神會(huì)存,宗萬栓,王 晶

(中原工學(xué)院,鄭州 450007)

PCBN可轉(zhuǎn)位面銑刀動(dòng)態(tài)銑削力研究

神會(huì)存,宗萬栓,王 晶

(中原工學(xué)院,鄭州 450007)

針對(duì)面銑刀銑削加工的特點(diǎn),建立了單齒和多齒銑削力模型,據(jù)此研究了銑削時(shí)刀具所受的動(dòng)態(tài)載荷,并對(duì)動(dòng)態(tài)銑削力的頻譜進(jìn)行了分析.分析結(jié)果表明:銑刀齒數(shù)大于2且為偶數(shù)時(shí),在工作平面內(nèi)對(duì)機(jī)械機(jī)構(gòu)不產(chǎn)生激勵(lì);根據(jù)不同被加工材料,適當(dāng)改變刀具前角可以減小銑削力.

PCBN;可轉(zhuǎn)位面銑刀;動(dòng)態(tài)銑削力

PCBN(聚晶立方氮化硼)刀具是近些年發(fā)展起來的超硬材料刀具,它具有硬度高、耐熱與耐磨性好、不易與鐵族金屬發(fā)生粘結(jié)等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于難加工材料加工、硬切削等領(lǐng)域[1-4].高速銑削是PCBN刀具最重要的用途之一.銑削力是銑削加工中產(chǎn)生振動(dòng)的主要原因.本文主要針對(duì)面銑刀銑削加工中的特點(diǎn),建立單齒銑削力和多齒銑削力的模型,以此來研究銑削時(shí)刀具所受的動(dòng)態(tài)載荷,并對(duì)動(dòng)態(tài)銑削力的頻譜進(jìn)行分析,為開發(fā)設(shè)計(jì)面銑刀提供參考依據(jù).

1 面銑刀單齒銑削力模型

根據(jù)金屬切削原理,銑削時(shí)的切削層是指銑刀相鄰2個(gè)刀齒在工件上形成的過渡表面之間的一層金屬層.銑削中不同瞬間,切削層橫截面形狀和尺寸都在不斷變化,因而切削層也是變化的.銑削中切削層公稱寬度的大小取決于作用主切削刃的長(zhǎng)度,其大小bD表示為:

式中:ap—銑削深度;kr—刀具主偏角.

對(duì)于面銑刀銑削,刀齒在任意位置的切削層公稱厚度 hD為:

式中:φ—刀尖銑削點(diǎn)的進(jìn)給方向角;fz—每齒進(jìn)給量.

面銑刀沿銑削進(jìn)給方向、法向、軸向銑削力分別表示為:

式中:kc—單位面積的銑削力;λ—與銑削條件有關(guān)的系數(shù).

通過矩陣計(jì)算,把 Fp、FcN、Fc轉(zhuǎn)換成軸向銑削分力Fx、徑向銑削分力 Fy和切向銑削分力Fz,矩陣關(guān)系表達(dá)式為:

可求得:

2 面銑刀多齒銑削力模型

隨著接觸角的不斷增大,面銑刀一般為多齒銑削,根據(jù)面銑刀銑削的特點(diǎn),繪制面銑刀多齒銑削時(shí)切削力關(guān)系,如圖1所示.

圖1 面銑削多齒切削模型

當(dāng)θi=2π/z時(shí),面銑刀為等齒距;設(shè)轉(zhuǎn)角β為面銑刀銑削時(shí)的變量,則β可表示為時(shí)間t的函數(shù),即:

BIM技術(shù)自研發(fā)應(yīng)用以來，在我國(guó)各行各業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，尤其是對(duì)橋梁建筑來說，通過BIM技術(shù)的應(yīng)用能夠?qū)こ陶w情況進(jìn)行分析和研究，并通過信息數(shù)據(jù)的及時(shí)收集和處理，提高了圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的質(zhì)量，更好的為橋梁施工提供技術(shù)支持，延長(zhǎng)橋梁的使用壽命。

β=2nπt

此時(shí)β的范圍為:

通過疊加原理,則可以求得多齒面銑刀第 j號(hào)刀齒銑削力的瞬時(shí)表達(dá)式:

其中:pj—第 j號(hào)齒距和齒距平均的比值;kcp—單位平均銑削力;φj(β)—第 j號(hào)銑刀齒的進(jìn)給方向角;fzp—每齒進(jìn)給量的平均值.

3 等齒距面銑刀銑削力的頻譜分析

銑削是一個(gè)斷續(xù)切削過程,刀齒受到的機(jī)械沖擊和溫度變化都很大.刀齒所受的交變銑削力會(huì)造成受迫振動(dòng),如果受迫振動(dòng)的激振頻率與機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有頻率相近,就會(huì)產(chǎn)生共振.為了避免共振的發(fā)生,我們對(duì)等齒距面銑刀的激振頻率進(jìn)行分析,改變激振頻率,使之遠(yuǎn)離機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有頻率.

等齒距面銑刀銑削時(shí),所有銑刀齒的切削條件都一樣,相應(yīng)的銑削力的波形也相同,所以,此類面銑刀銑削力的頻譜分析只需要對(duì)相同單齒切削力波形組成的周期波進(jìn)行研究分析.

假設(shè)等齒距銑刀單齒切削力波形為 F1(t),則 x、y、z 3個(gè)方向的切削力表示為:

如果把面銑刀刀齒切削力看作單脈沖函數(shù),則由狄拉克函數(shù)

對(duì)上式進(jìn)行傅里葉變換,可得到周期切削力的頻譜表達(dá)式:

其中:

基頻fz=1/tz=nz;

獲得離散頻譜的采樣頻率 f=hf2,h=1,2,….

由傅里葉變換可得:

等齒距面銑刀順銑加工時(shí),將φ(t)=π-φ0+2πnt代入式(5),可得 :

把 F

x

(t)和 F

y

(t)的值代入式(8),求得:

將上代入式(7),可求得x、y方向的切削力頻譜表達(dá)式為:

圖2和圖3所示分別為2種齒數(shù)不同的面銑刀銑槽時(shí)的銑削頻譜.

從圖2、圖3可以看出,如果面銑刀的齒數(shù)為偶數(shù)(z=4)時(shí),在 Fx和Fy2個(gè)方向的頻譜圖上,所有的采樣點(diǎn)都位于圖中的零值處,此時(shí)在工作平面內(nèi)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生激勵(lì).如果面銑刀的齒數(shù)為奇數(shù)(z=5)時(shí),采樣點(diǎn)在2幅圖上會(huì)間隔地處于峰頂和零值處,可產(chǎn)生很大的激勵(lì).

分析式(7)得知:等齒距銑刀切削力的譜值受單齒切削力頻譜函數(shù)的影響,當(dāng)單齒切削力頻譜函數(shù)確定時(shí),還受采樣頻率的影響,其銑削力的譜值只可能出現(xiàn)在激振頻率 f=hfz上.

由式(7)可知等齒距面銑刀激振力的頻率取決于轉(zhuǎn)速 n和齒數(shù)z,即

fz=nz

分析上式可知,等齒距面銑刀的激振頻率 fz取決于面銑刀齒數(shù)z.因此,設(shè)計(jì)面銑刀時(shí),要選擇合理的面銑刀齒數(shù),使銑削力的激振頻率避開機(jī)械結(jié)構(gòu)固有頻率,從而使銑削過程更加平穩(wěn).

由面銑刀單齒切削力表達(dá)式(5)、面銑刀周期切削力表達(dá)式(6)和周期切削力頻譜表達(dá)式(7)可看出,單位銑削力kc在面銑刀的銑削力頻譜分析中非常重要,kc直接影響面銑刀單齒切削力的大小,進(jìn)而影響到等齒距面銑刀周期切削力和譜值.圖3表明在不同接觸角的情況下,隨著單位銑削力的減小,面銑刀銑削力幅值也減小.所以,可以減小單位銑削力,進(jìn)而減小銑削力的譜值.

由金屬切削原理可知,面銑刀進(jìn)行銑削加工時(shí),如果刀具材料和被加工材料都已確定,單位銑削力和面銑刀的前角成反比關(guān)系.若刀具材料選擇聚晶立方氮化硼(PCBN),被加工材料分別為鋁合金和灰鑄鐵,則單位銑削力隨面銑刀前角的變化曲線如圖4所示.

圖4 面銑刀銑削力譜值的變化關(guān)系

圖5所示是PCBN刀具切削鋁合金、淬硬鋼和灰鑄鐵時(shí)單位切削力跟前角的變化關(guān)系.從圖5可以看出,單位切削力隨前角的增大而減小,在加工不同材料時(shí),可通過改變面銑刀前角的途徑來降低切削力,進(jìn)而使切削力的譜值減小,從而使切削過程中產(chǎn)生的熱量減少,減輕刀具的磨損.當(dāng)銑削鋁合金時(shí),應(yīng)取較大前角;當(dāng)銑削強(qiáng)度高、硬度大的材料(如淬硬鋼、冷硬鑄鐵)時(shí),可采用很小的前角或者是負(fù)前角.

圖5 PCBN刀具切削時(shí)單位切削力的變化

4 結(jié) 語

本文針對(duì)面銑刀銑削加工的特點(diǎn),建立了單齒和多齒銑削力模型,據(jù)此研究了銑削時(shí)刀具所受的動(dòng)態(tài)載荷,并對(duì)動(dòng)態(tài)銑削力的頻譜進(jìn)行了分析.分析結(jié)果表明:面銑刀全銑削時(shí),銑刀齒數(shù)大于2且為偶數(shù)時(shí),在工作平面內(nèi)對(duì)機(jī)械機(jī)構(gòu)不產(chǎn)生激勵(lì).銑削力的大小與刀具前角有很大關(guān)系,加工不同材料時(shí),可通過改變面銑刀前角的途徑來降低切削力,進(jìn)而使切削力的譜值減小,從而使切削過程中產(chǎn)生的熱量減少,減輕刀具的磨損.當(dāng)銑削鋁合金時(shí),應(yīng)取較大前角;當(dāng)銑削強(qiáng)度高、硬度大的材料(如淬硬鋼、冷硬鑄鐵)時(shí),可采用很小的前角或者是負(fù)前角.

[1] 劉獻(xiàn)禮.聚晶立方氮化硼刀具及其應(yīng)用[M].哈爾濱:黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社,1999.

[2] Ren X J,Wang M Z,Kong X.Application of PCBN Tools in the Machining of Iron-based Hard-facings[J].International Journal of Machining and Machinability of Materials,2006,1(3):367-377.

[3] 劉獻(xiàn)禮,肖露,嚴(yán)復(fù)鋼,等.PCBN刀具的發(fā)展性能及應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造工程,2002(1):37-39.

[4] 張京英,于啟勛,龐思勤.21世紀(jì)PCBN刀具的發(fā)展與展望[J].航空制造技術(shù),2009(6):40-44.

Study on Dynam ic M illing Force of PCBN Indexable Face M illing Tool

SHEN Hui-cun,ZONGWan-shuan,WANG Jing
(Zhongyuan University of Technology,Zhengzhou 450007,China)

Acco rding to characteristics of milling p rocess using face milling tool,single-tooth m illing force model and multi-teeth milling model are established,and frequency spectrum of dynamic milling force is analyzed.Analysis results show:w hen both conditions of the num ber of face m illing tool teeth is even and its value ismore than 2,no excitation is generated in working p lane.According to different p rocessed materials,milling fo rce can be reduced through changing rake angle of tool p roperly.

PCBN;indexable face milling tool;dynamic milling force

TP142

A DO I:10.3969/j.issn.1671-6906.2010.04.003

1671-6906(2010)04-0011-04

2010-06-18

河南省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(092102210289);河南省政府決策研究招標(biāo)課題(8577);河南省教育廳自然科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2010A 460019)

神會(huì)存(1963-),男,山東泰安人,教授,博士.