K为第i-1个刀齿的副偏角，Kri为第i个刀齿的主偏角；
[0077] 6、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：
[0080] 式中，M为加工表面检测长度范围内残留波峰数量，ALm"为残留波峰间距最大 值，ALmi。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。
[0081] 7、根据利用高速锐刀相邻刀齿的加工表面残留波峰高度Hi、&_1，残留波峰间距 ALi、ALy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、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，如图8所示；其中，为工件加工表 面形貌允许的残留波峰在高度上分布的不均匀度最大值，UHm"为工件加工表面形貌允许的 残留波峰间距上分布的不均匀度最大值。
[0082] 8、采用图8方法进行高速锐刀多齿切削行为识别，结果表明，锐刀振动频率与刀 齿切削频率不重合，引起相邻刀齿切削参数变化，是刀齿产生不均匀切削的重要原因之 *
[0083] 9、当锐刀振动频率与刀齿切削频率之间满足整数倍关系时，每个刀齿在相同切削 位置的振动主体波形基本一致，则锐刀振动引起的刀齿不均匀切削行为会大大减弱；据此， 通过调整高速锐刀齿距、锐刀转速和锐刀振动主频的数值，使其满足：
[0084]
(8)
[00财式中，0为高速锐刀的相邻刀齿的间距，Ni、N2和N巧整数，n为锐刀转速，Fx、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。
[0086] 步骤采用齿距补偿方法只能使刀齿切削频率与锐刀多种振动信号中的一种 存在整数倍关系，无法补偿存在多个主频的锐刀振动所引起的刀齿不均匀切削问题，为此， 首先依据齿距和转速调整后的锐刀振动测试结果，进行锐刀多齿不均匀切削行为的二次识 另IJ，二次识别的过程与步骤二所述的识别过程相同；
[0087] 通过具体加工表面形貌的仿真结果确定ALm"和的数值，进而得到加工表面 形貌允许的刀齿锐削宽度不均性最大值Aa。。。,、刀齿每齿进给量不均性最大值A 和刀 齿锐削深度不均性最大值Aapm"的数值，通过调整相邻两齿间径向误差沿X方向的误差分 量Af、相邻两齿间径向误差沿y方向的误差分量A;'和相邻两齿的轴向误差使相邻两齿 的锐削宽度差值A 每齿给进量差值Afd和锐削深度差值Aapi分别满足：
[00 能]Aaei《Aaemax(9)
[0089] (10)
[0090] Aapi《Aapmax山）
[00川所述Aaei=aei-aei-1，Afzi=fzi-fzi-1，Aapi=api-apH，通过调整后的数值计算 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数值，并验证是否满足：
[009引^《ULmax(。）
[009引巧(13)
[0094] 若满足上式，则所确定的相邻两齿间径向误差沿X方向的误差分量A;Y、相邻两齿 间径向误差沿y方向的误差分量Af和相邻两齿的轴向误差A巧勺数值满足要求，若不满足上 式，则需要重新进行二次补偿的过程。
[0095] 通过步骤一、步骤二和步骤=所述的高速锐刀齿距和刀齿误差补偿方法设计一种 直径63mm四齿不等齿距锐刀如图10和图11所示；
[0096] 该锐刀相邻刀齿间的齿距依次为97. 59°、92. 53。、87. 47。、82. 41。；与之对应 的四个刀齿的轴向尺寸依次为40. 785mm、40. 815mm、40. 815mm、40. 785mm，径向尺寸依次为 31. 507mm、31. 493mm、31. 507mm、31. 493mm ;
[0097] 步骤四；对补偿效果进行验证，具体为：
[009引 1、采用具有相同结构的两把高速锐刀，一把高速锐刀为齿距和刀齿误差补偿设计 前的锐刀，一把高速锐刀为齿距和刀齿误差补偿设计后的锐刀，如表2所示；
[0099] 表2实验用高速锐刀刀齿参数
[0100]
[0101]
[0102] 2、采用上述两把锐刀分别在锐刀转速1011巧m、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，获取两把高速锐刀沿锐削宽度方向、进给 方向和锐削深度方向振动数据和加工表面形貌数据，如图12至图16所示；
[0103] 实验结果表明，锐刀齿距的改变，虽然引起切削振动频域波形的变化，但是没有引 起锐刀振动主要性质的改变；采用图9方法进行补偿设计后，锐刀加工表面形貌的残留高 度由12. 76ym降为0. 461ym，加工表面残留波峰间距的不均匀度由7. 75%下降至0. 5%， 锐刀多齿不均匀切削行为补偿效果明显，高速锐刀的多齿切削行为一致性和高速锐削加工 表面质量得到明显提高。
[0104] 现有技术为了抑制高速锐刀振动，改善高速锐削加工表面质量，高速锐刀普遍采 用不等齿距的刀齿分布；针对不等齿距分布所产生的刀齿不均切削问题，则通过提高锐刀 刀齿安装精度，控制锐刀整体误差，W减小锐刀的多齿不均匀切削，该种方法不仅使锐刀制 造和调试难度成倍增加，而且解决问题程度有限，在高速锐刀实际加工中无法实现。
[0105] 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充分依据。
[0106] 本项发明针对高速锐刀多齿切削中存在的上述问题，通过高速锐刀多齿不均匀切 削行为表征，揭示出高速锐刀振动、刀齿误差对刀齿切削行为的影响机制，利用锐刀多齿切 削行为与加工表面形貌之间的关系，给出了高速锐刀多齿不均匀切削行为识别方法，提出 一种高速锐刀多齿不均匀切削行为的齿距和误差补偿设计方法，有效解决了锐刀齿距设计 上存在的分散切削振动能量与多齿不均匀切削的冲突问题，为研制不等齿距高速锐刀提供 了一种方法。
【主权项】
1. 高速铣刀多齿不均匀切削行为的补偿方法，其特征在于：包括以下步骤： 步骤一：建立高速铣刀在铣刀振动和刀齿误差影响下的切削行为模型； 步骤二：对高速铣刀切削行为进行识别，对齿距、转速和铣刀振动主频进行调整，进行 初次补偿； 步骤三：对步骤二所述高速铣刀进行二次识别，对多齿不均匀切削行为进行二次补 偿； 步骤四：对补偿效果进行验证。2. 根据权利要求1所述高速铣刀多齿不均匀切削行为的补偿方法，其特征在于：所述 步骤一建立切削行为模型的步骤为： 构建铣刀刀齿切削坐标系，以机床上的指定点为坐标系原点，以高速铣刀铣削宽度方 向为x轴，以铣刀进给方向为y轴，以铣刀的铣削深度方向为z轴； 建立高速铣刀上任意一个刀齿的铣削宽度aei、每齿进给量fzi和铣削深度api的模型：式中，9i为高速铣刀的相邻刀齿的齿距，￥为相邻两齿间径向误差沿x方向的误差 分量，为相邻两齿间径向误差沿y方向的误差分量，△丨为相邻两齿的轴向误差，名,(〇、 名(0和屯(0分别为第i个刀齿切削时铣刀沿x、y、z方向振动振幅，4U)、名」(〇和 本,.；(/)分别为第i-1个刀齿切削时铣刀沿x、y、z方向振动振幅，n为高速铣刀转速，\为 铣削宽度，vf为进给速度，ap为铣削深度。3. 根据权利要求1所述高速铣刀多齿不均匀切削行为的补偿方法，其特征在于：步骤 二所述对高速铣刀进行切削行为的识别过程包括： 利用步骤一所述的高速铣刀振动、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氏和加工表面相邻残留波峰之间间距ALi模型； 建立高速铣刀加工表面残留波峰在高度上分布不均匀度队和高速铣刀加工表面残留 波峰波在峰间距的分布上不均匀度UH的解算模型： 利用高速铣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，进行高速铣刀刀齿不均匀切削行为显著性判别；利用铣刀相邻刀齿的每齿进给 量fzi、fzi_i，刀齿铣削深度api、a#，和刀齿的铣削宽度aei、的差别，识别高速铣刀刀齿 不均匀切削行为类型。4. 根据权利要求3所述高速铣刀多齿不均匀切削行为的补偿方法，其特征在于：所述 第i个刀齿加工表面残留波峰高度氏和加工表面相邻残留波峰之间间距AL^莫型为；式中，K为第i_l个刀齿的副偏角，Kh为第i个刀齿的主偏角； 高速铣刀加工表面残留波峰在高度上分布不均匀度队和高速铣刀加工表面残留波峰 波在峰间距的分布h不询匀度U,,的解算模型为： 式中，M为加工表面检测长度范围内残留波峰数量，AL_为残留波峰间距最大值，ALmin为残留波峰间距最小值，为残留波峰高度最大值，Hmin为残留波峰高度最小值。5. 根据权利要求1所述高速铣刀多齿不均匀切削行为的补偿方法，其特征在于：步骤 二所述初次补偿过程为调整高速铣刀齿距、铣刀转速和铣刀振动主频的数值，使其满足：式中，K，队和N3为整数，n为铣刀转速，Fx，匕和Fz分别为铣刀沿铣削宽度方向、进给 方向和铣削深度方向振动主频。6. 根据权利要求1所述高速铣刀多齿不均匀切削行为的补偿方法，其特征在于：步骤 三具体包括： 对步骤二所述已经进行初次补偿的高速铣刀进行二次识别，二次识别的过程与步骤二 所述的识别过程相同； 二次补偿的过程包括：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Af和相邻两齿的轴向误差A〖，使相邻两齿的铣削宽度 差值Aaei、每齿给进量差值A4和铣削深度差值Aapi*别满足： Aaei ^Aaemax Afzi^Af Zfflax ^ a pmax 所述Aaei=aei-aeH，Afzi=fzi-fZH，Aapi=api-aPH，式中Aae为加工表面形貌 允许的刀齿铣削宽度不均性最大值，Afz_为加工表面形貌允许的刀齿每齿进给量不均性 最大值，Aap_为加工表面形貌允许的刀齿铣削深度不均性最大值。
【专利摘要】高速铣刀多齿不均匀切削行为的补偿方法，它涉及高速铣刀切削行为的补偿方法。本发明的目的是为了解决现有的高速多齿铣刀因切削不均引起加工表面质量下降的问题。本发明包括以下步骤：步骤一：建立高速铣刀在铣刀振动和刀齿误差影响下的切削行为模型；步骤二：对高速铣刀切削行为进行识别，对齿距和转速进行调整，进行初次补偿；步骤三：对步骤二高速铣刀进行二次识别，对多齿不均匀切削行为进行二次补偿；步骤四：对补偿效果进行验证。本发明解决了铣刀振动和刀齿误差影响下，高速铣刀多齿不均匀切削导致的加工表面质量下降问题。
【IPC分类】G05B19/404
【公开号】CN104950807
【申请号】CN201510345571
【发明人】姜彬, 姚贵生
【申请人】哈尔滨理工大学
【公开日】2015年9月30日
【申请日】2015年6月19日