（机械制造及其自动化专业论文）槽铣刀容屑槽参数优化及高速刀柄动平衡的研究.pdf

国内图书分类号：t g 7 0 2 工学硕士学位论文 幽i l l l l ll l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l y 2 2 8 0 7 5 2 槽铣刀容屑槽参数优化及高速刀柄动平衡 的研究 硕士研究生：彭中伟 导师：王志刚 申请学位级别：工学硕士 学科、专业：机械制造及其自动化 所在单位：机械动力工程学院 答辩日期：2 0 1 2 年3 月 c l a s s i f i e di n d e x ：t g 7 0 2 d i s s e r t a t i o nf o rt h em a s t e rd e g r e ei ne n g i n e e r i n g r e s e a r c ho ns l o t t e rc h i p - h o l dg l o o v e o p t i m i z a t i o n a n dh a n d l eo f h i g h - s p e e d d y n a m i c b a l a n c e c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： z h o n g w e i p e n g z h i g a n gw a n g a c a d e m i cd e g r e e a p p l i e d f o r ：m a s t e ro f e n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ： m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r ea n d a u t o m a t i o n d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： m a r c h ，2 012 u n i v e r s i t y ： h a r b i nu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文槽铣刀容屑槽参数优化及 高速刀柄动平衡的研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕 士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明 部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的 个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人 承担。 、 作者签名苏牛伟日期：2 。1 2 年；月衫日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 槽铣刀容屑槽参数优化及高速刀柄动平衡的研究系本人在哈尔滨理 工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究 成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发 表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授 权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布 论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密囹。 请在以上相应方框内打磊签名：匀喜幸纬日期：2 0 1 2 年弓月；日 作者签名：匀，叩i 甲日期：年弓月；日 导师签名：2 李例日期：2 0 1 2 年弓月 日 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 槽铣刀容屑槽参数优化及高速刀柄动平衡的研究 摘要 现代高速切削技术的发展，不仅带来了切削技术的革命性进步，同时， 他也呈现出很多生产制造问题。对于在生产中出现的问题是亟待解决的，本 文主要针对立装可转位槽铣刀容屑槽和高速刀柄动平衡进行了以下几方面研 究： 首先，针对当前在高速数控加工中可转位槽铣刀容屑槽容屑排屑上存在 的问题以及高速刀柄动平衡的问题，阅读和总结了国内外大量文献。 其次，依据球头立铣刀切屑厚度与每齿进给量优化的原理，分析可转位 槽铣刀容屑槽容屑排屑的特点，计算容屑槽体积和切屑体积，引进容屑槽容 屑系数，建立切屑厚度与每齿进给量的函数关系式和每齿进给量与工件厚度 函数关系式，最后建立槽铣刀容屑槽几何参数与切削参数之间的数学模型， 明确了容屑槽几何参数同加工参数的关系，为容屑槽的设计奠定了基础。 然后，针对槽铣刀容屑槽存在的问题，依据上述数学模型设计了新的槽 铣刀容屑槽槽型。经理论计算，所得结果满足不同加工参数排屑的要求。 最后，针对安装r f i d 射频标签组件的高速数控刀柄，利用l a g r a n g e 方 程建立了刀柄动平衡数学模型，推导出刀柄的动不平衡量。利用动平衡机进 行实验以验证数学模型，利用动平衡机测出动平衡量的方位角，然后把方位 角代入数学模型中，计算出动不平衡量，该模型所推导的动不平衡量与实验 数据基本相符。 关键字容屑槽；切削参数；动平衡；l a g r a n g e 方程 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 r e s e a r c ho ns l o t t e rc h i p - h o l dg l o o v eo p t i m i z a t i o na n dh a n d l e o fh i g h s p e e dd y n a m i cb a l a n c e a bs t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fm o d e mh i g hs p e e dc u t t i n gt e c h n o l o g yn o to n l yb r o u g h t c u _ | t ：i n gt e c h n o l o g yr e v o l u t i o n a r y ，a n d a tt h es a m et i m e ，a l s os h o w i n gal o to f m a n u f a c t u r i n gp r o b l e m s f o ri nt h ep r o d u c t i o np r o b l e m sa r e t ob es o l v e d m a i n l ys t u d yo nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： f i r s to fa 1 1 i nv i e wo ft h ep r o b l e m so fc u r r e n tn ch i g h s p e e ds l o t t e rc h i p - h o l d e r ，r e a da n ds u m m a r i z et h ep l e n t yo fd o m e s t i c sa n df o r e i g n l i t e r a t u r e s s e c o n d l y ，b a s e do nt h eb a l lm i l lc u t t e rc h i pt h i c k n e s sa n dt h eo p t i m i z a t i o n o ft h ef e e d i n gp r i n c i p l e ，a n a l y s i sc h a r a c t e r i s t i c so ft h ei n d e x a b l es l o t t e rc h i p 。 h o l d e r ，c a l c u l a t et h ev o l u m eo ft h ec h i p h o l d e ra n dc h i pt h i c k n e s s ，i n t r o d u c t i o n o ft h ec h i p h o l d e rc o e f f i c i e n t ，s e tu pt h ef u n c t i o nr e l a t i o nb e t w e e nc h i pt h i c k n e s s a n dt h e f e e do fp e rt e e t h ，a n df i n a l l ye s t a b l i s ht h em a t h e m a t i c a lm o d e lb e t w e e n t h es l o t t e r t h i p - h o l d e rg e o m e t r yp a r a m e t e r sa n dp r o c e s s i n gp a r a m e t e r s t h e n ，o nt h eb a s i so ft h em a t h e m a t i c a lm o d e l ，a sd e t e r m i n e db yt h em o d e l g e o m e t r yp a r a m e t e r sd e s i g n t h es l o t t e r ，m e e tt h er e q u i r e m e n to fp r o c e s s i n g p a r a m e t e r s a tl a s t ，a c c o r d i n gt od y n a m i cb a l a n c eo ft h eh i g h - s p e e dn ch a n d l eo f i n s t a l l i n g r f i dt a g c o m p o n e n t s ，u s i n gl a g r a n g ee q u a t i o n t oe s t a b l i s ht h e d 、m a m i cb a l a n c eo ft h em a t h e m a t i c a lm o d e l ，d e d u c et h ea m o u mo fd y n a m i c b a l a n c eo ft h eh a n d l ea f t e ri n s t a l l e dr f i dt a g s f i n a l l y ，u s i n gt h ed y n a m i c b a l a n c em a c h i n ee x p e r i m e n tv a l i d a t em a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h em a t h e m a t i c a l m o d e lo ft h ed y n a m i cb a l a b c i n gw a sc o n s i s t e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a k e y w o r d sc h i p h o l d e r ，c u t t i n gp a r a m e t e r s ，d y n a m i cb a l a n c e ，l a g r a n g ee q u a t i o n 哈尔滨理工大学工学硕士学位 目录 摘要i a b s t r a c t 】 【 第1 章绪论1 1 1 课题研究的背景和意义1 1 2 可转位槽铣刀容屑槽国内外研究及应用现状3 1 2 1 槽铣刀容屑槽研究背景概述3 1 2 2 国内有关槽铣刀容屑槽的研究6 1 3 高速刀柄动平衡国内外研究及应用现状6 1 3 1 国内有关高速刀柄动平衡的研究8 1 3 2 国外有关高速刀柄动平衡的研究1 0 1 4 论文主要研究内容10 第2 章可转位槽铣刀容屑槽数学模型的建立1 1 2 1 容屑槽与加工参数理论曲线1 1 2 2 槽铣刀容屑槽数学模型的建立1 1 2 2 1 槽铣刀容屑槽体积的计算1 1 2 2 2 切屑体积的计算一1 2 2 2 3 槽铣刀容屑槽容屑系数1 3 2 2 4 切屑厚度与每齿进给量分析1 4 2 2 5 每齿进给量与工件厚度关系推导1 5 2 2 6 容屑槽数学模型的建立1 9 2 3 容屑槽结构参数与切削参数的分析2 0 2 4 本章小结2 3 第3 章可转位槽铣刀设计2 4 3 1 槽铣刀容屑槽存在的问题2 4 3 2 槽铣刀设计2 4 3 3 本章小结2 9 第4 章r f id 高速刀柄动平衡的研究3 0 4 1 刀柄动平衡概述3 0 4 1 1 平衡质量等级3 0 4 1 2h s k 6 3 刀柄概述3 0 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 4 1 3r fid 概述3 2 4 2l a g r a n g e 方程3 3 4 2 1 约束的种类3 4 4 2 2 广义坐标3 4 4 2 3 广义力3 5 4 3 高速刀柄动平衡数学模型的建立3 6 4 3 1 刀柄动平衡坐标系的建立3 6 4 3 2 动平衡分析一3 7 4 4 动平衡试验38 4 5 本章小结4 1 结论4 2 参考文献4 3 攻读硕士学位期间发表的学术论文4 7 致： 射4 8 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 1 9 3 0 年，德国物理学家c a r l j s a l o m o n 提出了有关高速切削的观点，他总 结出：在切削速度低于一定范围内，切削温度会随着切削速度的增加而增加， 过1 亩的切削温度对切削刀具的寿命和刀具的磨损影响很大；但是随着切削速度 的进一步提高，超过一定的值后，切削速度虽然增加了，但是切削温度并没有 随着增加，会出现下降的情况。因此，可以通过提高切削速度的方法来降低切 削温度，切削温度降低了，刀具的磨损和刀具寿命就可以延长，而且切削速度 提j 葛了，还可以降低加工工件的粗糙度，更可以提高经济效益。 现在数控加工技术的广泛应用，使得高速切削理论被大家广泛的接受和应 用。并将这一技术广泛的应用与实际生产中，很多专家和学者更对高速切削技 术进行了更深层次的研究，逐渐形成了现代数控高速切削技术。数控高速切削 技：术在西方发达国家已经发展的很成熟了，他们从理论基础的研究，应用技术 的研究，以及技术的应用和推广，都已经很成熟了，现在已经进入了实质应 用。， 从1 9 8 0 年开始，现代高速切削制造技术就已经在实际生产中被广泛应 用现代高速切削制造技术在实际生产加工的好处也被广泛的了解，使得他的 应用范围更进一步扩大，从航空航天领域、汽车制造、轮船，这些重大型行业 到一般的生产加工中，都采用了现代高速切削制造技术。数控机床的广泛普 及：使得现代高速切削制造技术将在本世纪得到更加广泛的发展和应用。 但是目前，高速切削还没有一个很确切的定义，到底多高的速度算是高速 切削呢，这对于不同行业和不同加工材料的要求是不一样的。大家普遍认为当 切削速度达到正常切削速度的5 - 1 0 倍以上，算是高速切削。有很多学者以机 床主轴的转速作为恒定高速切削的标准，认为机床主轴转速达到1 0 0 0 0 r m i n 算：是高速切削。还有的学者把机床主轴直径和主轴的转速的乘积作为高速切削 的：标准，认为当二者的乘积达到( 5 2 0 0 0 ) 1 0 5 m m r m i n 即为高速切削加 工，但是具体是什么标准，都应该以满足实际生产的需要为前提，一般认为根 据工艺的不同，切削速度也不一样，车削加工时切削速度达到( 7 0 0 - - - 7 0 0 0 ) m a t i n ，铣削加工时，切削速度达到( 3 0 0 - - 一6 0 0 0 ) m m i n ，即认为是高速切削 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 加工。 当然，要想实现高速切削加工，也需要很多条件，需要很多领域技术配合 才能实现。高速切削对数控机床的要求很高，机床主轴的刚性，精密度等都能 影i 】| 句最大切削速度，还有切削刀具在实际应用中均能影响切削速度。而且高速 切削只能应用与旋转刀具加工中，像镗铣加工，孔加工刀具。机床主轴的转速 通常达到1 0 0 0 0 r m i n 以上。当主轴转速达到1 0 0 0 0 r r a i n 以上时，切削刀具 中存在的不平衡量将对生产加工产生很大的影响，切削速度很高时，切削刀具 中存在的很小的不平衡量就会对机床主轴的磨损、振动等产生很大的影响。还 有由此产生的振动会影响加工产品的表面质量，影响切削刀具的寿命。因此， 要发展高速切削技术，首先应该研究旋转刀具的动平衡技术。在刀具设计生产 过程中，有效的控制动不平衡量是必须要考虑的问题。动平衡技术的发展将会 是影响和制约高速切削技术发展的前提条件。 在实际加工过程中，高速切削主轴转速很高，使得加工工件材料硬化来不 及发生，工件变形只在小范围内进行，并且由于切削速度的提升，加工参数也 跟着需要修改，每齿进给量相应的也减小了，这样在力n y - 过程中的切削力也较 以前小了，切削力小了，加工过程中的切屑也变小了，振动也减小了，剪切角 也相应的减小了，随着而来的摩擦系数也减小了，这些都是高速切削技术所带 来的好处。 高速切削技术较以前的低速切削具有明显的优势，能提高切削的效率，降 低生产成本，提高经济效益。第一，可以通过提高切削速度的方法来降低切削 温度，切削温度降低了，刀具的磨损和刀具寿命就可以延长了。第二，可以通 过提高切削速度的方法来降低切削力，高速切屑过程中的切削力哭减低达3 0 以上，采取很高的切削的切削速度，很小的进给量，对机床主轴，部件，旋转 刀具，加工工件都是十分有利的。不仅能降低机床主轴和切削刀具的振动，提 高加工工件的表面质量，还能延长机床和加工刀具的寿命，减小磨损量。第 三，提高切削速度，增加进给速度，能提高材料的切除率，减小加工工时，提 高生产效率，增加经济效益。第四，增加切削速度和进给速度，减小进给量， 均能使加工过程中的切削热减小，产生的热量很快就被切屑带走了，工件热效 应小，切削刀具变形小，磨损量也减小了，工件变形只在小范围内进行，并且 由于切削速度的提升，加工参数也跟着需要修改，每齿进给量相应的也减小 了，这样在加工过程中的切削力也较以前小了，切削力小了，加工过程中的切 屑也变小了，振动也减小了，有利于控制加工工件的表面质量。第五，增加切 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 削速度和进给速度，减小进给量，均能使加工过程中的切削热减小，产生的热 量很快就被切屑带走了，工件热效应小，切削刀具变形小，有利于实现干式切 削，切削液对于环境的污染是很严重的，切削液中的一些重金属含量很高，切 削液的乱排放可以污染我们的地下水，造成恶性循环。同时，不使用切削液还 可以降低生产成本，增加经济效益。 对于槽铣刀来说，在切削过程中，容屑槽是处于封闭状态的，切屑只有当 槽铣刀离开工件时，切屑才能排出，因此槽铣刀容屑槽的容屑能力是其中一个 亟待解决的问题。 高速数控刀柄应用时，刀柄的转速达到2 0 0 0 0 r m i n 以上，刀柄很微小的动 不：平衡量就会对整个工具系统产生很大的震动，对机床主轴和刀柄的寿命影响 很：大，因此需要研究高速刀柄的动平衡。 1 2 可转位槽铣刀容屑槽国内外研究及应用现状 1 2 1 槽铣刀容屑槽研究背景概述 本文数学模型的推导思想来源于立铣刀每齿进给量与切屑厚度优化的原 理。 切削工具切削的极限通常是以最大切屑载荷( c h i pl o a d ) 衡量的。我们一 般所使用的计算公式都是以每齿进给量a p t ( a d v a n c ep e rt o o t h ) 进行计算 的。而每齿进给量彳尸丁( a d v a n c ep e rt o o t h ) 和切屑载荷( c h i pl o a d ) 又可以相 互转化。这是一种误解。切屑载荷( c h i pl o a d ) 对应着切屑厚度( c h i p t h i c k n e s s ) ，而不是每齿进给量a p t ( a d v a n c ep e rt o o t h ) 。 每齿进给量a p t ( a d v a n c ep e rt o o t h ) 的定义为当刀具旋转时进给的增加，公 式为： z ：上( 1 - 1 ) 厂= l 儿 z n 式中：盱为进给速度，z 为齿数，1 1 为转速 当刀具工作时，切屑厚度是被切削刃从工件上“咬”下来的。对于一个典 型的立铣刀来说，切削深度为铣刀直径的2 3 ，切屑厚度增加，直至达到中心 线以上时，才等于每齿进给量。 切削刃离开工件时，切屑厚度变为零。在某一次加工中，每齿进给量是常 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 数，而切屑厚度是循环变化的。当立铣刀的切深太浅时，实际的切屑厚度与进 给量相比是小很多的。所以此时应该加大进给量。 应用球铣刀加工时，球铣刀的切削刃并没有完全的参与切削，在球铣刀中 心线上的转速为零，要想确定轴向切屑厚度，首先应该先确定有效直径。 当切深变化时，立铣刀的有效直径也随着变化。立铣刀的转速是由铣刀参 与切削的直径决定的，计算时应该用立铣刀的有效直径计算而不是直接用立铣 刀的直径计算。 图卜l 切屑轴向宽度示意图 f i g 1 1a ) 【i a lc h i pw i d t hs c h e m e s 图卜2 切屑厚度大于厶 f i g 1 - 2c h i pt h i c k n e s sm o r et h a nf z 有效切削直径是由切深和立铣刀直径决定的，铣刀转速用切深和有效直径 求得。有效直径的计算公式为： d f = 2 4 r 2 一 一咋) 2 ) 式中：夙为有效切削直径，刀为球头立铣刀半径，为切深 为了达到最大的生产效率，应用球头立铣刀设定主轴转速时，应考虑有效 直径。 轴向切屑厚度会影响切屑厚度，当计算切屑厚度和进给速度时，应该考虑 - 4 - 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 a c t f 。a c t f 是由铣刀直径和切深共同决定的。说明了轴向切屑厚度的定义。当 轴向切深增加时，轴向切屑厚度也随着增加。 图1 - 3 有效直径示意图 f i g 1 - 3e f f e c t i v ed i a m e t e rs c h e m e s a c t f 公式为： 一2 加一等) 2 当轴向切深大于或者等于球头立铣刀半径时，a c t f = 1 r c t f 是由刀具半径和径向切深决定的。计算r c t f 时， 的有效半径而不是球头立铣刀的直径。 r c t f 公式为： 尺c 腰= i - ( 12 x w o c ) 2 式中：w o c 为径向切屑宽度。 篙躲 心 1泠己 ， 韧濠龋 1 图1 - 4 切屑轴向厚度示意图 fig 1 4a x i a lc h i pt h i c k n e s ss c h e m e s ( 1 3 ) 应该用球头立铣刀 ( 1 4 ) 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 切震经 曩董曼 董：，；爹爹萋至 避誊；i l ：。妒忒誊 迸绘j ；| ；| 爹辩鍪攀 一毙 “割 图1 - 5 切屑径向厚度示意图 f i g 1 - 5r a d i a lc h i pt h i c k n e s ss c h e m e s 最后，计算切屑系数的目的是为了优化进给量，为了得到合适的进给 量。用切屑厚度除以f c f ，就是我们优化的进给量。 厂：旦 “尺丁 ( 1 5 ) 1 2 2 国内有关槽铣刀容屑槽的研究 1 9 8 9 年6 月，华侨大学机械工程系的钟俊清和杨华敏老师在等螺旋角锥 形立铣刀容屑槽槽型的理论分析一文中研究了等螺旋角锥形立铣刀容屑槽的 槽型特点及其形成方法，推导了槽型的计算公式并编写了相应的计算机程序， 利用该程序可以在进行实际的切削加工前，在计算机上绘制其加工槽型，并计 算前角、刃带宽度，有利于正确的选择刀具及调整结构参数。 2 0 0 5 年，湖南工程学院机械电子工程系的王敏之和刘玉松在正前角成型 铣刀容屑槽一文中阐述了铲齿成型铣刀端面容屑槽型参数与铲削运动的关 系，提出正前角铲齿成型铣刀结构设计的新方法，并给出结构参数及齿根厚度 计算的理论公式。 2 0 0 7 年5 月，昆明理工大学机电工程学院的刘新胜、庆华在复杂三维槽 型刀片断屑过程有限元分析一文中利用d e f o r m 3 d 模拟断屑过程，确定最 佳尺寸，并用试验方法验证了有限元分析方法的有效性。 1 3 高速刀柄动平衡国内外研究及应用现状 从1 9 8 0 年开始，现代高速切削制造技术就己经在实际生产中被广泛应 用，现代高速切削制造技术在实际生产加工的好处也被广泛的了解，使得他的 应用范围更进一步扩大，从航空航天领域、汽车制造、轮船，这些重大型行业 6 - 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 到一般的生产加工中，都采用了现代高速切削制造技术。数控机床的广泛普 及，使得现代高速切削制造技术将在本世纪得到更加广泛的发展和应用。而且 高速切削只能应用与旋转刀具加工中，像镗铣加工，孔加工刀具。机床主轴的 转速通常达到1 5 0 0 0 r r a i n 以上。当主轴转速达到2 0 0 0 0 r r a i n 以上时，切削 刀具中存在的不平衡量将对生产加工产生很大的影响，切削速度很高时，切削 刀具中存在的很小的不平衡量就会对机床主轴的磨损、振动等产生很大的影 响。还有由此产生的振动会影响加工产品的表面质量，影响切削刀具的寿命。 因此，要发展高速切削技术，首先应该研究旋转刀具的动平衡技术。在刀具设 计生产过程中，有效的控制动不平衡量是必须要考虑的问题。动平衡技术的发 展将会是影响和制约高速切削技术发展的前提条件。 这就告诉我们，在进行高速切削过程时，一定要认真进行刀具和刀具系统 的动平衡。 在高转速、高离心率的情况下，双面夹紧刀柄( h s k ) 与主轴的结合更加 紧密，也更具刚性，已在提高加工效率方面取得了明显效果。不过当主轴转速 达3 0 0 0 0 r m m 或以上时，主轴、刀柄、刀具三者在旋转时应具有极高的同心度 及动平衡能力，否则转速越高，离心力越大，当达到系统的临界状态后，将会 使刀柄、刀具系统发生激振，其结果是加工质量下降，刀具寿命缩短，主轴轴 承磨损严重甚至损坏。 现在数控加工技术的广泛应用，使得高速切削理论被大家广泛的接受和应 用。并将这一技术广泛的应用与实际生产中，很多专家和学者更对高速切削技 术进行了更深层次的研究，逐渐形成了现代数控高速切削技术。数控高速切削 技术在西方发达国家已经发展的很成熟了，他们从理论基础的研究，应用技术 的研究，以及技术的应用和推广，都已经很成熟了，现在已经进入了实质应 用。 但是目前，高速切削还没有一个很确切的定义，到底多高的速度算是高速 切削呢，这对于不同行业和不同加工材料的要求是不一样的。大家普遍认为当 切削速度达到正常切削速度的5 - 1 0 倍以上，算是高速切削。有很多学者以机 床主轴的转速作为恒定高速切削的标准，认为机床主轴转速达到1 0 0 0 0 r m i n 算 是高速切削。还有的学者把机床主轴直径和主轴的转速的乘积作为高速切削的 标准，认为当二者的乘积达到( 5 - - 2 0 0 0 ) 1 0 5 m m r m i n 即为高速切削加工。 但是具体是什么标准，都应该以满足实际生产的需要为前提，一般认为根据工 艺的不同，切削速度也不一样。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 由于高速切削技术的巨大优势，使得很多国家都在研究高速切削技术，有 的国家已经开始发展超高速切削技术了。美国在1 9 7 0 年就已经成功生产出了 最高主轴转速达到2 0 0 0 0 r m i n 的高速铣床。在欧洲，已经把超高速机床商业 化，他们生产的超高速机床的主轴转速甚至已经超过5 0 0 0 0 r 彳r a i n ，已经应用到 航空航天、汽车制造、模具加工等行业中。例如美国波音飞机制造公司，已成 功应用超高速切削加工一些难加工零部件，如铝合金、钛合金等薄壁结构，波 导管、挠性陀螺框架等普通方法难加工的零件。近年来，美、欧、日等国对新 一代数控机床、高速加工中心、高速工具系统的研究和产业化进程进一步加 快，高性能的电主轴技术及其产品的专业化生产步伐加大；高性能的刀具系统 技术也进展迅速；直线电机技术应用于高速进给系统。 我国在研究和开发高速切削技术方面，许多高校和研究所作了努力和探 索，包括切削机理、刀具材料、主轴轴承、等方面，也取得了相当大的成就。 然而，与国外工业发达国家相比，仍存在着较大的差距，基本上还处在实验室 的研究阶段。为适应社会经济发展需要，满足航空航天、汽车、模具等各行业 的制造需求，数控高速切削技术应用研究任重道远。 目前，针对高速切削技术的研究已从实验阶段转向应用阶段。在应用方面 的研究包括两个层面：一是高速加工关键技术的基础理论研究，包括高速主轴 单元和高速进给单元等，实现高速机床国产化。另一方面，在现有实验室实践 技术基础上，进行工艺性能和工艺范围的应用研究。其中，关于高速切削工艺 的研究是当前最活跃的研究领域之一，主要目标是通过试验或引进的先进设备 直接进行工艺研究，努力解决关键零部件的加工工艺问题，开发和完善特种材 料的高速切削工艺方法；研究开发适应高速加工的c a d c a m 软件系统和后处 理系统，建立在新型检测技术基础上的加工状态安全监控系统。 铣刀为多齿回转刀具，其每一个刀齿都相当于一把车刀固定在铣刀的回转 面上。铣削时同时参加切削的切削刃较长，且无空行程，切削速度也较高，生产 率较高。铣刀种类很多，结构不一，应用范围很广，按其用途可分为加工平面 月铣刀、加工沟槽用铣刀、加工成形面用铣刀等三大类。通用规格的铣刀已标 准化，一般均专业工具厂生产。 1 3 1 国内有关高速刀柄动平衡的研究 2 0 0 2 年，山东大学机械工程学院的刘战强的高速切削刀具的动平衡对 引起主轴一刀具系统产生动不平衡因素进行了分析并介绍了刀具的动平衡技 8 。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 术。 2 0 0 3 年3 月，东方汽轮机厂的胡廷瑞在转子动平衡的几个优化算法中 介绍了影响系数法，影响系数余量法，定相位角最佳算法，单平面加重的优化 搜索法及优化影响系数等转子动平衡的计算方法及各算法的m a t l a b 应用程 序。， 2 0 0 3 年4 月，广州白云职业技术学院机电工程系徐盛学和华中科技大学机 械科学与工程学院的杨佳军在高速切削系统的动平衡设计中指出高速切削 工：具系统在结构平衡上的优越特点，提出了在线自动动平衡的工作原理。 2 0 0 3 年9 月，江苏大学的王树林、王贵成在高速加工刀具的动平衡失 稳一文中建立了高速回转件的动平衡失稳数学一力学模型，提出了高速回转 件的动平衡失稳的临界转速新方法并论证了新方法的合理性，提出了解决高速 回：转件的动平衡失稳的有效措施。 2 0 0 3 年，重庆工学院的陈世平在高速切削刀具动平衡技术的研究这篇 文章中不仅详述了高速旋转刀具系统动平衡技术的发展现状，并在此基础上提 出动平衡等级的确定并进行讨论。 2 0 0 5 年4 月，石河子大学机电学院的陈志刚和吴雪飞在基于p r 0 e 和 a d a m s 在圆柱齿轮减速器的参数化建模及运动仿真一文中提供了参数化建模 的方法和步骤，并给出了在a d a m s 中进行运动仿真的操作过程和步骤，以实现 机构运动仿真。 2 0 0 6 年1 月，兰卅i 理工大学机电工程学院的谢黎明、唐林虎发表了高速 旋转刀具系统动平衡技术的研究，从理论上分析了高速加工刀具系统产生动 不平衡的影响因素，并运用a n s y s 软件对其进行静力学，提出了改善刀具系统 动平衡的技术方案。 2 0 0 7 年4 月，湘潭大学的谭志飞和黄辉先在基于p r o e 和a d a m s 的机械 手运动学仿真一文中介绍了利用三维软件和动力学分析软件对构件的动平衡 仿真分析。 2 0 0 9 年，江苏大学的沈春根在h s k 主轴一工具系统不平衡精度等级的计 算和控制一文，分析了h s k 主轴一工具系统不平衡的因素，利用公式计算了 不同刀柄和刀具不同精度等级对整个系统的平衡的影响程度。在高速加工工 具系统的动平衡分析一文中，重点分析了工具系统产生动不平衡的影响因 素，阐述了高速加工对工具系统动平衡的精度等级要求。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 ：；2 国外有关高速刀柄动平衡的研究 德国的动平衡技术始终处于领先地位，德国申克公司近年来一直在进行激 光动平衡技术的研究，激光动平衡技术是用带有控制系统的激光头来平衡高速 旋转的转子，利用激光聚焦射束非接触地从高速旋转的精密陀螺转子自动而离 散地去除动不平衡量，从而代替费工的，烦琐的，停机钻孔的平衡方法，并解决 了钻床打孔对转子支承的作用力问题。由于激光束去除质量时对转子的作用力 小，从而校正挠性陀螺转子更为合适，因为激光束校正时，不会使支承转子的挠 性接头细颈发生变形或受到损伤u 、2 0 、，1 。 法国e p b 公司特制的平衡刀柄产品内装了平衡配重机构，并设置了配重 刻度，通过转动配重环，调整其相对位置，即可补偿因刀具结构不对称或调刀 引起的不平衡量；德国w a l t e r 公司的高速面铣刀则采用螺钉调节不平衡量1 9 1 。 1 4 论文主要研究内容 本文在国家“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项课题“高速数 控机床用高精度、智能化新型工具系统( 2 0 0 9 z x 0 4 0 1 2 0 1 1 ) ”项目支持下，配 合哈量集团数控刀具研究所和实际生产需求所进行的。论文主要研究内容如 下： 1 综述了可转位槽铣刀容屑槽的研究现状，分析了球头立铣刀切屑厚度 和每齿进给量的优化模型。 2 分析可转位槽铣刀容屑槽容屑排屑的特点，计算容屑槽体积和切屑体 积，引进容屑槽容屑系数，建立切屑厚度与每齿进给量的函数关系式 和每齿进给量与工件厚度函数关系式，最后建立槽铣刀容屑槽几何参 数与加工参数之间的数学模型。 3 依据容屑槽的数学模型，所确定的容屑槽几何参数设计容屑槽，满足 加工参数容屑的要求。 4 针对安装r f i d 射频标签组件高速数控刀柄引起的动不平衡量，利用 l a g r a n g e 方程建立了的刀柄动平衡数学模型，推导出安装r f i d 射频 标签组件后的动不平衡量，为设计人员在刀柄结构设计阶段考虑该动 不平衡量引起的几何尺寸变化。最后利用动平衡机实验验证数学模 犁。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第2 章可转位槽铣刀容屑槽数学模型的建立 本章节问题的提出，是基于目前立装槽铣刀在加工过程中( 加工参数为： 工件厚度为8 2 m m ，进给速度为：5 0 - 1 2 0 m m m i n ，转速为：8 0 - 1 0 0 r p m ) ，出现了 刀片被整体压碎的情况，初步分析排除了刀片材质、几何精度等方面的原因， 考虑到可能跟容屑有关，为此进行了本章的计算推导。 2 1 容屑槽与加工参数理论曲线 在讨论槽铣刀容屑槽的容屑能力时，主要讨论加工用量为最大进给时的临 界状态，假设切屑全部均匀的填充到容屑槽中，即当k = 砭时，由公式可得： c t x h x 畋= s x a ( 2 1 ) 化简后可得式( 2 2 ) ： c t ：旦( 2 2 ) 爿 式中：c t 为切屑厚度；日为工件厚度；s 为容屑槽侧面积；a p 为铣刀刀片切削 刃长。 这样，当容屑槽的形状不变即s 是常数，就得到c t 与h 的反比例函数关 系。 2 2 槽铣刀容屑槽数学模型的建立 2 zl 槽铣刀容屑槽体积的计算 槽铣刀容屑槽到底能容纳多少切屑，这与容屑槽体积的大小有直接关系， 首先先计算容屑槽的体积，容屑槽侧面如图( 2 1 ) 所示。 b d = 厶，c e = l z ，_ _ 1 = 0 ( 2 3 ) 根据图形的几何尺寸，经计算可知容屑槽的侧面积s 为式( 2 - 4 ) ： s = s b d c s 心o e + s 心eq 书 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 d e 图2 1 容屑槽侧面图 f i 吕2 1c h i p - h o l dl a t e r a lm o d e l 代入容屑槽几何参数可得式( 2 5 ) ： r、r、 拈三s i n 良卜壶卜彘卜翟r 2 + 掣 q 5 铣刀片在切削过程中，只有铣刀刀片的部位参与切削工件，所以切削产生 的切屑的体积只有铣刀刀片的部位，故容屑槽体积的计算只用铣刀片部分的容 屑槽体积，如图( 2 - 2 ) 中斜线部分所示。 图2 - 2 容屑槽体积图 f i g 2 - 2c h i p - h o l dv o l u m e 计算公式为： 、= s a f 2 6 1 式中巧为容屑槽的体积，s 为容屑槽侧面积，a 。刀片切屑刃宽度 2 2 2 切屑体积的计算 槽铣刀的每次进给所切削的工件尺寸是个不规则的圆弧型，它的体积计算 可以近似的取长方体的体积来计算。槽铣刀每齿进给产生的切屑体积如图( 2 一 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 3 ) 所示， c t 、 8 宅、。 r 小 址 t h r 、r 、 o ：= + ：、一一一 l 董li 。 、 。一 图2 - 3 切屑体积计算示意图 f i g 2 - 3c h i pv o l u m ec a l c u l a t i o ns c h e m e s 计算公式为： k = c t x 日呸( 2 7 ) 式中：巧为切屑体积；c t 为被切下工件的厚度( c h i pt h i n k n e s s ) ；h 为加工工 件厚度；a 。为刀片切屑刃宽度 2 2 3 槽铣刀容屑槽容屑系数 在实际加工过程中，当工件被切削后，由于切屑的卷曲变形，产生切屑的 体积是大于实际加工所切下的工件的体积，为此引进容屑槽容屑校正系数月汀 ( t h ef e e dc o r r e c t t i o nf a c t o r ) ，容屑槽容屑校正系数可以修正由于切屑的卷瞳 变形带来的切屑体积膨胀。 1 切屑径向宽度系数( t h er a d i a lc h i pt h i n n i n gf a c t o r ) r c 砑= 口、1 - ( 1 2 x r w o c , ) 2 ( 2 - 8 ) 式中：r c t f 为切屑径向宽度系数；r w o c 为径向切屑宽度( r a d i a lw i d t ho f c u o ，即从刀具径向观察切屑的宽度；d o c 为刀具直径( d i a m e t t e ro f c u t t e r ) 。 上式中的各个参数可见图( 2 _ 4 ) 所示，在加工过程中，在2 次进给之间，工 件将被切下的工件尺寸如图中阴影部分所示。 2 切屑轴向宽度系数( t h ea x h 2 lc h i pt h i n n i n gf a c t o r ) 彳c t f = a 1 - ( 1 2 x a w o c 2 ( 2 9 ) 式中：a c t f 为切屑轴向宽度系数；a w o c 为轴向切屑宽度( a x 妇lv f i d t ho f c u t ) ，即从刀具轴向观察切屑的宽度；d o c 为刀具直径( d i a m e t t e ro f c u t t e o 。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 、蜷甓刀 1 诵豳确 图2 4 槽铣刀加工过程径向视图 f i g 2 - 5s l o t t e rp r o c e s s i n gr a d i a lv i e w 3 容屑槽容屑系数 f c _ ：f = r c 珏x a c i f f c f ：n1 - ( 1 2 x r w o c 2 q 1 _ ( 1 2 x a w o c ) 2 咫= 口1 - ( 1 2 x h - 2 口、- 叫一面2 x a e ，, 2 ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 )