高速面銑刀模態(tài)參數(shù)及其對切削性能影響研究.pdf

1、高速面銑刀主要應用于鑄鐵、鋁合金等材料的平面粗、精加工，可滿足汽車、航空航天、模具等工業(yè)高效加工的需要。隨著高速加工中心等高性能機床的不斷升級，對高速面銑刀的動態(tài)性能提出了更高技術要求。高速面銑刀的結(jié)構(gòu)具有直徑大、齒數(shù)多的特點，其切削過程是斷續(xù)的，在刀齒周期性切入、切出工件過程中，存在振動和沖擊現(xiàn)象;每個刀齒的切屑層厚度隨著面銑刀的旋轉(zhuǎn)角度發(fā)生變化，產(chǎn)生的銑削力具有周期性、時變性的特點。面銑削過程中的離心力和動態(tài)銑削力等載荷激發(fā)面銑刀的

2、受迫振動和自激振動，影響高速面銑刀的銑削穩(wěn)定性和工件表面質(zhì)量。對高速面銑刀進行模態(tài)分析獲取面銑刀的模態(tài)參數(shù)，研究模態(tài)參數(shù)對面銑刀銑削穩(wěn)定性和工件表面粗糙度的影響規(guī)律，建立高速面銑刀的動態(tài)特性與其切削性能之間的聯(lián)系，是改善面銑刀銑削穩(wěn)定性和提高工件表面質(zhì)量的主要研究內(nèi)容。
　　本文對面銑刀振動系統(tǒng)性質(zhì)及其阻尼特性進行分析，建立面銑刀的多自由度結(jié)構(gòu)比例阻尼振動系統(tǒng)微分方程。通過對其特征值求解，得到面銑刀頻響函數(shù)的解析表達式，為面銑刀有

3、限元模態(tài)分析和實驗模態(tài)分析提供理論基礎。由于可轉(zhuǎn)位面銑刀具有裝配結(jié)構(gòu)的特點，選用具備接觸建模功能的ABAQUS有限元分析軟件，建立面銑刀有限元模型，提高模態(tài)分析結(jié)果的精確程度。刀體是面銑刀尺寸和質(zhì)量最大的零件，對刀體材料和刀齒密度對模態(tài)參數(shù)的影響進行重點研究，分析五種刀體材料及三種刀齒密度面銑刀的前六階固有頻率和振型，發(fā)現(xiàn)五種刀體材料面銑刀的一階固有頻率從高到低為碳素纖維增強塑料、40CrMo、45#鋼、鋁合金AlCuMg2和鈦合金Ti

4、6Al4V。刀齒密度是影響刀體結(jié)構(gòu)的重要因素，在推薦的刀齒數(shù)范圍內(nèi)，刀齒密度越小，固有頻率越高，面銑刀安全穩(wěn)定切削的轉(zhuǎn)速范圍越大。根據(jù)高速面銑刀的結(jié)構(gòu)特點，確定面銑刀模態(tài)實驗分析的原理和方法。模態(tài)實驗采用頻域辨識法中的單輸入單輸出方式;激振器采用自制電子沖擊力錘，使產(chǎn)生的沖擊力具有可重復性和可調(diào)節(jié)性;支承方式采用自由模態(tài)法和工作模態(tài)法兩種方式;對所獲得的頻率響應函數(shù)的實頻圖和虛頻圖，運用分量分析法進行參數(shù)辨識。通過實驗模態(tài)分析法獲得面銑

5、刀模態(tài)參數(shù)之后，和有限元模態(tài)分析結(jié)果進行比較，驗證面銑刀有限元模型的有效性。
　　本文根據(jù)組合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設計法，運用二分量響應耦合子結(jié)構(gòu)分析法(RCSA)，在有限元模態(tài)分析和實驗模態(tài)分析的基礎上，求解獲得“主軸-刀柄”和面銑刀的結(jié)合面參數(shù)(線性剛度Kx和線性阻尼Gx、旋轉(zhuǎn)剛度Kθ和旋轉(zhuǎn)阻尼Gθ)，并對結(jié)合面參數(shù)進行實驗驗證。面銑刀采用工作模態(tài)法測試刀尖頻響函數(shù)時，利用結(jié)合面參數(shù)可以消除機床的影響，間接獲得面銑刀的模態(tài)參數(shù);利用結(jié)合面

6、參數(shù)和面銑刀有限元等效模型，可以分析在該機床上使用的高速面銑刀的動態(tài)性能。面銑削穩(wěn)定性是評價高速面銑刀切削性能的重要方面。分析了面銑刀切削角度對銑削過程的影響，根據(jù)再生顫振機理建立刀片徑向瞬時切屑厚度模型和動態(tài)面銑削力模型，動態(tài)銑削力系數(shù)矩陣反映了面銑削力斷續(xù)性、時變性和周期性變化的特點。根據(jù)面銑削系統(tǒng)頻響函數(shù)的負實部，計算臨界軸向切削深度，并繪制軸向切削深度和主軸轉(zhuǎn)速之間的關系圖，即面銑削穩(wěn)定性極限圖，實現(xiàn)對顫振現(xiàn)象的預報和控制。設計

7、面銑削實驗系統(tǒng)和實驗參數(shù)，通過三維面銑削力測試結(jié)果，以及測量、計算已加工工件表面硬化程度，并利用二維和三維工件表面形貌驗證面銑削穩(wěn)定性極限圖預報的有效性和可靠性。對比不同面銑刀的穩(wěn)定性極限圖發(fā)現(xiàn):在推薦的刀齒數(shù)范圍內(nèi)，隨著一階固有頻率的降低和模態(tài)阻尼的減小，穩(wěn)定切削域減小;隨著刀齒密度的增加，面銑刀的銑削穩(wěn)定性降低。工件表面質(zhì)量反映了高速面銑刀切削性能的優(yōu)劣。工件表面質(zhì)量一般由表面粗糙度值來評定。通過研究面銑削過程中對工件表面粗糙度的主

8、要影響因素，考慮平面刃口型式刀片的徑向和軸向跳動誤差、每齒進給量、切削刃長度、刀尖圓弧半徑、刀片主偏角、軸向切削深度、受迫振動引起的刀齒與工件間的軸向相對位移等動靜態(tài)因素的影響，沿工件表面粗糙度值最大的方向建立了銑削工件表面粗糙度模型。根據(jù)所測得的刀齒徑向和軸向跳動誤差，依據(jù)靜態(tài)表面粗糙度模型模擬計算出刀齒軌跡;結(jié)合模態(tài)實驗和銑削實驗的結(jié)果，求解面銑削振動微分方程，得到面銑刀刀齒和工件的軸向動態(tài)相對位移;將靜態(tài)模型和動態(tài)模型分別預測的結(jié)