專利名稱：高速銑刀安全性衰退行為表征方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高速銑刀安全性衰退行為表征方法，具體涉及一種基于離心力與 切削力振動影響的加工表面最大殘留高度模型構(gòu)建與高速銑刀安全性衰退行為表征方法。
背景技術(shù)：
建立在高性能機床全面發(fā)展基礎(chǔ)之上的高速銑削技術(shù)，其最顯著的特點和技術(shù)核 心是采用安全可靠刀具，以高切削速度和高進給速度進行高精度和高表面質(zhì)量加工。與中 低速銑削刀具不同，高速旋轉(zhuǎn)銑刀承受著很大的離心力，積聚著巨大的能量，由此引起的銑 刀安全性問題受到廣泛重視。依據(jù)安全系統(tǒng)工程理論，高速銑刀安全性是指高轉(zhuǎn)速條件下銑刀保持其“完整”與 “穩(wěn)定”狀態(tài)的能力。目前，高速銑刀安全性研究和高速銑刀產(chǎn)品設(shè)計主要遵循IS015641標 準。但該標準的根本目的是避免高速加工中銑刀產(chǎn)生永久性變形、折斷和解體等破壞性事 故，并沒有考慮到銑刀安全性變化對高速切削過程的影響。隨著高速銑刀切削性能不斷提高，高速銑刀安全性研究集中到了一個更為實用的 目的，就是在保證銑刀安全上的完整性和穩(wěn)定性前提下，大幅度提高切削效率。在IS015641 標準和機床故障預(yù)警系統(tǒng)的雙層保護下，高速銑刀極少產(chǎn)生破壞性安全問題，但銑刀尚未 達到IS015641標準規(guī)定的安全轉(zhuǎn)速，就因動平衡精度下降和振動而喪失部分或全部高速 切削能力的現(xiàn)象普遍存在，高速銑刀安全性衰退導(dǎo)致的不穩(wěn)定切削成為制約高速銑削加工 效率大幅度提高的的瓶頸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于離心力與切削力振動影響的加工表面最大殘留高 度模型構(gòu)建和高速銑刀安全性衰退行為表征方法，解決高轉(zhuǎn)速條件下銑刀變形和動平衡精 度下降導(dǎo)致的不穩(wěn)定切削問題。上述的目的通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn)高速銑刀安全性衰退行為表征方法，該方法包括如下步驟A、在高速銑刀可靠性分析基礎(chǔ)上，建立高速銑刀基本結(jié)構(gòu)模型；B、建立高速銑刀離心力與切削力振動模型，獲得銑刀動平衡精度和結(jié)構(gòu)對其安全 穩(wěn)定性影響規(guī)律；C、建立和高速銑削加工表面最大殘留高度模型，通過高速銑刀切削實驗，表征高 速銑刀安全性衰退行為。本發(fā)明的有益效果1.本發(fā)明提供了一種基于離心力與切削力振動影響的加工表面最大殘留高度模 型表征高速銑刀安全性衰退行為方法，采用該方法通過銑刀組件材料與結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計，主 動控制高轉(zhuǎn)速條件下高速銑刀動態(tài)變形和質(zhì)量分布，使其保持較高的動平衡精度，抑制銑 刀振動和安全性衰退過程，擴大其工作轉(zhuǎn)速范圍，提高銑刀動態(tài)服役性能。
2.本發(fā)明在低于is015641標準規(guī)定的安全轉(zhuǎn)速工況下，表征高速銑刀安全性的 動態(tài)特性和衰退過程，解決高速銑刀因動平衡精度下降和振動導(dǎo)致安全性衰退和高速切削 能力喪失等問題，使高速銑刀在高轉(zhuǎn)速條件下保持其“完整”與“穩(wěn)定”切削狀態(tài)的能力。


附圖1是高速銑刀應(yīng)力場變化曲線，圖中，cl為銑刀空轉(zhuǎn)應(yīng)力場變化曲線，c2為銑 刀單齒切削應(yīng)力場變化曲線，c3為銑刀兩齒切削應(yīng)力場變化曲線，c4為銑刀組件材料剪切強度。附圖2是高速銑刀的變形曲線。附圖3是動平衡精度對銑刀振動影響曲線，圖中，m為銑刀振動振幅減小倍數(shù)，g為 銑刀動衡精度。附圖4是固有頻率對銑刀振動影響，圖中δαμ為銑刀相對振動振幅，
別為轉(zhuǎn)速12000r/min條件下，離心力引起振動振幅和切削力引起振動振幅，ω/ωη為工作 轉(zhuǎn)速與固有頻率比值。附圖5是高速銑刀振動產(chǎn)生的刀齒平面偏擺示意圖。附圖6是刀齒均勻分布銑刀和刀齒不均勻分布銑刀加工表面殘留紋理圖。附圖7是兩種銑刀切削加工表面形貌重疊面積圖。
具體實施例方式實施例1 高速銑刀安全性衰退行為表征方法，該方法包括如下步驟1.在高速銑刀可靠性分析基礎(chǔ)上，建立高速銑刀結(jié)構(gòu)模型，分析銑刀安全性衰退 過程。(1)高速銑刀可靠性分析高速可轉(zhuǎn)位銑刀是由刀體、緊固螺釘、刀片等組件構(gòu)成的一個串聯(lián)系統(tǒng)，其中任何 一個組件失效都可能導(dǎo)致整個銑刀失效。根據(jù)可靠性設(shè)計理論，F(xiàn)1, F2,……、Fn表示刀體、螺釘、刀片及其它組件的失效事 件，則銑刀失效概率為pr = p (f1 u f2 u......u fj(1)若用巧表示Fi的逆事件，由于失效事件&、f2、……、Fn相互獨立，則銑刀可靠度 pk表示為Pk=P{F,(\F2………門巧} = ap(e) = aa(2)
i=l /=1式中pki表示銑刀各組件的可靠度，且pki < 1。由此可知，銑刀組件數(shù)量越多，則可靠性越差。為保證高速銑削加工安全性，高速 銑刀基本結(jié)構(gòu)組件包括可轉(zhuǎn)位刀片、螺釘與刀體。(2)建立高速銑刀結(jié)構(gòu)模型根據(jù)可靠性分析結(jié)果，建立高速銑刀基本結(jié)構(gòu)模型。為保證分析精度、提高分析效率，采用自由網(wǎng)格法對銑刀實體模型進行網(wǎng)格劃分，建立銑刀有限元分析模型。根據(jù)高速銑削過程中銑刀組件定位方式與工作狀態(tài)分析，在指定坐標系內(nèi)分別對 銑刀組件的自由度做如下約束刀體定位內(nèi)孔χ = 0，ζ = 0 ；刀體定位端面y = 0 ；螺釘螺 旋面與配合的刀體螺紋內(nèi)孔采用面接觸；刀片和螺釘端部接觸部位采用面接觸；刀片與刀 體之間的接觸部位采用面接觸。銑刀各組件受力載荷為緊固螺釘預(yù)緊力、離心力和切削力。 預(yù)緊力來源于緊固螺釘?shù)膹椥宰冃?，其受力部位為螺釘頭部、刀片內(nèi)孔、刀片槽和螺紋孔； 離心力通過加載銑刀工作轉(zhuǎn)速的方式進行施加。(3)高速銑刀安全性衰退分析在轉(zhuǎn)速為5000r/min 30000r/min離心力載荷條件下，對直徑80mm、主偏角 45°、前角12°的五齒涂層硬質(zhì)合金高速銑刀模型進行空轉(zhuǎn)、單齒切削和兩齒切削分析，獲 得高速銑刀應(yīng)力場變化曲線如圖1所示，高速銑刀變形曲線如圖2所示。銑刀組件材料屬 性分別為刀體和螺釘?shù)牟牧厦芏?. 87g/cm3,彈性模量211GPa，泊松比0. 277，材料屈服強度 785MPa ；涂層硬質(zhì)合金刀片密度14. 9g/cm3,彈性模量600GPa，泊松比0. 28，材料抗拉強度 1400Mpa ；采用實驗方法獲得的單位切削力為650. 5MPa。根據(jù)有限分析結(jié)果和圖1、圖2可以看出，隨著轉(zhuǎn)速提高，在離心力和切削力交 互作用下，高速銑刀首先發(fā)生刀體螺紋孔強度失效，其次發(fā)生螺釘強度失效。在轉(zhuǎn)速小于 20000rpm范圍內(nèi)，銑刀未發(fā)生完整性破壞，且銑刀膨脹變形量不超過0. 05mm。但銑刀組件 內(nèi)應(yīng)力和變形隨轉(zhuǎn)速提高逐漸增大，不可避免地會引起銑刀組件相對位移量的增加和銑刀 質(zhì)量分布的改變，并導(dǎo)致銑刀刀齒偏置和動平衡精度下降，由此產(chǎn)生的振動將使高速銑刀 安全穩(wěn)定狀態(tài)逐漸惡化，其安全性存在一個動態(tài)衰退過程。該結(jié)果表明，在低于IS015641 標準規(guī)定的安全轉(zhuǎn)速工況下，高速銑刀安全性具有動態(tài)特性，其動平衡精度和高速切削安 全穩(wěn)定性隨轉(zhuǎn)速提高而下降。2.高速銑刀離心力與切削力振動模型高速銑刀自身結(jié)構(gòu)不對稱和加工誤差產(chǎn)生的不平衡量所引起的離心力，相當于圓 頻率為ω的激振力，則離心力在銑刀徑向切削工作平面內(nèi)的兩個分力為Pex (t) = me ω 2Cos cot, Pey (t) = me ω 2sin cot(3)設(shè)X(t)，y(t)為該刀具相對其靜平衡位置的位移，則離心力作用下的高速銑刀運
動方程為
權(quán)利要求
1. 一種高速銑刀安全性衰退行為表征方法，其特征是該方法包括如下步驟A、在高速銑刀可靠性分析基礎(chǔ)上，建立高速銑刀基本結(jié)構(gòu)模型；B、建立高速銑刀離心力與切削力振動模型，獲得銑刀動平衡精度和結(jié)構(gòu)對其安全穩(wěn)定 性影響規(guī)律；C、建立和高速銑削加工表面最大殘留高度模型，通過高速銑刀切削實驗，表征高速銑 刀安全性衰退行為。
全文摘要
高速銑刀安全性衰退行為表征方法，銑刀尚未達到ISO15641標準規(guī)定的安全轉(zhuǎn)速，就因動平衡精度下降和振動而喪失部分或全部高速切削能力的現(xiàn)象普遍存在，高速銑刀安全性衰退導(dǎo)致的不穩(wěn)定切削成為制約高速銑削加工效率大幅度提高的的瓶頸。本發(fā)明的方法包括A、在高速銑刀可靠性分析基礎(chǔ)上，建立高速銑刀基本結(jié)構(gòu)模型；B、建立高速銑刀離心力與切削力振動模型，獲得銑刀動平衡精度和結(jié)構(gòu)對其安全穩(wěn)定性影響規(guī)律；C、建立和高速銑削加工表面最大殘留高度模型，通過高速銑刀切削實驗，表征高速銑刀安全性衰退行為。本發(fā)明用于分析在高轉(zhuǎn)速下銑刀的安全性。
文檔編號B23C5/00GK102120272SQ201010032449
公開日2011年7月13日 申請日期2010年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月11日
發(fā)明者姜彬, 鄭敏利 申請人:哈爾濱理工大學(xué)