铣削属断续切削,切削过程中刀片受力非常复杂,力的大小和方向随时变化,刀片的失效形式主要为 冲击破损111.以往对于切削力的研究,是针对整个接触面上的切削合力进行的.但是在实际的 切削加工中,希望找到刀具切削过程中的恶劣点,通过变化刀具的槽型来减小切削力.因此,对铣 刀片的受力密度函数特别是前刀面的表面力密度函数进行分析和研究十分重要.另外,它为建立三 维槽型铣刀片综合物理场量化的数学模型和槽型优化CAD系统奠定了理论基础,以解决自动化生产中刀具破损这一关键技术问题.直线刃铣刀片斜角切削铣削力坐标变换在铣削中,刀片的主刃与副刃同时参加切削,进给量不大时,副刃参加切削的长度较主刃小得多,可以忽略,主要考虑主刃切削的切削力. 设铣刀坐标系为O一R咫,O点为刀尖,P轴与O点的线速度方向相同,R轴通过铣刀回转中心,Q 轴与背吃刀量方向相同.刀片坐标系为O一XIYIZ,,乙轴与副切削刃重合,Zl轴与主切削刃重合,如图1.设刀片坐标系绕Xl轴转过一个刃倾角又:后的坐标系O一戈y生几,切削力在两种坐标系下具体变换这里不再赘述,其变换公式如下lzl= 一一凡凡Fzzcosk, 0sinkrkksin ocos 一 一一凡凡凡「凡·,‘n天·廿。s儿子凡·s势又:大关,cos又·,1}_,今臀价万tsl B卜_.、}(‘)L一厂二:c0SKr十slnKrL户,.sln人十岁:.cos人,)J图2铣削力数据采集系统 刀屑接触面积的测量是采用接触图形法,即在刀片上事先进行涂层,铣削后在显微镜下观察前刀面上 的磨损痕迹,但由于离开端的不分明,误差大约在10%.同时利用数码相机拍摄各次实验的磨损痕迹图,如图3.「一于口。戈’勺卜’zl主切削刃图3刀具前刀面摩擦痕迹图面铁刀2铣刀片铣削力实验 从计算机上显示出来的铣削力是以电压值(V)表示,测力仪需经标定,以便将测力时的输出电压数 值读数转换成力值,这里记录铣削力数据均以电压数值表示,图4为其中1次实验部分输出波形图.实验条件为铣床:X5030A立式升降台;工件材料:45号钢;平前刀面名叨片:丫1,14;工件宽度:1 O6nun;面铣刀直径:160nun;刀片规格:16~x 16~方刀片;铣削方式:对称铣削. 刀片几何参数、铣削用量参数如表1、表2所示,本实验采用的铣削力采集测量系统如图2.a’=2~ 图4f血=9确叫mjnn=385r/而n测力仪输出力波形图表1铣刀片的几何角度前角/(。)后角/(。)刃倾角/(。 实验记录结果如表3,l,表示刀屑接触宽度,Ia,表示刀屑接触长度.0 70表3实验数据结果记录表序号衰减丐/IIun瑞/(浏叫而口)川(r/而n)凡/vl,lmm几尸~80 85 8 05232 2 3. 3.3.0.51 0.75 1.29 1.371.68表2铣削用量参数n/(r/而n)f、/(mm/而n)19, 36,68,78,84丐/~0.51760.75201 .08401 .25731 .5男2385 385 385 38538519 36 58 7894,自,‘,山22n一n︸,.乙‘..几,.二,‘nU八曰八U.直目..‘...压气J月马戈」3曲线拟合及平前刀面铣刀片表面受力 密度函数实现、..沪、,.声4叹」矛.、、‘‘、 实验测得铣刀坐标系中力凡,通过式(l)转换成刀片坐标系中凡:,因刃倾角为J,所以凡.=凡 ,单位以电压值表示.由于只考虑铣削受力最大时刻,所以记录表3中铣削力的数值为图4中波峰处数值取平均值的结果.3.1凡,与几.。拟合关系选择可化为线性函数的幂函数来拟合实验数据,以‘,f‘为自变量.在外不变的条件下可以做如下假设l.: 凡:=af氛(2) 根据非线性曲线的数据拟合方法,先把非线性问题转换成线性问题,对上式两边取对数得: lgFy.=lga+blgfmon令U=lgF,.,A=lga,B=b,V=lgf二。n,于是得U二A+By,具体数据如表4.其MATLAB程序如下: V=11.2798 1.556 1.763 1.892 1.973> U=<一0.286一0.124 0.035 0.099 0.202』 P=Pfo如t(V,U,l) x=1:1:94 y=0.0672*x.’0.6842 pfot(x,力 g巧d on 得系数p为0.6842,一1 .1727;均方差RMSE=0.022 57;显著性概率值P=0.000科5 7.F=288,即A=lga=一1 .1727,B=b=0.6842,得a二0.067 189,b=0.684 2. Fy一0 .067 189f盘fns‘,(3) 用MATLAB拟合曲线如图5, 回归方程得出后,对自变量与因变量之间进行统计检验,由所得到的显著性概率值和F值可知,回归方程高度显著.蔺LO0占印801加图5凡.拟合关系图12凡:与l,的拟合关系 foi。与l,的关系可以表示为 lj=叮口。。+b 表5几1.与l,对应数值 f.。。19 36 58 78 94 l,0·510·751·291·37 1.68 具体数据见表5,在表5中,由于第二,三组数据测量误差较大,取第一,四,五组数据拟合.程序如下: x=<19 78 941 夕=<0·5 1 1.37 1.68〕 P=Polyfit(x,y,1) y=0 .0135*x+0.2111 花=8:1二94 y:=P01yVal(P,朴) Plot(x,y,,o‘,花,y2) 得系数P为0.0153,0.2111;均方差为0‘2322;显著性概率值为0.1592,所以回归方程有意义,即If=o·0 1 5 3fm。。+o·21 11综合式(3)和式(4)得出凡.与l,的关系为 个川3 28(Ij一0.2111)”“‘,x二0.01pfot(x,:0 .01:2;y=l,17328*(x一02111).‘0.6842;力;拟合关系图如图6.表4U与V数据UV图60.5 1.0 1.5 20 份凡,与l,的拟合关系图279 556 763 892973一0286一0 .1 24 0乃35 0 .0994 0.2025 1 .0官 05 0 一0 .5 05oo绷 汽U ,一﹃、一 一八曰 一.今 一O徽。3.3受力密度函数的实现 平前刀面表面受力密度函数用儿、表示.1。,在只改变进给量不改变背吃刀量的情况下基本保持固定值,实验测量结果乙,=2.986~. *、.=~邺-一0 .268:4。‘,一。川;)一。t,,,,。6) J夕,I_dI,“~甘,一叮U·二111, .a,u.f 测力仪标定值SOS.llN/V,所以表达式变为 几,=2 17·25(,,一o·2111)一。“,,,(7)几,此公式在l,>0.21 11的条件下有效.用MATLAB模拟曲线程序如下: x=0.2:0.1:2 y=217.25*(x一0.2111).‘(一0.3158) Plot(x,y) 图7显示,切削力在铣刀片刀屑接触宽度方向的分布不均匀,曲线呈现递减趋势,在l,
@郑敏利$哈尔滨理工大学机械动力工程学院!黑龙江哈尔滨150080
@李振加$哈尔滨理工大学机械动力工程学院!黑龙江哈尔滨150080铣削力;;密度函数;; 刀具破损针对铣刀片应力场分析问题,基于切削实验,建立了平前刀面铣刀片受力密度函数,应用 MATLAB软件绘制出了铣削力与刀屑接触宽度的关系曲线,使密度函数可视化,同时进行了显 著性分析.分析结果表明,所建立的密度函数拟合程度较高,可应用于铣刀片铣削力的研究当中,同时可作为应力场分析边界条件,有效地提高了应力场分析效率.<1>董丽华.铣刀片的应力场分析.工具技术,1999,35(3) :1．
<2> 郑敏利,三维复杂槽型铣刀片铣削力的数学模型.制造技术与机床,2000,(5) :1
<3> 潘晓辉,陈强.Matlab全攻略宝典.北京:中国水利水电出版社.2000．
<4> 周泽华.金属切削原理.上海:上海科学技术出版社,1993．国家自然科学基金项目(50075021)变背吃刀量的情况下基本保持固定值,实验测量结果乙,=2.986~.*、.=~邺-一0 .268:4。‘,一。川;)一。t,,,,。6) J夕,I_dI,“~甘,一叮U·二111, .a,u.f 测力仪标定值SOS.llN/V,所以表达式变为 几,=2 17·25(,,一o·2111)一。“,,,(7)几,此公式在l,>0.21 11的条件下有效.用MATLAB模拟曲线程序如下: x=0.2:0.1:2 y=217.25*(x一0.2111).‘(一0.3158) Plot(x,y) 图7显示,切削力在铣刀片刀屑接触宽度方向的分布不均匀,曲线呈现递减趋势,在l,
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