通用镶片铣刀的力学和动力学

通用镶片铣刀的力学和动力学黄荣杰吴希让宗荣珍南阳理工学院,河南南阳473000摘要在粗、精加工零件时广泛使用镶片铣刀。实际应用中刀片的几何形状和刀片在刀体上的分布非常重要。为了预断铣削时的切削力、振动、表面粗糙度和稳定性图文章介绍镶片铣刀广义数学模型。在该文中刀刃几何被每一刀片的局部坐标系所定义它在刀体上的定位和定向使用刀具总坐标系。刀刃的位置被数学定义并用来预断沿切削区的切削厚度分布。用求解毎一切削处切削的力学和动力学并在整个切削区积分可以预断出任何镶片铣刀的铣削过程。预断和试验结果相当一致关键词镶片铣刀沏削力颤振中图分类号:I(G714文献标识码∶文章编号1001-226x2004)4-0097-031前言首先给出位于刀体中一个刀片的数学模型然后介绍镶片面铣刀和立铣刀在工业上广泛使用。面铣刀具有间距了沿圆周具有不同刀片的相同或不相同分布的刀片切除诸如变速箱、发动机体或机床立般铣刀的定义柱和底座这类零件端面多余的材料。在可转位立铣刀上,刀片2.1刀片的数学模型分布在径向和轴向两个方向上。可转位铣刀被用于诸如飞机翼刀体在直角坐标系(X梁和飞机机架支承结构及模具的粗开槽等加工中从零件周边Yz)中被定义,且刀片的切除极大量木用。取决于应用刀片可以规则分布或者中心见图1,用第二个坐标任意分布。为了改善表面粗糙度、颤振稳定性和在刀体上切削系U,V,W整。刀尖和力平衡具有各种形状的刀片被安置于铣刀体上刀片中心的向量为工业上需要广义数学模型用来分析实用中各种镶片铣刀。但是过去的研究主要集中在特定刀具几何的力学和动力学的sino, i+ cosol,j+IzK建模。Fu等人提岀了镶片面铣刀的综合模型。他们为具有圆(1)图1刀片中心在刀具上的定位角半径的正方形刀片建模并引入当量螺旋角和前角。Fu等人式中,为在XY平面中的向量的研究成为后继许多铣削力学模型的基础并导致铣削静态和径向偏距且Iz为刀片中心动态建模的改进。该数学方法也可用在当使用 CAD/CAM设距刀具轴线的轴向偏距。刀刃所在的刀片面用刀片坐标系的计刀具轨迹时积分铣削力和优化切削条件。在大多数面铣时,UW平面校正即V=0)刀片中心由Y轴逆时针测出的q角假定切削力正比于瞬时切削面积但沿曲线切削刃切削压力是距分度。使用式1冲定义的向量使刀片安置在刀体上变化的也应该考虑更严密的模型。 Spiewak介绍一分析模型,取决于应用和制造刀片的形状可以变化见图2所示,为在识别切削厚度中综合考虑了圭轴倾斜、摆差和偏心。但是镶说明广义建模方法考虑了两种最通用的刀片形状。长方形刀片立铣刀的力学和动力学广义模型没受到类似的注意。片用切削刃长度b和刀片宽a来定义。凸三角形刀片用曲线本文介绍镶片铣刀切削力的广义模型。刀刃在每一刀片的刀刃的半径R刀片中心O和切削刃曲率中心O的偏距且局部坐标系中被数学定义。每个刀片可以有不同几何形状如由局部轴线a顺时针方向在x平面中测出的刀刃角边界s正方形、凸三角形或其他数学可定义的刀刃。每一刀片安置在来定义。沿刀片刀刃上的点由坐标系u;)向量vx刀体上相对于刀体中心数学提供刀片中心的坐标。刀片可绕刀体转动定向队从而每一刀片可指定不同的螺旋和轴向前角来定义:VE=ui+vj+k在刀具上每一刀片的刀刃几何用数学表出。刀具被分为小的圆式中,b≤以≤;=0=(长方形刀片)盘单元对每一刀刃单元可以解出铣削的力学和动力学。相关文献提供了各种方法决定切削系数和动态切削负荷为局部刀刃几何的函数。介绍的过程建模方法不再重述也不再在这里引证沿刀刃直接被使用。将工件和刀具的结构动力学结合到数学模型中通用旳可转位刀具的性能可被模拟。广义模型可为各种镶片面铣和螺旋立铣预断切削力、表面粗糙度、颤振和受迫振动及颤振稳定性图。该文首先给出了镶片铣刀的几何模型。随后摘要介绍了在中国煤化工8Q研究中使用的铣削力学和动力学并引证相关文献详细为过程CNMHG建模。最后给出了小结。切刚刃(a)长方形刀片(b)凸三角形刀片2镶片铣刀的广义几何模型几何建模的目的是对任意镶片铣刀预断力学和动力学。图2刀片几何图2004年第4期u=Cosy U=0 w=-Rcosy+ orO(凸三角形刀片)y=0+sin(bcs)….…0≤0≤O注意刀片坐标系的xx平面用刀片表面调正,该面包含着切削刃即v=0)刀片的切削刃在刀片坐标系(u,w;)局部切削刃定义切削刃用围绕总刀具体的轴线(Ⅹ,Y和z图3)每一刀片可在a)刀具坐标系(XYzZ)和b)绕Y轴的导程角6刀体中定向。刀片的转动由绕Y轴的导程角δ、绕Ⅹ轴的轴向刀片坐标系(UWw)前角绕Z轴的分齿角g来定义。对于X、Y和z的相应旋转矩阵分别如下切削刃sind 0-cOsoR, (9)=0 cosp sinP;R ( 8)=00sinB cosB切削刃0(c)绕X轴的轴向前角B(d绕Z轴的分齿角口如果刀片绕所有三轴线转动合成变换矩阵为图3刀片的转动IM=RAP)(BRO cospsino-sinp sinBcos8 -singcosB-coscPcoso-sinp sinBsino(4)如图4示在刀片坐标系中刀刃的坐标为;式中,N是刀具上的刀片数下标的第一和第二位数字分别CER=TM VCE =I TMJu(5)代表刀齿序号和由刀尖排序的刀片序号相对于刀体坐标系刀刃的最后位置变为注意每一个刀齿不需要有相同的刀片数。每一列表示VP= VIC+ VcER--sinol, i+ cosol, j+Ik+[ TmI个刀片在刀体上的形状和位置。每一列的第一个元素t表[- sing usin-ox+1,)- pOsing( uc8+wsn)示刀片形状既t=0无刀片:xvcos cosB Ji+[ coso( usind-wcoso+ I, ]-sinosinp t=I矩形刀片系;t(ucosa+ wind )-vsinocosB Jj+[ cosp( ucos+ wsind11..20三角形刀片系。其余五个参数定义了刀片在刀体上图4切削刃的位置向量usinG+I(6)的位置和方向。矩形刀片有两个参数即宽a和长b图2a旦刀片中心定依1)在刀体上的定向8厢刀凸三角形刀片有四个参数即起始角,和终止角圆弧半径刃尺寸ab跟被指定对于给定的高度或轴向切削深R和距刀片中心的偏距O(图2b)每种刀片的形状分别储存度位置(z)由式6)以估算切削刃上的点。在与其相关尺寸的数据库2.2多刀片的数学模型中。在计算和数据库中使取决于加工中的应用工业上使用各种镶片铣刀。可以用用了广义刀具设计矩阵相同的刀片等间距安置在刀体圆周上(即面铣刀)螺旋刀齿处的每一刀齿可以包含多个刀片或在径向和轴向不同位置由不3切削力建模同形状的刀片随机分布。在定义具有通用刀片分布的刀具时考虑切削无穷小切屑单使用广义刀具设计矩阵Dx6×N)元时产生的息切削力(dFdFdF)该切屑单元垂直Iu ft2 fu3, t21 t于刀刃的未变形切屑厚度为21/切屑高dz,且曲线刃接角中国煤化工刁片上的三维切削刃轮廓切削力的方向662δ削力为CNMHGBu Pu2 p,dF,=B2 B(7)dFr=K, e HS+K,(e )(o he(8)9n912片dFa=Kdz ds+k(e)( r x(下转第100页)为数据组合机床与自动化加工技术F=(Ff+ Fa ymm=(f s*G+g/g*a*R/At)/点主机。其1/O点编号为F/静载荷Fn动载荷Fs静磨擦系数a关节角速度R:输入点(1)X400X410输40自动时断开齿轮分度圆半径m江况系数出点O):Y430~Y438(DC复位时接通X400(2)液压缸主要参数连接图读者可自行绘出I)液压缸在各工作阶段的压力为4.2PC程序设计复位程序P= F/AI+A,/A,* Pb图4是该机械手的控制A1液压缸无杆腔面积A2液压缸有杆腔面积P液压缸程序总框图当按下复位”压力按钮时Ⅹ410常开触头得电图4机械手控制程序总框图2)液压缸在各工作阶段的输入流量g为闭合程序会自动跳到复位程序执行复位指令。当机械手回到A1米V原点位置时自动停止挡按下运行”按钮时Ⅹ400常闭触头得V活塞的运动速度电断开程序会自动执行自动运行指令3液压缸在各工作阶段的输入功率P为由于自动操作的控制比较复杂不容易直接设计出梯形图,因此可以先画出自动操作方式的程序流程图用以表明动作的(3)根据以上参数可以选择不同的液压元(略顺序和条件然后再根据自动操作流程图设计出机械手自动操作程序的梯形图。根据梯形图就可以编制岀机械手的控制程控制系统设计该机械手的操作方式是连续的、自动的周期循环方式运动参考文献]选择开关只有启动、停止、复位三个按钮。在工作中若按下停止[1]丁树模主编.液压传动.北京机械工业出版社,1999按钮则机械手动作停止重新启动时必须先按复位按钮复位,[2]杨可桢程光蕴主编,机械设计基础.北京高等教育出版然后再按一下启动按钮机械手将再次重新开始连续操作。在社,1999工作中若按下复位按钮则机械手将继续完成一个周期的动作,[3]杨春杰.一种新型的机械手臂传动机构设计,黄石高等专然后回到原点自动停止。科学报,200(6)4.1确定PCO收稿日期2003-09-03该系统要实现的是步进控制可以采用一般PC所具有的作者简介杨春杰1973-)女满族黑龙江省大兴安岭塔位移寄存器和位移指令来编程。由于所需1O点数为11/点河县人黄石高等专科学校机械与动力工程系讲师工学硕士。可在原点配原点指示灯)可选择型号为F1-40M的24/16)编辑李秀敏)(上接第98页)颤振稳定性图也在频域中使用 Altintas和 Budak提仪的分析解刃口力切削系数KK和κα表示无剪切面线接触力且来识别。引证的铣削过程力学、运动学、动力学和过程模拟的模力系数KK和K表示剪切或前面接触压力。式8冲使用型全部可在这里使用参阅有关文献对这些模型会有更全面理的线性力模型Budk等人作了详细介绍。应当注意工业上使解用的刀片可具有各种前面且沿它们的刀刃可以是曲线。例如,上述模型有人集成到综合铣削过程软件包中用实际铣削在每一刀片上可以存在断屑槽和非统一前刀面。如果像在普通进行验证结果表明预断和实测的结果非常一致。在实用中用立铣中前面是一致的切削系数可由直角切削参数平均剪切应模型来模拟和预断铣削过程是切实可行的。力郾切角和摩擦系数腩转变至斜角切削域中得到。但是如果刀片的刀刃具有倒棱和圆角且刀片的前面不一致直角至斜角4结束语切削转变导致不能精确预估切削系数。取决于刀片形状和刀文中介绍了镶片铣刀的广义数学模型铣刀每一刀片被放刃几何形状在识别切削系数作为刀刃位置z切削速度和局置在刀体上由刀体坐标系确定它的中心。刀片可绕刀体三轴部切屑厚度的函数时,可以更合适的使用机械模型。识别切削线转动来定向。刀片的几何形状在局部坐标系中由它的刀刃系数的机械方法在有关文献中作了介绍。有或无颤振时切削尺寸和形状来独立定义。用联合向量表示刀片中心和刀刃每厚度的估算 Altinεs和Lεe作了详细介绍。机械识别切削系数—刀片的切削刃被限定。可预估任意镶齿铣刀铣削过程中产生和铣削过程建模旳详细情况可在有关文献中得到这里直接应的切削厚度、切削力、颤震表面粗糙度和稳定性图。提议旳模用不在赘述。刀具被分为具有微高度dα的微小轴向圆盘单型可分析通用铣刀符合工业上使用的要求元。沿刀片由每一微分段切除的末变形切屑厚度由考虑铣削参考文献]的摆动运动和刀具与工件两者的再生颤振来识别。如果刀片是[1]吴希让宗荣珍.通用螺旋立铣刀的力学和动力学模型国圆形的细薄的切屑使用类似于球端立铣的方法考虑。微切削外金属加工20032)力类似于有关文献在螺旋立铣中使用的方法。估计并转变至刀[2]S.tintal. Mechanics and dynamics of general具的直角坐标系中微分力沿所有和工件接触的刀片求和。在中国煤化工ters- International Journ三个方向上的合成切削力作用于刀具和工件结构动态模型上ofCNMHG2213-2231估计结构位移和它们对再生切屑厚度的影响。用转动刀刃和进收秆给工件在小的时间间隔中估计动态切屑厚度从g☆)3时域作者简介黄荣杰1964-)男河南南阳人南阳理工学院模拟模型可以预断动态切削厚度切削力沿切削深度刀具和工教授工学博:件两者的振动表面粗糙度和颤振稳定性图。对于镶片铣刀的编辑江复)组合机床与自动化加工技术