一种抑制刀齿受迫振动磨损不均匀性的高速铣刀设计方法
【专利摘要】一种抑制刀齿受迫振动磨损不均匀性的高速铣刀设计方法，属于刀具【技术领域】。本发明具体利用高速面铣刀受迫振动与刀齿磨损行为的关联特性，给出铣刀受迫振动磨损行为识别方法；建立铣刀多齿受迫振动磨损模型，提出铣刀受迫振动磨损及不均匀磨损的预报与评判方；提出铣刀不均匀磨损的控制方法和铣刀设计方法，解决铣刀多齿磨损位置、磨损面积、磨损深度控制变量的设计冲突问题，设计出可有效抑制高速切削45号钢刀齿受迫振动磨损不均匀性的直径63mmm铣刀。本发明用于铣刀设计中。
【专利说明】一种抑制刀齿受迫振动磨损不均匀性的高速钱刀设计方法
【技术领域】
[0001]本发明提出一种抑制刀齿受迫振动磨损不均匀性的高速铣刀设计方法，具体利用高速面铣刀受迫振动与刀齿磨损行为的关联特性，给出铣刀受迫振动磨损行为识别方法；建立铣刀多齿受迫振动磨损模型，提出铣刀受迫振动磨损及不均匀磨损的预报与评判方；提出铣刀不均匀磨损的控制方法和铣刀设计方法，解决铣刀多齿磨损位置、磨损面积、磨损深度控制变量的设计冲突问题，设计出可有效抑制高速切削45号钢刀齿受迫振动磨损不均勻性的直径63mmm统刀。
【背景技术】
[0002]铣刀切削过程中，刀具磨损是影响切削过程的重要因素之一。实际加工中，刀具磨损剧烈、刀具振动明显、已加工表面质量不高、刀具破损严重、刀具使用效率与使用寿命下降等问题比较普遍。这严重增加了铣刀失效的不确定性，并制约了铣刀的安全性以及高效铣削在重要零部件加工等领域中的应用。
[0003]与普通铣削不同，高效铣削采用的切削参数一般比较大，而由此带来的后果是刀具磨损迅速，甚至容易出现微崩刃、破损的情况。对工人的安全与加工效率的提高都有很大影响。同时铣刀安全性下降还会导致刀具系统产生变形，引起切削载荷的变化，对加工质量、刀具寿命和机床精度产生直接影响。
[0004]受工件硬度影响，提高切削效率极易弓I起切削过程中的冲击与振动增大，导致铣刀磨损加剧。高速切削过程中刀具磨损行为是多因素综合作用的结果。在此条件下，进行大型曲面高速、高效切削加工，其后果是铣刀超期服役，安全可靠性迅速下降，不仅无法保证加工精度和加工表面质量，而且直接导致铣刀失效，引发多种安全性问题，已有研究表明，伴随高速、激烈摩擦而产生的刀具磨损，其形态及形成机理不仅与摩擦副化学、物理、机械性能相关，而且与振动引起的摩擦副变化密切相关。
[0005]根据对“CXK5463水室封头专用数控龙门移动式车铣加工中心”进行详细的调研之后，发现刀具的摩擦磨损会很大程度上导致加工出来的表面不理想，尤其是铣刀在切削过程中产生的振动会严重影响加工出来的表面，甚至振纹明显，根本达不到加工要求，或者导致机床使用过程中精度下降等众多问题，并且现场刀具磨损剧烈、停刀换刀情况突出，有的刀具甚至在磨损情况并非很严重的时候就发生了崩刃等情况。严重耽误了加工周期，制约了铣刀的使用效率与使用寿命。
[0006]目前，国内有关刀具摩擦磨损的研究主要集中在对材料，切削用量等因素上面。而本发明考虑面铣刀在切削金属材料时，由于受到切削力与离心力的影响，产生受迫振动；首先通过实验分析铣刀振动行为对铣刀磨损行为及铣刀磨损不均匀行为的两种影响机制，从控制振动行为入手，针对单个刀齿的磨损问题与铣刀磨损不均匀性问题进行有效的控制，而不是以减小切削用量、降低切削效率为代价来延长刀具寿命。
[0007]目前研究刀具的摩擦磨损问题，大多数研究人员只是从切削实验法以及有限元分析法来研究，而对于振动作用下的磨损及磨损不均匀性研究十分少。并没有考虑到应力、振动对刀具磨损的影响。因此，从振动的角度出发去研究铣刀的磨损问题，以控制铣刀磨损、提高加工效率、延长铣刀使用寿命是十分有意义的。
【发明内容】
[0008]本发明针对面铣刀刀齿磨损与面铣刀整体磨损不均匀性为解决目标，提供一种抑制刀齿受迫振动磨损不均匀性的高速铣刀设计方法。
[0009]本发明为了解决上述技术问题所采取的技术方案是:
[0010]本发明所述一种抑制刀齿受迫振动磨损不均匀性的高速铣刀设计方法:
[0011]步骤一、依据铣刀受迫振动磨损实验的测试结果，对铣刀受迫振动行为与铣刀磨损行为进行关联分析，获得了铣刀受迫振动行为与铣刀磨损行为的关联特性；分析了面铣刀具铣削金属材料时的刀具磨损行为；对比不同参数下面铣刀铣削加工不同材料的切削特性，对面铣刀具磨损的影响；提出了铣刀受迫振动磨损的识别方法；
[0012]步骤二、依据振动学理论，分析了铣刀在铣削过程中的振动行为，并进行了参数化表征；分析了面铣刀铣削金属材料时几种主要的磨损形态的特征，以及各磨损形态发生的位置，并对面铣刀的磨损形态进行参数化表征；阐明了三种铣刀受迫振动行为对铣刀单齿磨损行为的影响机制；分析受迫振动行为对铣刀磨损行为的影响；基于面铣刀切削加工过程中的磨损、破损理论，分析切削过程中切削速度、刀具振动以及切削力等对铣刀磨损的影响，揭示出三种铣刀受迫振动对铣刀磨损不均匀性的影响机制；建立铣刀多齿受迫振动磨损模型，提出铣刀受迫振动磨损及不均匀磨损的预报与评判方法，判别摩擦副性质、类别；
[0013]步骤三、依据上述六种影响机制，不同的机制控制方法不同，提出了铣刀受迫振动磨损不均匀性的控制方法，揭示出铣刀受迫振动行为对铣刀磨损行为的影响，实现对面铣刀受迫振动磨损的有效控制；
[0014]步骤四、根据铣刀模态分析与振动磨损实验结果，验证铣刀控制方法的准确性，解决控制方法中的变量冲突问题，解决控制回路，采用该控制方法，通过刀具参数、切削参数的设计，提出铣刀的设计方法，采用实验的方式验证设计方法的可行性、准确性。
[0015]优选的:铣刀受迫振动磨损的识别方法
[0016]铣刀的受迫振动会导致铣刀刀齿产生受迫振动磨损，包括铣刀受迫振动对铣刀刀齿磨损性质(是前刀面磨损或后刀面磨损或切削刃磨损)、磨损位置P (即磨损最大深度位置)、磨损程度(即磨损宽度b与磨损深度h)的影响。铣刀受迫振动引起铣刀多个刀齿发生不均匀磨损行为，包括三种铣刀不均匀磨损形成机制:铣刀各齿磨损性质不同、磨损位置不均匀、磨损程度不均匀。
[0017]为具体直观的研究和表征铣刀的受迫振动磨损，本文采用实验的方式对铣刀在工艺系统受迫振动下的磨损进行测量。实验设备采用是大连VDL-1000E机床，对63mm直径4齿等齿距F2033.022.040.063铣刀，在切削45号钢材料的工件过程中刀具振动采用东华测系统和PCB振动加速度传感器进行测量，刀具磨损的测试仪器为KEYENCE-VHX600型超景深显微镜。为了解受迫振动与刀具磨损之间的相互关系，利用灰色系统理论建模软件，铣削参数为:铣刀每齿进给量fz=0.08?0.15mm/z，切削线速度ve=435?614m/min，切深ap=0.3?0.5mm，对以上参数下的刀具振动与磨损进行灰色关联分析。前、后刀具的磨损宽度不均匀度与铣刀振动幅度关系密切，前、后刀面磨损深度不均匀度与铣刀振动频率关系密切，这是由于刀具与工件振动均呈现周期性，当铣刀振动频率与铣刀刀齿的轮换切削频率不同时，铣刀每个刀齿在切削时铣刀的振幅均不同，导致铣刀的受迫振动磨损为不均匀磨损。
[0018]利用面铣刀受迫振动与刀齿磨损及磨损不均匀性的关联特性，形成铣刀受迫振动行为对铣刀磨损行为的具体关系映射，能识别出铣刀受迫振动行为参数、铣刀磨损行为参数、铣刀不均匀磨损的行为参数；铣刀受迫振动行为对铣刀刀齿磨损行为的三种影响关系；铣刀受迫振动行为对铣刀不均匀磨损行为的三种影响关系；铣刀单齿磨损行为及铣刀不均匀磨损行为的受迫振动控制变量。获得了铣刀受迫振动行为对磨损行为的具体关系映射，能够通过对振动行为的观测，实现在铣削过程中对面铣刀磨损行为的识别。
[0019]优选的:铣刀多齿受迫振动磨损预报方法
[0020]完整高速铣削振动信号的描述，从动力学行为的三个方向分别表征:行距方向动力学行为；进给方向动力学行为；轴向方向动力学行为。包括三个方向振动主频大小及振动主频对应的振幅。
[0021]铣刀整体受迫振动会改变铣刀刀尖位置发生变化，同时改变了刀齿与工件的接触关系、刀具的实际切削角度、切削层参数，为研究铣刀受迫振动与刀齿位置关系对刀齿磨损的影响，以刀齿中心孔圆圆心为坐标原点、进给方向为X轴、行距方向为Y轴、主轴方向为Z轴建立笛卡尔直角坐标系。铣刀在某一时刻刀齿i参与切削，此时铣刀振动位移为Sisa，相当于铣刀摆动至虚线位置，刀齿i在该时刻刀尖位置由Ji到J’ i。若刀体螺纹孔半径为r螺，刀尖距刀体螺纹孔圆心距离为，刀片i的加工误差为Λ Ii，刀片在该刀具上的装配误差为Δ 2i,则振动前刀尖位置Ji坐标为:
[0022]
【权利要求】
1.一种抑制刀齿受迫振动磨损不均匀性的高速铣刀设计方法，其特征在于，所述铣刀设计方法的具体步骤为: 步骤一、依据铣刀受迫振动磨损实验的测试结果，对铣刀受迫振动行为与铣刀磨损行为进行关联分析，获得了铣刀受迫振动行为与铣刀磨损行为的关联特性；分析了面铣刀具铣削金属材料时的刀具磨损行为；对比不同参数下面铣刀铣削加工不同材料的切削特性，对面铣刀具磨损的影响；提出了铣刀受迫振动磨损的识别方法； 步骤二、依据振动学理论，分析了铣刀在铣削过程中的振动行为，并进行了参数化表征；分析了面铣刀铣削金属材料时几种主要的磨损形态的特征，以及各磨损形态发生的位置，并对面铣刀的磨损形态进行参数化表征；阐明了几种铣刀受迫振动行为对铣刀磨损行为的影响机制；分析受迫振动行为对铣刀磨损行为的影响；基于面铣刀切削加工过程中的磨损、破损理论，分析切削过程中切削速度、刀具振动以及切削力等对铣刀磨损的影响，揭示出铣刀受迫振动对铣刀磨损及磨损不均匀性的影响机制；建立铣刀多齿受迫振动磨损模型，提出铣刀受迫振动磨损及不均匀磨损的预报与评判方法，判别摩擦副性质、类别； 步骤三、依据上铣刀受迫振动对铣刀磨损及磨损不均匀性的影响机制，提出了铣刀受迫振动磨损不均匀性的控制方法，揭示出铣刀受迫振动行为对铣刀磨损行为的影响，实现对面铣刀受迫振动磨损的有效控制； 步骤四、根据铣刀模态分析与振动磨损实验结果，验证铣刀控制方法的准确性，解决控制方法中的变量冲突问题，解决控制回路，采用该控制方法，通过刀具参数、切削参数的设计，提出铣刀的设计方法，采用实验的方式验证设计方法的可行性、准确性。
2.根据权利要求1所述的一种抑制刀齿受迫振动磨损不均匀性的铣刀设计方法，其特征在于:铣刀受迫振动 磨损的识别方法 铣刀的受迫振动会导致铣刀刀齿产生受迫振动磨损，包括铣刀受迫振动对铣刀刀齿磨损性质(是前刀面磨损或后刀面磨损或切削刃磨损)、磨损位置P (即磨损最大深度位置)、磨损程度(即磨损宽度b与磨损深度h)的影响；铣刀受迫振动引起铣刀多个刀齿发生不均匀磨损行为，包括三种铣刀不均匀磨损形成机制:铣刀各齿磨损性质不同、磨损位置不均匀、磨损程度不均匀； 为具体直观的研究和表征铣刀的受迫振动磨损，本文采用实验的方式对铣刀在工艺系统受迫振动下的磨损进行测量；实验设备采用是大连VDL-1000E机床，对63mm直径4齿等齿距F2033.022.040.063铣刀，在切削45号钢材料的工件过程中刀具振动采用东华测系统和PCB振动加速度传感器进行测量，刀具磨损的测试仪器为KEYENCE-VHX600型超景深显微镜；为了解受迫振动与刀具磨损之间的相互关系，利用灰色系统理论建模软件，铣削参数为:统刀每齿进给量fz=0.08~0.15mm/z,切削线速度ve=435~614m/min,切深ap=0.3~.0.5mm，对以上参数下的刀具振动与磨损进行灰色关联分析；前、后刀具的磨损宽度不均匀度与铣刀振动幅度关系密切，前、后刀面磨损深度不均匀度与铣刀振动频率关系密切，这是由于刀具与工件振动均呈现周期性，当铣刀振动频率与铣刀刀齿的轮换切削频率不同时，铣刀每个刀齿在切削时铣刀的振幅均不同，导致铣刀的受迫振动磨损为不均匀磨损； 利用面铣刀受迫振动与刀齿磨损及磨损不均匀性的关联特性，形成铣刀受迫振动行为对铣刀磨损行为的具体关系映射，能识别出铣刀受迫振动行为参数、铣刀磨损行为参数、铣刀不均匀磨损的行为参数；铣刀受迫振动行为对铣刀刀齿磨损行为的三种影响关系；铣刀受迫振动行为对铣刀不均匀磨损行为的三种影响关系；铣刀单齿磨损行为及铣刀不均匀磨损行为的受迫振动控制变量；获得了铣刀受迫振动行为对磨损行为的具体关系映射，能够通过对振动行为的观测，实现在铣削过程中对面铣刀磨损行为的识别。
3.根据权利要求2所述的一种抑制刀齿受迫振动磨损不均匀性的高速铣刀设计方法，其特征在于:铣刀多齿受迫振动磨损预报方法； 完整高速铣削振动信号的描述，从动力学行为的三个方向分别表征:行距方向动力学行为；进给方向动力学行为；轴向方向动力学行为；包括三个方向振动主频大小及振动主频对应的振幅； 铣刀整体受迫振动会改变铣刀刀尖位置发生变化，同时改变了刀齿与工件的接触关系、刀具的实际切削角度、切削层参数，为研究铣刀受迫振动与刀齿位置关系对刀齿磨损的影响，以刀齿中心孔圆圆心为坐标原点、进给方向为X轴、行距方向为Y轴、主轴方向为Z轴建立笛卡尔直角坐标系；铣刀在某一时刻刀齿i参与切削，此时铣刀振动位移为Sisa，相当于铣刀摆动至虚线位置，刀齿i在该时刻刀尖位置由Ji到J’ i ;若刀体螺纹孔半径为r螺，刀尖距刀体螺纹孔圆心距离为I 刀片i的加工误差为Λ Ii,刀片在该刀具上的装配误差为Δ 2i，则振动前刀尖位置Ji坐标为:
4.根据权利要求3所述的一种抑制刀齿受迫振动磨损不均匀性的高速铣刀设计方法，其特征在于:铣刀多齿受迫振动磨损评判方法； 刀具磨损不均匀程度会导致切削稳定性变差，已加工表面质量发生变化，因此，对铣刀不均匀磨损进行评判是十分重要的；；从铣刀与工件的摩擦副入手，分析铣刀磨损性质、磨损面积、磨损程度，提出铣刀不均匀磨损的判据，明确调控目标； 首先，通过受迫振动磨损实验结果计算出:铣刀前刀面、后刀面、切削刃三处磨损的磨损位置不均匀度、磨损宽度不均匀度、磨损深度不均匀度，对比得到三种不均匀度最大值，艮P I (AD)max、b (AD)max、 h (AD)max均发生在哪个位置；铣刀与工件摩擦副间的接触应力关系为:
5.根据权利要求4所述的一种抑制刀齿受迫振动磨损不均匀性的铣刀设计方法，其特征在于:铣刀受迫振动不均匀磨损的控制方法 利用上述分析出的单因素对铣刀受迫振动磨损及磨损不均匀性的影响，控制单因素，实现对面铣刀受迫振动磨损及磨损不均匀性的控制；为刀具设计提供设计变量；由于铣刀存在相位角豹，i为刀卤代号从I到Z，铣刀每个刀齿的振幅不同，以第i个刀齿与工件接触时为基准，主轴转速为n，若基准刀齿振幅为Ai (t)，那么相邻的第i+Ι齿振幅为:
6.根据权利要求4所述的一种抑制刀齿受迫振动磨损不均匀性的铣刀设计方法，其特征在于:铣刀结构设计 首先，通过建立不同齿数的铣刀模型，通过有限元模态分析，研究其结构的振动特性，分析不同齿数对铣削振动的影响，为降低刀具振动、提高加工质量提供参考与依据，通过UG建立直径63mm、不同齿数的等齿铣刀实体模型，分别为4齿等齿距、4齿不等齿距铣刀；Ansys边界条件定义:刀具既不能在轴向和径向发生窜动或跳动，也不能有沿轴向和径向的转动，所以就必须限制刀柄的所有自由度，这就是刀具的约束条件；根据铣刀实际装夹情况，约束铣刀柄部轴向位移，柄部圆柱径向及切向位移，分析不受载荷时不同齿数铣刀I~6阶固有频率如表4所示； 表4不同齿数铣刀固有频率(单位:Hz)
7.根据权利要求6所述的一种抑制刀齿受迫振动磨损不均匀性的铣刀设计方法，其特征在于:对铣刀结构设计进行实验验证 为进一步验证上述分析结果，采用研制的四齿不等齿铣刀:直径为63mm，齿距分别为.88、89、91、92，与直径63mm四齿等齿面铣刀进行高速铣削45号钢实验，测试其振动特性:实验机床、工件、刀具及实验参数如表5所示: 表5验证实验参数
【文档编号】G06F17/50GK103761386SQ201410023811
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月20日 优先权日:2014年1月20日
【发明者】姜彬, 韩占龙, 陈强 申请人:哈尔滨理工大学