神會存,宗萬栓,王 晶

(中原工學院,鄭州 450007)

PCBN可轉(zhuǎn)位面銑刀動態(tài)銑削力研究

神會存,宗萬栓,王 晶

(中原工學院,鄭州 450007)

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

PCBN;可轉(zhuǎn)位面銑刀;動態(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,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)生振動的主要原因.本文主要針對面銑刀銑削加工中的特點,建立單齒銑削力和多齒銑削力的模型,以此來研究銑削時刀具所受的動態(tài)載荷,并對動態(tài)銑削力的頻譜進行分析,為開發(fā)設(shè)計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,銑削時的切削層是指銑刀相鄰2個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度,其大小bD表示為:

式中:ap—銑削深度;kr—刀具主偏角.

對于面銑刀銑削,刀齒在任意位置的切削層公稱厚度 hD為:

式中:φ—刀尖銑削點的進給方向角;fz—每齒進給量.

面銑刀沿銑削進給方向、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,繪制面銑刀多齒銑削時切削力關(guān)系,如圖1所示.

圖1 面銑削多齒切削模型

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

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

β=2nπt

此時β的范圍為:

通過疊加原理,則可以求得多齒面銑刀第 j號刀齒銑削力的瞬時表達式:

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

3 等齒距面銑刀銑削力的頻譜分析

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

等齒距面銑刀銑削時,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相同單齒切削力波形組成的周期波進行研究分析.

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)

對上式進行傅里葉變換,可得到周期切削力的頻譜表達式:

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,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,在 Fx和Fy2個方向的頻譜圖上,所有的采樣點都位于圖中的零值處,此時在工作平面內(nèi)對機械結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生激勵.如果面銑刀的齒數(shù)為奇數(shù)(z=5)時,采樣點在2幅圖上會間隔地處于峰頂和零值處,可產(chǎn)生很大的激勵.

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,當單齒切削力頻譜函數(shù)確定時,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)計面銑刀時,要選擇合理的面銑刀齒數(shù),使銑削力的激振頻率避開機械結(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式(5)、面銑刀周期切削力表達式(6)和周期切削力頻譜表達式(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,進而減小銑削力的譜值.

由金屬切削原理可知,面銑刀進行銑削加工時,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,可通過改變面銑刀前角的途徑來降低切削力,進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.當銑削鋁合金時,應(yīng)取較大前角;當銑削強度高、硬度大的材料(如淬硬鋼、冷硬鑄鐵)時,可采用很小的前角或者是負前角.

圖5 PCBN刀具切削時單位切削力的變化

4 結(jié) 語

本文針對面銑刀銑削加工的特點,建立了單齒和多齒銑削力模型,據(jù)此研究了銑削時刀具所受的動態(tài)載荷,并對動態(tài)銑削力的頻譜進行了分析.分析結(jié)果表明:面銑刀全銑削時,銑刀齒數(shù)大于2且為偶數(shù)時,在工作平面內(nèi)對機械機構(gòu)不產(chǎn)生激勵.銑削力的大小與刀具前角有很大關(guān)系,加工不同材料時,可通過改變面銑刀前角的途徑來降低切削力,進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.當銑削鋁合金時,應(yīng)取較大前角;當銑削強度高、硬度大的材料(如淬硬鋼、冷硬鑄鐵)時,可采用很小的前角或者是負前角.

[1] 劉獻禮.聚晶立方氮化硼刀具及其應(yīng)用[M].哈爾濱:黑龍江科學技術(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] 劉獻禮,肖露,嚴復鋼,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)計劃項目(092102210289);河南省政府決策研究招標課題(8577);河南省教育廳自然科學研究計劃項目(2010A 460019)

神會存(1963-),男,山東泰安人,教授,博士.