一种基于切削稳定性的新型高速立铣刀研究

摘要

高速切削作为制造业中的一种重要共性基础技术，因其具有提高生产率和加工精度、降低切削力和能耗、简化工艺流程、缩短生产周期等优点，在航空航天、汽车、模具等行业中得到广泛的应用。然而，由于高速切削刀具技术性强，而国内高速切削刀具技术在刀具基体和涂层材料的研发、刀具制造工艺技术、刀具安全技术、刀具应用技术以及高速切削机理的基础共性研究等方面与国外存在较大差距，自主研发能力弱，导致我国高速切削刀具大部分依赖进口。本文以提高高速铣削稳定性为目标，通过理论研究、数值仿真以及试验研究等手段，对高速铣削过程中的动态切削力、切削颤振、铣削稳定性以及不等齿距动平衡进行深入研究，提出了新型不等齿距高速立铣刀结构设计的思路，所做的主要工作包括:
　　 (1)对高速铣削颤振机理与切削力进行了研究。研究高速铣削被加工表面颤振振纹，通过测量振纹间距以及分析切削力信号两种方法计算颤振频率，结果表明两者是一致的。根据该结论，基于加工表面轮廓为刀具切削刃运动形成的映射的原理，提出了一种用于研究高速铣削颤振的新方法，并设计了快速落刀实验装置。基于微刃瞬时刚性力模型，建立了高速铣削过程的静、动态切削力模型。
　　 (2)对等齿距与不等齿距立铣刀的切削稳定性进行了对比研究。根据切削力模型和动力学微分方程，求解出铣削稳定域的极限切深和极限转速，为绘制切削稳定性极限图提供理论支持。通过分析等齿距与不等齿距铣刀结构特点及铣削力频谱的差异，揭示不等齿距铣刀抑制颤振的本质原因是通过不等的齿间夹角，改变延时时间及颤振产生的条件，使振动频谱更加分散。通过仿真和试验手段，研究等齿距和不等齿距铣刀高速切削时的稳定性，以及齿距差角对不等齿距铣刀切削稳定性的影响规律，研究表明:增大齿距差角可以提高不等齿距铣刀的切削稳定域，有效抑制铣刀高频振动。
　　 (3)对不等齿距铣刀的动平衡进行了深入研究，揭示了刀具结构参数对其动不平衡的影响。基于动平衡的基本理论和铣刀容屑槽的几何特点，建立了不等齿距三刃高速立铣刀质量偏心和不平衡量的数学模型。在三维造型软件UG中建立铣刀对应的三维实体模型，计算出铣刀的质量偏心，并通过刀具动平衡测量仪测量铣刀的不平衡量。通过实验验证了质量偏心和不平衡量数学模型的可靠性。分析了新型高速立铣刀质量偏心和动不平衡的影响因素，研究发现:刀具刃长和螺旋角对质量偏心和动不平衡的影响最大，且其变化规律具有周期性。
　　 (4)从抗振性方面对等齿距与不等齿距铣刀切削性能进行了系统的对比试验研究。基于抗振和动平衡综合性能，提出了不等齿距高速立铣刀结构设计思路。针对铝合金高速铣削工况，以新型不等齿距高速立铣刀和普通高速立铣刀为对比刀具，开展切削力和切削振动对比试验研究。研究结果表明:当切削参数和不平衡量相同时，新型不等齿距高速立铣刀能够有效抑制切削振动，可提高刀具抗崩缺性能，特别是在小切深、大切宽高速铣削和薄壁件高速铣削两种工况下，其抗振性能更好。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

符号列表

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景及目的

1．2 高速切削机理及高速铣削刀具的研究现状

1．2．1 高速切削机理

1．2．2 刀具基体和涂层材料

1．2．3 铣刀结构设计

1．3 高速铣削稳定性的研究现状

1．3．1 颤振的产生机理

1．3．2 切削稳定性模型

1．3．3 切削颤振的抑制和控制

1．4 高速铣削刀具动平衡技术的研究现状

1．4．1 刀具系统动平衡影响因素

1．4．2 刀具动平衡方法

1．5 课题来源及主要研究内容

1．5．1 立铣刀高速切削稳定性及动平衡研究存在的主要问题

1．5．2 本课题的主要研究内容

第2章 高速铣削过程的颤振与切削力

2．1 高速铣削的定义及振动的分类

2．1．1 高速铣削的定义

2．1．2 振动的分类

2．2 颤振的产生机理

2．2．1 摩擦颤振

2．2．2 再生颤振

2．2．3 模态耦合颤振

2．3 高速铣削颤振实验研究新方法

2．3．1 切削振动的传统测量方法及其局限性

2．3．2 新型铣削快速落刀法的设计

2．3．3 铣削快速落刀法的可行性验证

2．3．4 铣削快速落刀法的应用研究

2．4 高速铣削过程切削力模型

2．4．1 静态切削力模型

2．4．2 动态切削力模型

2．4．3 动力学微分方程

2．5 本章小结

第3章 立铣刀高速铣削稳定性对比研究

3．1 高速铣削颤振稳定域求解

3．1．1 颤振稳定域解析算法

3．1．2 颤振稳定性极值估计

3．2 高速铣削稳定性预测

3．2．1 颤振稳定性判据

3．2．2 稳定性极限图

3．3 不等齿距与等齿距立铣刀对比

3．3．1 结构特点对比

3．3．2 抗振性能对比

3．4 立铣刀切削稳定性仿真与试验研究

3．4．1 试验设备及测试仪器

3．4．2 刀具模态参数识别试验

3．4．3 切削力系数辨识试验

3．4．4 高速铣削稳定性对比分析

3．4 本章小结

第4章 不等齿距立铣刀的动平衡研究

4．1 动平衡的基本理论

4．1．1 动平衡技术的概念

4．1．2 刀具系统不平衡影响因素和减小措施

4．1．3 动平衡对铣削稳定性影响

4．2 不等齿距高速立铣刀质量偏心和不平衡量的数学模型

4．2．1 铣刀径向截面形状和设计参数

4．2．2 铣刀径向截面槽形曲线的数学模型

4．2．3 容屑槽径向截面面积和形心坐标

4．2．4 铣刀径向截形的形心坐标和向径

4．2．5 铣刀质量偏心和不平衡量

4．3 数学模型的正确性验证

4．3．1 刀具简化模型质心位置的UG分析

4．3．2 刀具的动平衡测试

4．4 质量偏心影响因素分析

4．4．1 齿距差角对质量偏心的影响

4．4．2 螺旋槽设计参数对质量偏心的影响

4．4．3 柄长对质量偏心的影响

4．4．4 刃长对质量偏心的影响

4．4．5 螺旋角对质量偏心的影响

4．5 不平衡量的影响因素分析

4．6 本章小结

第5章 新型不等齿距高速立铣刀结构设计与实验研究

5．1 新型高速立铣刀结构设计

5．1．1 基于铣削均匀性的刀具齿数设计

5．1．2 基于动平衡的螺旋槽和刃长设计

5．1．3 基于抗振和动平衡综合性能的齿距差角设计

5．2 切削力对比试验研究

5．2．1 试验目的

5．2．2 试验设备及试验条件

5．2．3 试验结果及分析

5．3 切削振动对比试验研究

5．3．1 试验目的

5．3．2 试验设备及试验条件

5．3．3 试验结果及分析

5．4 铝合金薄壁高速侧铣试验研究

5．4．1 试验目的

5．4．2 试验设备及试验条件

5．4．3 试验结果及分析

5．5 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间发表的论文

附录B 攻读学位期间参与的科研项目与所获成果