高速铣刀多齿不均匀切削行为的补偿方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及高速锐刀切削行为的补偿方法，具体设及高速锐刀多齿不均匀切削行 为的补偿方法，属于高速锐刀设计技术领域。
【背景技术】
[0002] 高速锐刀锐削时，一方面要求W极大的金属去除率来减少占机时间，另一方面要 求低切削振动和高加工表面质量。为此，锐刀普遍采用不等齿距的刀齿分布，通过分散切削 振动的能量，W改善高速锐削加工表面质量。上述方法可有效抑制切削力振动，但刀齿的不 等齿距分布同时会使锐刀产生不均匀切削，破坏高速锐削加工表面的均匀性，高速锐削加 工表面质量无法得到可靠的保障。
[0003] 高速锐刀多齿不均匀切削是锐刀振动和刀齿误差等因素综合作用的结果，刀齿不 等齿距分布存在多种设计方案，并不是每种设计方案均能有效解决多齿不均匀切削问题， 刀齿分布在设计上的随机性和多样性，使其在控制刀齿切削行为上缺乏依据。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是为了解决现有的高速多齿锐刀因切削不均引起加工表面质量下 降的问题。
[0005] 本发明的技术方案是；高速锐刀多齿不均匀切削行为的补偿方法，包括W下步 骤：
[0006] 步骤一；建立高速锐刀在锐刀振动和刀齿误差影响下的切削行为模型；
[0007] 步骤二：对高速锐刀切削行为进行识别，对高速锐刀的齿距、锐刀转速和锐刀的震 动主频进行调整，进行初次补偿；
[000引步骤对步骤二所述高速锐刀进行二次识别，对多齿不均匀切削行为进行二次 补偿；
[0009] 步骤四：对补偿效果进行验证。
[0010] 所述步骤一建立切削行为模型的步骤为：
[0011] 构建锐刀刀齿切削坐标系，W机床上的指定点为坐标系原点，W高速锐刀锐削宽 度方向为X轴，W锐刀进给方向为y轴，W锐刀的锐削深度方向为Z轴；
[001引建立高速锐刀上任意一个刀齿的锐削宽度每齿进给量fd和锐削深度api的模 型：
[0016] 式中，0 1为高速锐刀的相邻刀齿的间距，?'为相邻两齿间径向误差沿X方 向的误差分量，Af为相邻两齿间径向误差沿y方向的误差分量，A,z为相邻两齿的轴 向误差，年:,(0、岑,(/)、半,(/)分别为第i个刀齿切削时锐刀沿X、y、Z方向振动振幅， 每,_;价、聲一的和年,w价分别为第i-1个刀齿切削时锐刀沿x、y、z方向振动振幅，n为高 速锐刀转速，a。为锐削宽度，V f为进给速度，a P为锐削深度。现有技术采用单因素控制变量 法，针对影响加工表面形貌显著的高速锐刀整体切削行为特征进行研究和建模，相比之下， 本发明考虑多特征量之间交互作用对锐刀各个刀齿切削行为的影响，能够有效抑制刀齿的 不均切削行为。
[0017] 步骤二所述对高速锐刀进行切削行为的识别过程包括：
[0018] 利用步骤一所述的高速锐刀振动、刀齿误差和刀齿切削行为模型的参数，构建第i 个刀齿加工表面残留波峰高度Hi和加工表面相邻残留波峰之间间距A L i模型；
[0019] 建立高速锐刀加工表面残留波峰在高度上分布不均匀度化和高速锐刀加工表面 残留波峰波在峰间距的分布上不均匀度Uh的解算模型：
[0020] 利用高速锐刀相邻刀齿的加工表面残留波峰高度和残留波峰间距的差别及波峰 分布不均匀度，进行高速锐刀刀齿不均匀切削行为显著性判别；利用锐刀相邻刀齿的每齿 进给量fd、fd_i，刀齿锐削深度api、apH，和刀齿的锐削宽度a。;、的差别，识别高速锐刀 刀齿不均匀切削行为类型。
[0021] 所述第i个刀齿加工表面残留波峰高度&和加工表面相邻残留波峰之间间距ALi 模型为；
[0024] 式中，K 为第i-1个刀齿的副偏角，K ri为第i个刀齿的主偏角；
[0025] 高速锐刀加工表面残留波峰在高度上分布不均匀度化和高速锐刀加工表面残留 波峰波在峰间距的分布上不均匀度Uh的解算模型为：
[002引式中，M为加工表面检测长度范围内残留波峰数量，A LmJ%残留波峰间距最大 值，A Lmi。为残留波峰间距最小值，为残留波峰高度最大值，Hmi。为残留波峰高度最小值。
[0029] 步骤二所述初次补偿调整高速锐刀齿距、锐刀转速和锐刀振动主频的数值，使其 满足：
[0030]
[0031] 式中，0为相邻刀齿i和i-1间的齿距，Ni，N2和Ns为整数，n为锐刀转速，F,，Fy 和F,分别为锐刀沿锐削宽度方向、进给方向和锐削深度方向振动主频。
[0032] 所述步骤S具体包括：
[0033] 对步骤二所述已经进行初次补偿的高速锐刀进行二次识别，二次识别的过程与步 骤二所述的识别过程相同；
[0034] 通过调整相邻两齿间径向误差沿X方向的误差分量相邻两齿间径向误差沿y 方向的误差分量A巧日相邻两齿的轴向误差Af，使相邻两齿的锐削宽度差值A a。,、每齿给进 量差值A fd和锐削深度差值A a W分别满足：
[003引 Aaei《Aaemax
[0036]
[0037] Aapi《Aapmax
[003引所述A aei = a ei-aeH，A fzi = f zi-fzi-1，A api = a pi-apH，式中 A aema为加工表面 形貌允许的刀齿锐削宽度不均性最大值，A 加工表面形貌允许的刀齿每齿进给量不 均性最大值，A apm"为加工表面形貌允许的刀齿锐削深度不均性最大值。
[0039] 本发明与现有技术相比具有W下效果；本项发明提供一种高速锐刀多齿不均匀切 削行为的补偿设计方法及锐刀；该方法利用振动与刀齿误差影响下的刀齿每齿进给量、锐 削深度、锐削宽度解算模型，揭示出锐刀振动和误差对刀齿切削行为的影响，实现了锐刀多 齿切削行为的定量描述；利用高速锐刀切削实验，获得高速锐刀切削过程中沿锐削宽度方 向、进给方向和锐削深度方向振动的时域和频域特征；采用高速锐削加工表面形貌仿真方 法，揭示出锐刀振动影响下刀齿切削行为与加工表面形貌关系；利用高速锐刀加工表面残 留波峰高度及其间距的变化，识别出高速锐刀刀齿不均匀切削行为类型；提出一种高速锐 刀多齿不均匀切削行为的齿距补偿设计方法，并针对该方法的不足，提出了锐刀多齿不均 匀切削行为的二次补偿设计方法，利用本发明的方法可W设计出可改善刀齿不均匀切削状 态，减小加工表面粗趟度和加工表面形貌不均匀度的高速锐刀；有效的解决了锐刀振动和 刀齿误差影响下，高速锐刀多齿不均匀切削导致的加工表面质量下降问题。
【附图说明】
[0040] 图1，本发明的流程图；
[0041] 图2,本发明在yoz平面内锐刀刀齿的切削行为示意图；
[0042] 图3,本发明在xoy平面内锐刀刀齿的切削行为不意图；
[0043] 图4,本发明高速锐刀切削45钢加工表面形貌示意图；
[0044] 图5,锐削宽度方向的加工表面形貌仿真结果图；
[0045] 图6,进给方向的加工表面形貌仿真结果图；
[0046] 图7、锐削深度方向的加工表面形貌仿真结果图；
[0047] 图8,高速锐刀多齿不均匀切削行为的识别方法流程图；
[0048] 图9,高速锐刀齿距和刀齿误差补偿方法流程图；
[0049] 图10,直径63mm四齿不等齿距锐刀的齿距分布及刀齿径向尺寸示意图；
[0050] 图11，直径63mm四齿不等齿距锐刀刀齿的轴向尺寸示意图；
[0化1] 图12,锐削宽度方向的锐刀振动，a为补偿设计前高速锐刀振动，b为补偿设计后 高速锐刀振动；
[0化2] 图13,锐刀进给方向的锐刀振动，a为补偿设计前高速锐刀振动，b为补偿设计后 高速锐刀振动；
[0053] 图14,锐削深度方向的锐刀振动，a为补偿设计前高速锐刀振动，b为补偿设计后 高速锐刀振动；
[0054] 图15,补偿设计前高速锐刀的加工表面形貌示意图；
[0化5] 图16,补偿设计后高速锐刀的加工表面形貌示意图。
【具体实施方式】
[0056] 结合【附图说明】本发明的【具体实施方式】，本发明的本发明的技术方案是；高速锐刀 多齿不均匀切削行为的补偿方法，包括W下步骤：
[0化7] 步骤一、建立高速锐刀在锐刀振动和刀齿误差影响下的切削行为模型，具体为：
[005引构建锐刀刀齿切削坐标系，W机床上的指定点为坐标系原点，W高速锐刀锐削宽 度方向为X轴，W锐刀进给方向为y轴，W锐刀的锐削深度方向为Z轴；
[0059] 在该坐标系中建立高速锐刀振动和刀齿误差影响下的刀齿切削模型，如图2和图 3所示；
[0060] 通过坐标系内的刀齿切削模型建立高速锐刀上任意一个刀齿的锐削宽度每齿 进给量fd和锐削深度a W的模型：
[0064]式中，01为高速锐刀的相邻刀齿的间距，为相邻两齿间径向误差沿X方向的 误差分量，Af为相邻两齿间径向误差沿y方向的误差分量，Af为相邻两齿的轴向误差，两 相邻刀齿i和i-1间的误差W前一个刀齿i-1为基准进行度量；聲，价、聲的和半,的分别 为第i个刀齿切削时锐刀沿x、y、z方向振动振幅，年,_爪、聲_爪和年爪分别为第i-1 个刀齿切削时锐刀沿X、y、Z方向振动振幅，n为高速锐刀转速，a。为锐削宽度，V f为进给速 度，a。为锐削深度。
[0065] 步骤二：对高速锐刀切削行为进行识别，对高效锐刀的齿距、锐刀转速和锐刀的振 动主频进行调整，进行初次补偿，具体包括：
[0066] 1、采用直径63mm四齿等齿距分布的高速锐刀，在转速101 Irpm、进给速度323mm/ min、锐削深度0. 3mm、锐削宽度40mm条件下进行切削45钢实验，获得高速锐刀切削过程中 沿锐削宽度方向、进给方向和锐削深度方向振动的时域和频域特征参数如表1所示，获得 的加工表面形貌实验结果如图4所示；
[0067] 表1高速锐刀振动特征参数
[0068]
[0070] 2、利用表1中高速锐刀切削过程中沿锐削宽度方向、进给方向和锐削深度方向振 动的时域和频域测试结果，采用Matlab求解第i个刀齿和与之相邻的下一个刀齿i+1切削 时锐刀沿x、y、z方向振动振幅方程每的、屯的、车(0和年W的、聲W价、半
[0071] 3、分别求解直径63mm锐刀四个刀齿的切削行为，进行高速锐削加工表面形貌仿 真，揭示出锐刀振动影响下刀齿切削行为与加工表面形貌关系，如图5、图6和图7所示；
[0072] 4、由图5、图6和图7,锐刀振动频率与刀齿切削频率不一致所引起的锐刀多齿不 均匀切削，使加工表面形貌及其分布发生明显改变，相邻两刀齿形成的加工表面残留高度 及其间距对锐刀多齿不均匀切削具有显著的响应特性；
[0073] 5、利用步骤一所述的高速锐刀振动、刀齿误差和刀齿切削行为模型的参数，构建 第i个刀齿加工表面残留波峰高度&和加工表面相邻残留波峰之间间距ALi模型；
[0076] 式中，