小直径铣刀铣削淬硬钢圆弧切削力研究

( 12)
v f 2 = 1 . 471 15 v f 1
( 13)
为了保证直线加工和圆弧加工的材料切除率 相等 , 在改变径向切深时 , 圆弧和直线的进给速度 对应的参数值如表 3 所示。
表3 图4 直线刀位路径切削过程的切削力 切除率相等时径 向切深对切削影响的实验参数表
0. 02, 0. 03, 0. 04, 0. 05, 0. 06, 0. 07, 0. 08 200 250 300 350 400 450 500 v f1 ( mm/ min) v f2 ( mm/ min) R ( mm ) R d1 ( mm )
294. 2 367. 8 441. 3 514. 9 588. 5 662. 0 735. 5 3
图 6 是直线和圆弧的材料切除率相等时, x 方向与 y 方向的切削合力 F xy 随着径向切深变化 的曲 线 图 ( A d = 0. 15m m , L = 19m m , v c = 40m/ min, v f = 300mm/ min, R = 3m m ) , 从图 6
( 8)
由式( 6 ) 和式( 7) 得
Fx = Fy =
2 F2 r + F t sin ( +
) )
( 3)
F + F cos ( +
2 x 2 y 2 r 2 t
2 r
2 t
由式 ( 3) 可知
F + F = F + F ( 4)
为了保证直线加工和圆弧加工的材料切除率 相等, 即 V 1 = V 2 , 在改变切削速度时圆弧和直线 1605
[ 3- 5] [ 2]
实验在 YCM - V85A 型立式加工中心( 最高 转速为 8000r/ m in) 上进行 , 加工材料为 45 钢 ( 淬 火硬度为 H RC52) 。刀具 为硬质合金 T iAlN 涂 层平底四 刃立铣刀 ( 直径为 2mm ) , 刀具 悬伸量 L = 19mm 。数据由 YDX- III9702 型压电式铣削 测力仪( 大连理工大学生产, 分辨率为 0 01N) 、 重 庆大 学 的 QL V 型 系 列 虚拟 测 试 仪 器 和 KIS T L ER 声发射测试仪 器 ( 包括传 感器、 信 号耦合 器、 24V 直流电源) 记录。实验系统及坐标如图 1 所示 , 其中 z 轴方向为刀具的轴向方向。
中国机械工程第 20 卷第 13 期 2009 年 7 月上半月
轨迹长度不同。 设在时间 t 内 , 走直线路径时刀具 中心经过的长度为 l2 , 走圆弧时经过的圆心角为 , 刀路轨迹长度为 l 1 , 则有
l1 = V1 = ( R + R d1 - r )
2 2
( 9) ( 10) ( 11)
0
引言
切削力是切削过程中的重要物理参数, 是金
1
1. 1
圆弧路径与直线路径的铣削实验
实验条件与实验系统
属切削过程中必不可少的重要因素 [ 1] 。小直径铣 刀是硬铣方式加工复杂型面淬硬模具必不可少的 刀具之一 , 但其切入过程的崩刃、 断刀现象非常严 重 ; 小直径铣刀加工淬硬钢的切削用量现在没 有切削用 量手册 可查 , 仍依 靠经验 或实验 来选 取
2 r
令 sin =
Fr , cos = F + F2 t
2 r
等, 故在相同时间内刀具中心经过的轨迹长度相 等, 圆弧路径和直线路径切除材料的体积分别为
V1 = V2 = A d1 [ ( R + R d1 ) 2 - R 2 ] / 2 A d2 R d2 ( R + R d1 - r ) ( 6) ( 7)
刀具直径 d = 2m m ; 刀具齿数 N = 4; 刀具悬伸量 L = 19m m 注 : 机床主轴转速为 1592 ~ 6366r/ min。
和
2
2
) , x 方向的力与径向力的夹角分别为
1
2
实验数据分析
图 3 为圆弧刀位路径切削过程采集的切削力
和
。
信号波形图( 部分) , 图 4 为直线刀位路径切削过 程采集的切削力信号波形图 ( 部分) 。 切削力数值 为负表示切削力与测力仪测量的正方向相反。
测力仪测得的圆弧刀位路径力 F x 、 F y 与刀具 所受切向力 F t 和径向力 F r 之间的关系为
F x = F r cos + F t sin F y = F r sin - F t cos - 90 90
2. 1
切削速度对切削力的影响
假设在时间 t 内 , 圆弧路径刚好为一个半圆, 其轨迹长度为 ( R + R d1 - r ) , 因为进给速度相 Ft , 则有 F + F2 t
表1 圆弧路径的因素水平表
水平 0. 15 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500 0. 02, 0. 03, 0. 04, 0. 05, 0. 06, 0. 07, 0. 08 2. 0, 2. 5, 3. 0, 3. 5, 4. 0, 4. 5, 5. 0 因素 轴向切深 A d1 ( m m ) 切削速度 v c ( m/ min ) 进给速度 v f ( mm/ min) 径向切深 R d1 ( m m ) 曲面半径 R( mm )
。如何合理选择小直径铣刀进行特殊路径
[ 6]
的铣削成为精密加工 的重点和 难点
[ 7]
。全燕鸣
等 通过刀位路径的切削实验, 研究了小直径铣 刀铣削淬硬钢时切入、 切出、 拐角及直线铣削的切 削力、 振动的动态特征, 但没有研究曲线刀位路径 在铣削过程中的动态特性。目前, 从本研究领域 来看 , 曲线路径的研究较少, 而模具型腔大多是曲 面, 因此通过对小直径铣刀铣削圆弧路径与直线 路径的对比实验, 进一步研究曲线刀位路径下的 铣削特性是有必要的。基于单因素法 , 在圆弧路 径和直线路径的材料切除率相等的条件下 , 分析 切削力信号, 以寻找加工参数对切削力信号的规 律, 在切削加工前实现对参数的优选。
( A d = 0. 15mm , L = 19mm , v c = 40m/ min, v f = 300mm/ min, R d = 0 . 04mm )
的径向切深对应的参数值如表 2 所示。
表2 切除率相等时切削 速度对切削影响的实验参数表
v c ( m/ min ) R d1 ( m m ) R d2 ( m m ) R( m m ) 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40 0. 04 0. 059 3
A d1 [ ( R + R d1 ) - R ] / 2 V 2 = A d2 R d2 l 2
令 V1 = V2 , 则
l1 2( R + R d - r ) = l2 2R + R d
f1 1 R d + 2R v f1 , 即 显然 v = l , 故 v f2 = v f2 l2 2( R + R d - r )
收稿日期 : 2008 12 30
图1
铣削实验原理图
1. 2
实验方法和实验方案
基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ( 50665001) ; 广西科学基 金资助项目 ( 0575013)
实验在保证圆弧路径和直线路径的材料切除 率相等的情况下进行 , 采用单因素法分别对进给
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小直径铣刀铣削淬硬钢圆弧切削力研究
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小直径铣刀铣削淬硬钢圆弧切削力研究
王小纯 胡映宁 曹景源 龙卫仁 苏家强
广西大学, 南宁, 530004
摘要 : 在高速加工中心上 , 用直径 2m m 的小直径铣刀, 采用单因素法 , 在相同材料切除率的情况下 对 45 淬硬钢( 硬度为 H RC52) 进行了圆弧路径和直线路径的高速铣削对比实验 。通过对切削力信号的 分析研究 , 找出了铣削参数对铣削力的影响规律, 获得了等切除率条件下直线路径切削力均大于圆弧路 径切削力的结论 , 建立了该实验条件下的切削力经验公式。 关键词: 高速铣削; 小直径铣刀 ; 淬硬钢; 材料切除率 中图分类号 : T G506. 1 文章编号: 1004 132X( 2009) 13 1604 04
王小纯
胡映宁
曹景源等
速度、 径向切深等因素进行实验。因为切削过程 中, 圆弧路径切削力的大小和方向是不断变化的, 所以本实验比较的是 x 方向与 y 方向的合力 F xy 。 实验中, 圆弧路径和直线路径的轴向切深始终相 等, 即 A d1 = A d2 。 图 2 是圆弧路径和直线路径的切削加工示意 图, 图中, r 为刀具半径, R 为工件圆弧半径 , R d1 为 圆弧路径径向切深, R d2 为直线路径径向切深 , A d1 为圆弧路径轴向切深 , A d2 为直线路径轴向切深。 图 2 中的坐标系为工件坐标系 , 取切削位置的任 意两个不同坐标点 ( x 1 , y 1 ) 和( x 2 , y 2 ) , 其对应的 径向力分别为 F r1 和 F r2 、 切向力分别为 F t1 和 F t2 ; 在( x 1 , y 1 ) 和( x 2 , y 2 ) 两位置点, 测力仪所测的力 分别用 F x 1 、 Fx 2 、 F y1 、 F y 2 表示。 刀具接触角是铣刀 刀齿从切入到切出之间切削接触弧对应的中心角 (
( a) 圆弧铣削 图2
( b) 直线铣削
圆弧和 直线的切削示意图
1
显然 , 在同一切削 过程的两个位 置, 接触角 = 2 , 所以这两个位置点的刀具所受的径向力
F r1 = F r2 Ft1 = Ft2
是相等的 , 切3 圆弧刀位路径切削过程的切削力 ( A d = 0. 15mm, L = 19mm , v c = 40m/ min, v f = 300mm/ min, R d = 0 . 04mm ) ( 2)