权的高速切削加工设备,但模具、汽车、航空航天等行业在激烈的市场竞争中已引进了相当数量的高速切削设备,急需稳定可靠的技术指导,以解决生产中主轴转速偏低,切削用量及刀具选择欠优化,机床利用率低,生产成本高等问题。本文在分析国内外高速切削技术研究与应用的基础上,对铝合金高速铣削机理及加工技术进行了研究,取得的成果和结论如下:
1.研究了铣削参数对高速铣削铝合金表面粗糙度的影响。试验研究表明: 球头铣刀半径和行距是影响铣削表面粗糙度的主要因素,当加工表面要求表面粗糙度均匀一致时,行距的选择应与每齿进给量相适应;在切削速度达到铝合金铣削的高速区后,切削速度的改变对表面粗糙度的影响不大;每齿进给量 fz在 0.03~0.08mm 时,其变化对表面粗糙度 Ra 影响不大,当 fz 大于 0.08mm 后,随着每齿进给量 fz 增大,表面粗糙度 Ra 变化趋势也是增大的; 随着刀具切削时间的增长,总切削长度增加, 行距方向表面粗糙度 Ra 平均值逐渐增大,而进给方向表面粗糙度 Ra 的平均值变化不大,这对于加工曲面刀具路径选择具有一定的指导意义。
2.在已有研究的基础上采用微元法对球头铣刀加工的切削力进行了分析,建立了球头铣刀加工曲面时的切削力数学模型;研究了高速铣削铝合金时进给量以及曲面曲率对切削力的影响。研究表明:每齿进给量 fz 增大,会使切削层的切削厚度增加,切削面积增大,从而导致切削力增大;而随着加工曲面曲率 的增大,切削力在不断减小。
3.研究了高速切削对刀具路径的要求以及高速切削的编程策略,以切削力波动控制为目标对刀具路径进行了优选。研究表明:为使切削力波动最小,应针对加工表面形状特征选择沿加工曲面行距均匀的刀具路径;加工曲面时为使切削力最小,应选取曲面曲率最大的方向作为刀具运动轨迹方向;在优选刀具运动轨迹时,为减小切削力的波动,应选择曲面曲率变化最小的方向作为刀具运动轨迹方向。
4.对球头铣刀刀具轴线和工件加工表面之间的加工倾角进行了理论研究,提出了调整刀具和工件之间的加工倾角有效改善切削条件的策略;建立了加工曲面时刀具倾角的数学模型以及加工曲面曲率和刀具倾角之间确定的函数关系;并通过实验研究了高速铣削铝合金时刀具倾角对表面粗糙度和切削力的影响规律。 研究表明:随着刀具轴线相对于进给方向倾斜的角度βf的增大,切削力变化的趋势是减小;当倾角βf达到 15°左右之后,随着倾角的增大,切削力的减小不再明显;当刀具轴线相对于进给垂直方向倾斜的角度βn=15°时,表面质量最好;编制多轴数控加工程序时可以通过设置合理的刀具倾斜角度来改善切削条件,提高加工表面质量。

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