立铣刀螺旋槽磨削力变化及其影响分析研究

摘要

螺旋槽是立铣刀结构的重要组成部分，对立铣刀的强度、刚度、几何参数以及使用寿命有重要影响。螺旋槽磨削过程中产生的磨削力会导致铣刀产生变形，从而影响高精度立铣刀的制造。本文在分析国内外相关现状基础上，综合运用微分几何学、磨削原理、材料力学等知识，理论分析和ANSYS Workbench仿真分析相结合，开展立铣刀螺旋槽磨削过程中的磨削力变化及其影响研究，对于高精度立铣刀的制造具有较强的现实意义。
　　首先，利用包络原理建立了立铣刀螺旋槽磨削的接触线方程、立铣刀螺旋槽轴向截形数学模型以及立铣刀周前角、芯厚、刃瓣宽的数学模型。采用参数微段划分方法对接触线进行等弦长微段划分，将立铣刀螺旋槽磨削过程中所受到的曲面磨削力等效为若干个平面磨削力，进行叠加得到了立铣刀螺旋槽磨削力模型，并将计算得到的磨削安装参数带入磨削力模型，得到主磨削力和切深抗力模型的计算数据。
　　其次，建立了立铣刀螺旋槽磨削过程中的磨削力矩模型，计算得到了砂轮坐标原点和铣刀坐标原点的磨削力矩模型的计算数据，将计算得到的砂轮坐标系中ZG轴上的分力矩（主轴产生的扭矩）与WALTER五轴数控工具磨床实验结果对比，结果证明力矩模型的计算数据与实验结果良好吻合，验证了磨削力的力矩模型。分析了微段划分个数、砂轮主轴转速、铣刀转速对磨削力矩变化的影响，结果显示微段划分个数对螺旋槽磨削力矩影响较小，而主轴转速的增大使得磨削力矩线性减小，铣刀转速的增大使得磨削力矩线性增大。
　　再次，根据材料力学理论知识，计算由于磨削力矩引起的立铣刀的弯曲、扭转和压缩变形，将其结果与ANSYS Workbench仿真分析结果比较，发现立铣刀理论计算的变形结果与仿真分析的结果吻合。进一步分析变形引起的立铣刀周前角、芯厚和刃瓣宽的变化，结果显示变形使立铣刀周前角减小、芯厚增大、刃瓣宽增大。研究发现铣刀磨削过程中产生了质量偏心，因而还研究了高速切削时质量偏心产生的离心力对立铣刀弯曲变形和动平衡质量等级的影响，并分析了螺旋槽均布磨槽修正时产生的质心偏距。
　　最后，立铣刀磨制过程必须不断进行砂轮修整，开展了砂轮修整对立铣刀磨削力和几何角度的影响研究。在研究的砂轮修整深度范围内，与砂轮未修整时相比，出现前角保持不变，芯厚增大和刃瓣宽增大的现象；随着砂轮大端面尺寸的减小，立铣刀磨削过程中的磨削力、磨削力矩线性减小，立铣刀的弯曲、扭转、挤压变形也线性减小。
　　本文较为详细地分析了立铣刀螺旋槽磨制磨削力和力矩变化及其影响，从研究结果来看，磨削力对刀具变形和几何参数的影响对于普通立铣刀制造而言是可以忽略的，但对于高速高精度刀具螺旋槽的制造不容忽视，因此本文的研究成果对于高精度立铣刀刀具制造和高速旋转类刀具螺旋槽的磨制具有重要的参考价值。

目录

第1章 绪论

1.1 立铣刀螺旋槽成形及其磨削的研究现状

1.2 刀具磨削力的国内外研究现状

1.3 高精度刀具制造国内外研究现状

1.4 本课题提出的背景、研究内容及意义

第2章 立铣刀螺旋槽磨削力计算研究

2.1 立铣刀螺旋槽磨削接触线方程

2.2 立铣刀螺旋槽端截形参数方程

2.3 立铣刀的几何参数数学模型

2.4 立铣刀螺旋槽接触线的微段划分计算

2.5 立铣刀螺旋槽磨削力计算

2.6 本章小结

第3章 立铣刀螺旋槽磨削力矩研究

3.1 立铣刀螺旋槽的磨削力矩

3.2 磨削参数对力矩的影响研究

3.3 本章小结

第4章 磨削力变化对立铣刀几何参数及平衡质量的影响研究

4.1 磨削力对立铣刀变形的影响研究

4.2 变形对铣刀几何参数的影响研究

4.3 变形对立铣刀高速切削平衡质量的影响研究

4.4 本章小结

第5章 砂轮修整对铣刀几何参数的影响研究

5.1 砂轮修整后立铣刀的磨削力矩

5.2 砂轮修整时立铣刀的磨削力变形

5.3 砂轮修整时立铣刀的几何参数

5.4 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录：在校期间公开发表的学术论文与研究成果

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