薄壁圆筒铣削的动力学分析_毕业设计(编辑修改稿)

薄壁圆筒铣削的动力学分析_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

和工件旋转的合成运动来实现对工件的切削加工，使工件在形状精度、位置精度、表面粗糙度及残余应力等多方面达到使用要求的一种先进切削加工方法。 它不是车削与铣削的简单结合，而是在当今数控技术得到较大发展的条件下产生的一种高新切削技术。 车铣加工包括铣刀旋转、工件旋转、铣刀轴向进给和径向进给四个基本运动。 铣刀的旋转运动是主切削运动。 切削速度由铣刀旋转速度和工件旋转 速度共同决定，其中铣刀旋转速度是决定切削速度的主要因素，特别是在高速、超高速车铣加工中，工件旋转速度对切削速度的影响可以被忽略。 切削的进给速度由工件旋转速度、铣刀轴向进给速度和径向进给速度三个基本速度共同决定，其中工件旋转速度对进给速度的影响远大于其它两个基本速度。 工件旋转产生的切向线速度即为铣刀的周向进给速度，它的大小等于工件的转速与工件周长的乘积；铣刀的轴向（或径向）进给速度则等于工件的转速与铣刀在工件每转时沿工件轴向（或径向）移动距离的乘积。 铣刀的直线进给运动根据不同加工的需要可采用轴向进给（如加工轴 类零件）或径向进给（如加工盘类零件）运动，也可同时采用轴向进给和径向进给（如加工锥体零件）运动。 ，车铣不是单纯的将车和铣两种加工手段合并到一台机床上，而是利用车铣合成运动来完成各类表面的加工。 依据工件旋转轴线与刀具旋转轴线相对位置的不同，车铣加工主要可分为轴向车铣、正交车铣以及一般车铣。 依据工件和刀具旋转相对方向的不同，它们又都可分为顺铣和逆铣两种不同的形式，图 所示。 其中轴向车铣和正交车铣是应用范围最广泛的两类车铣加工方法，它们分别有各自的特点及局限性。 轴向车铣由于铣刀与工件的旋转轴线相互平行，因 此它不但可以加工外圆表面，也可加工内孔表面。 但由于它们的旋转轴线相互平行，如铣刀直径小于其主轴箱体径向尺寸时，就限制了铣刀的纵向行程，这种情况下不适宜用轴向车铣加工轴向行程较长的外圆表面或较深的内孔表面。 与此相反，如铣刀直径大于其主轴箱体径向尺寸，轴向车铣也可进行长轴外圆和深孔内表面的车铣加工。 正交车铣由于铣刀与工件的旋转轴线相互垂直，它不能对内孔进行加工，但在加工外圆表面时由于铣刀的纵向行程不受限制，且可以采用较大的纵向进给，因此在加工外圆表面时效率较高。 沈阳理工大学 学士学位论文 10 车铣技术的发展历史 与其它科学技术 一样，车铣技术的产生和发展与生产实践是分不开的。 1955 年德国的 总结了大量的实际生产经验，在《生产技术》上发表了《用硬质合金刀具铣削圆柱表面》一文 [1]，详细介绍了铣削圆柱表面时进给量、切削速度等主要参数的选用，并对已加工件的表面精度进行了详细研究。 该文献对后来车铣技术的研究产生了重要的影响，它介绍的用铣刀加工圆柱表面的方法，就是车铣技术的一种基本加工方法轴向车铣的早期萌芽。 1983 年德国的 在他的博士论文《车铣技术》 [2]中系统地研究了车铣技术的另一种基本加工方法 — 正交车铣， 对正交车铣的运动原理、已加工件的表面精度、切削力、切削速度等进行了开拓性的研究工作。 目前，德国的 Aachen工业大学和 Darmstadt工业大学都设有专门从事车铣技术研究的研究中心。 这两个研究中心是德国 11个重要的机械研究中心中主要的两个，各类实验用的机床、测试仪器及科研设备非常齐全，科研水平处于世界前列。 在这两个研究中心里，众多的科研人员在车铣原理、车铣运动学及动力学、已加工件表面质量、不同材料的车铣工艺性、车铣加工中心的设计与测试以及 CAD/CAM 等多个领域内从事研究工作。 尤其值得关注的是 Darmstadt 工业大学机床及生产工程研究所的 教授将长期从事高速铣削技术的研究成果成功地与车铣技术相结合，开创了高速、超高速车铣新领域。 这些研究成果支持德国机床工业制造出了商品化的 CNC 车铣中心。 车铣基础理论是对车铣技术进行全面研究的基础，由于可以理解的原因，国外有关车铣基础理论研究的文献很少见到，特别是用数学方法对车铣运动和工件的表面特征进行分析的文献更难得到。 从掌握的资料来看，目前人们对车铣技术的研究主要集中在车铣切削过程及车铣工艺和设备两个方面 [1~26]。 国内对车铣技术还没有进行过系统 的研究， 20 世纪六七十代在一些工厂的生产革新中出现过旋风铣削，这是车铣的一种基本形式 —— 轴向车铣的实际应用。 近年来，有些科研人员对旋风铣削又进行了一些深入的研究，但这些研究工作主要集中于旋风铣削在螺纹加工中的实际应用 [27~51]。 这些文献所报导的研究成果对轴向车铣螺纹研究有着重要的参考价值，但对于车铣技术的全面研究还有很大的局限性。 目前，对于车铣技术的研究，辽宁省高速切削工程技术中心处于国内领先沈阳理工大学 学士学位论文 11 水平。 该中心在国家科学技术部“九五”重大攻关课题的资助下，在车铣技术的基础理论、车铣工艺、 CNC 车铣加工中 心的设计和制造等方向进行着研究。 我国对车铣技术的研究已涉足各个方面，但总体上处于起步阶段。 近期应重视以下研究方向。 （ 1） 车铣技术应用前景的研究。 （ 2） 特种工件车铣工艺的研究。 （ 3） 新材料车铣加工性的研究。 （ 4） 车铣用铣刀的研究。 （ 5） 高速、超高速车铣及其相关技术的研究。 目前，车铣技术正在逐步转化为生产力，使用车铣工艺将会对金属切削技术，乃至零件的设计理念产生极大的推动作用，使对零件的设计、加工由传统方法转向先进制造领域。 车铣技术的主要特点 车铣加工与其它传统切削方法一样，并不是所有零件的切削加工都适用于车铣技 术，它只是在一些特定条件下能够充分发挥它的加工特点。 作为一种先进的金属切削方法，其主要优点为： (1)车铣是间断切削，因此无论加工何种材料的工件都能得到较短的切屑，易于自动除屑。 (2)间断切削使刀具有充足的冷却时间，刀具切削温度相对较低。 (3)与传统车削相比，车铣极易实现高速切削，而高速切削的一切优点可在车铣中得以体现。 如切削力比传统切削可下降 30%，切削力的下降就意味着引起工件变形的径向力有明显下降，这有利于提高薄壁件和细长件加工的形状精度，由于切削力小，机床和刀具承受的负荷小，也有 利于机床精度的保持。 (4)由于切削速度是由工件和刀具的回转速度共同合成，因此不需使工件高速旋转也能实现高速切削，有利于对大型工件进行高速切削。 尤其重要的是对于大型锻件毛坯，工件的超低转速将消除因工件偏心而引起的振动或径向切削力的高频周期变化，这些特点使得此类工件的切削过程十分平稳，有利于减少被加工件的形状误差。 (5)工件转速相对较低，加工薄壁件时几乎没有由于离心力产生的变形。 沈阳理工大学 学士学位论文 12 (6)当采用高速车铣时，切削变形过程主要是绝热剪切，故切屑和刀具带走热量较多，因此工件温度相对较低，热变形小。 (7)使用较大的纵向进给也能得到较小的表面粗糙度。 (8)如采用 CNC 车铣中心，需用车、铣、钻、镗等不同方法进行加工的工件能在一次装夹中完成，不需更换机床，大大缩短了生产周期，防止了重复装夹误差。 (9)车铣是多刃切削，结合高速切削可较大地提高生产效率。 (10)多刃切削切削过程平稳，刀具磨损小，这对新型难加工材料和大型回转体毛坯的加工十分有益。 由此可知，车铣技术特别适用于以下各类零件的切削加工。 (1)重型或难加工材料回转体毛坯的粗加工，如大型轧辊、发电机转子、大型铸管模、大型船舶用曲 轴以及火炮身管等等。 (2)大型薄壁件回转体的精加工。 (3)大型回转体工件的高速、超高速切削。 (4)需用车、铣、钻、镗等不同方法进行加工的工件。 车铣技术的主要内容 车铣技术的主要内容包括车铣的基础理论研究、车铣刀具的研究、被加工件的研究、加工过程的研究以及车铣加工中心的研制五个领域。 车铣基础理论研究包括车铣运动学、车铣动力学、已加工件的理论表面粗糙度以及车铣加工的切削过程等主要内容，这些内容是 CNC 车铣中心研制、车铣刀具选择与设计以及车铣加工工艺制定的技术基础，是车铣技术研究的难点之一。 车铣用铣刀与普通铣刀不同，由于车铣加工主要是用铣削方法加工回转体，因此切削刃的前角、后角、刃倾角、主切削刃、副切削刃等主要几何参数都不同于普通铣削。 对于车铣用铣刀（特别是高效大进给车铣粗加工用铣刀和高速高精度车铣精加工用铣刀）的研究，目前在世界范围内仍是车铣技术研究的前沿课题。 一台标准的 CNC 车铣加工中心，至少应包括 X、 Y、 Z、 B和 C 五个轴，其中三至五轴可联动。 在这样一台车铣中心上可实现车、铣、钻、镗等多个工序的一次装夹完全加工，从而大大降低了重复装夹误差。 车铣加工的编程是车铣技术的又一难点。 由于目 前的控制系统主要针对车、沈阳理工大学 学士学位论文 13 铣、钻等传统工艺而开发，如应用到 CNC 车铣中心上一般需要二次开发，且车铣运动是复合运动，因此如不很好地掌握车铣基础理论，很难编制出好的车铣加工程序。 正交车铣运动学 与轴向车铣不同，正交车铣铣刀的回转轴线与工件的回转轴线相互垂直，它是加工大型回转体和长轴类零件的一种高效方法。 如图 所示，一个典型的正交车铣加工过程包括工件的旋转运动、铣刀的旋转运动和铣刀的直线进给运动。 由于正交车铣的加工对象主要为大型回转体和长轴类 零件，所以铣刀的直线进给运动一般为轴向进给运动，而很少采用径向进给运动 [7,8]。 （ 1）通过对正交车铣运动过程的分析，得到了进给速度的矢量表达式，并由正交车铣运动的矢量模型，建立了描述铣刀相对工件运动的矢量表达式。 （ 2）由进给速度的矢量表达式可知，加工中的轴向进给速度由铣刀轴向运动速度决定，切向进给速度由工件旋转线速度决定。 （ 3）从铣削动力装置与被加工件相对位置可断定，正交车铣更适于复杂结构回转体的加工和长轴类工件的加工。 （ 4）正交车铣理论运动方程的建立为车铣机床和 CNC 车铣中心的设计提供了 理论依据，是车铣工艺必不可少的理论指导。 圆周刃、端面刃切削力 由切削力经验公式得圆周刃的瞬 时切削力为：       FcUSUSp,FcUSc, yhaCF   如图 给出了刀齿一次切削内圆周刃的切削力。 图 正交车铣的主要运动 沈阳理工大学 学士学位论文 14 在铣刀切削的任一时刻，铣刀转角可以被看作常数，则在铣刀半径方向一小块面积上的端面刃切削力为：      d,d FcSSFcSSc, yhCF  由此得端面刃的瞬时切削力为：            aiFc d,d SSFcSSc,SSc, yhCFF 可以看出端面刃的瞬时切削力为端面刃的单位切削力 FcC 与切削厚度 Fc,SS yh  的乘积在端面刃上一点到铣刀旋转中心距离  上的积分，其积分的上下限均为铣刀转角  的函数。 由此可知圆周刃的瞬时切削力仅为铣刀转角  的函数，而端面刃的瞬时切削力不但是铣刀转角  的函数还是铣刀端面刃上一点到铣刀旋转中心距离  的函数。 如图 给出了刀齿一次切削内端面刃的切削力。 Wn =10r/min。 Fn =20xxr/min。 39。 R =100mm。 r =20mm。 Z =3。 pa =2mm。 af =5mm。 e =0mm。 图 刀齿一次切削内圆周刃切削力的变化 沈阳理工大学 学士学位论文 15 如图 给出了刀齿一 次切削内的切削力。 通过图 、图 和图 不难得到，圆周刃和端面刃切削几乎同时开始，同时结束。 圆周刃切削力对整个刀齿切削力的大小起主导作用，并且圆周刃在切削后半程切削力迅速降低。 Wn =10r/min。 Fn =20xxr/min。 39。 R =100mm。 r =20mm。 Z =3。 pa =2mm。 af =5mm。 e =0mm。 图 刀齿一次切削内端面刃切削力的变化 Wn =10r/min。 Fn =20xxr/min。 39。 R =100mm。 r =20mm。 Z =3。 pa =3mm。 af =5mm。 e =0mm。 图 刀齿一次切削内切削力的变化 沈阳理工大学 学士学位论文 16 主要切削参数对圆周刃、端面刃切削力的影响 图 、图 给出切削深度、轴向进给量对圆周刃、端面刃 切削力最大值的影响。 切削深度的增大对端面刃切削力基本没有影响，但圆周刃切削力却成正比增大，而轴向进给量的增大对圆周刃切削力基本没有影响，但端面刃切削力却成正比增大。 因此在对径向刚度较弱的零件进行正交车铣精加工时，采用大切深小进给更有利于提高零件的加工精度。 反之，对轴向刚度较弱的零件进行正交车 Wn =10r/min。 Fn =20xxr/min。 39。 R =100mm。 r =20mm。 Z =3。 pa =1~2mm。 af =5mm。 图 切削深度对圆周刃、端面刃切削力的影响 Wn =10r/min。 Fn =20xxr/min。 39。 R =100mm。 r =20mm。 Z =3。 pa =2mm。 af =5~10mm。