机械设计学士学位论文

机械设计学士学位论文内容摘要：

误差引起的振动降低 90%以上。 在刀具的其他方面，采用比强高的刀体材料和零件少、简单、安全的刀体结构，同时具有短切削刃、较大刀尖角、较强断屑能力和经过优化设计的切削几何角度 、几何尺寸。 黑龙江东方学院本科生毕业论文（设计） 4 3．刀具在线检测技术 由于高速铣削设备投资高昂、精密程度高，而高的切削速度又具有潜在的危险性，应该针对刀具的切削状态开发出实用的在线检测系统，当刀具接近需要修磨状态时能发出提示，避免了人工掌握刀具寿命管理时的主观随意性，而且开发刀具在线检测技术，可以科学地安排刀具的切削时间，实际上降低了专用的高速切削刀具的切削成本。 高速铣削技术的优点 1．能获得很高的加工效率 切削时间的多少取决于进给速度或进给量的大小。 很显然，若保持进给速度与切削速度的比值不变，随切削速度的提高切削时间将 迅速减少。 高速加工虽然切削深度和厚度小，但由于主轴转速高，进给速度快，因此使单位时间内的金属切除量反而增加了，由此加工效率也提高了。 2．能获得较高的加工精度 高速切削具有较高的材料去除率并相应减小了切削力。 对同样的切削层参数，高速切削的单位切削力明显减小。 在加工过程中，切削力的降低对减小振动和偏差非常重要。 这使工件在切削过程的受力变形显著减小，有利于提高加工精度。 加工时可将粗加工、半精加工、精加工合为一体，全部在一台机床上完成，减少了机床台数，避免由于多次装夹使精度产生误差。 特别对于大型框架件、薄板件、薄 壁槽形件的高精度高效加工，高速铣削是很有效的方法。 3．能获得较高的加工表面完整性 高速切削使传入工件的切削热的比例大幅度减少，加工表面受热时间短、切削温度低，因此热影响区和热影响程度都较小，有利于获得低损伤的表面结构状态和保持良好的表面物理性能及机械性能。 电火花加工后型腔内表面处于拉应力状态，使用高速铣加工后，零件表面是压应力状态。 4．加工能耗低、节省制造资源 高速切削时，单位功率所切削的切削层材料体积显著增大。 以洛克希德飞机公司的铝合金高速铣削为例，主轴转速从 4000r/m 如提高到 20200r/min 时，切削力下降黑龙江东方学院本科生毕业论文（设计） 5 30%，而材料切除率增加 3 倍。 由于切除率高、能耗低，工件在制的时间短，提高了能源和设备的利用率，机床主轴、导轨的受力小，机床的精度寿命长，同时延长刀具寿命。 因此高速切削符合可持续发展的要求。 高速铣削技术的研究及发展 高速切削的起源可追溯到 20 世纪 20 年代末期。 德国的切削物理学家萨洛蒙 (Carl Sa1omon)博士于 1929 年进行了超高速模拟实验。 1931 年 4 月发表了著名的超高速切削理论，提出了高速切削假设。 萨洛蒙指出 (见图 11)：在常规 的切削速度范围内 (图中 A 区 )，切削温度随着切削速度的增大而提高。 对于每一种工件材料，存在一个速度范围 (图中 B 区 )，在这个速度范围内，由于切削温度太高，任何刀具都无法承受，切削加工不可能进行。 但是，当切削速度再增大，超过这个速度范围以后 (图中 C 区 )，切削温度反而降低。 同时，切削力也会大幅度下降。 图 11 Salomon 曲线 世界上工业发达国家的高速加工研究自上世纪 20 年代末由德国 Salomon 博士发起至今，经历了前期的设想和理论探索、高速机理研究探索、应用探索和应用研究等四个阶段。 有关高速加工的研究迄今 在工业发达国家中已逐步进入成熟应用阶段，高速切削加工技术已成为切削加工的主流。 技术基础雄厚的机床厂推出了多种高速、高黑龙江东方学院本科生毕业论文（设计） 6 精度的机床产品，并且在航空航天制造、汽车工业和模具制造、轻工产品制造等重要工业领域创造了惊人的效益。 如美国波音公司在其 JSF 工程中，由于采用了高速加工技术，在成功解决零件轻量化问题的同时，相对于常规 NC 加工方式相比节约了 2/3的成本。 其中 50%来自切削速度的提高， 50%来自于加工质量的提高。 国内高速铣削技术的研究现状 高速切削的研究正从过去的车削逐步转向铣削，因为铣削加工在机械加工 总量中占有很大的比重。 目前国内针对高速铣削的研究可大致分为如下几个方面： 1．采用各种切削模型，利用仿真软件模拟切削过程，辅助一定量的实验，修正模型，增强描述加工过程的准确性。 以进一步了解高速铣削加工过程并反映其中的规律，为其他方面的研究打下基础。 南京理工大学陈占晖 ]1[ 利用 ANSYS 对高速铣削刀具进行瞬态动力学仿真，研究了铣削参数对铣刀在铣削时振动位移的影响。 参考研究结果，可以避免铣刀在铣削加工中产生过大的振动位移，并尽可能的减小振动位移，提高加工工件的质量。 杜小 东]2[ 通过理论分析，主要考虑高速切削下切削层惯性力影响会增大，铣削过程中刀齿的切入切出周期性变化引起切削力变化以及再生效应的影响等，建立了高速铣削力动力学理论模型。 2．高速加工淬硬钢基本特征量规律的研究和实验数据总结。 南京航空航天大学夏雨 ]3[ 采用硬质合金涂层刀具对淬硬模具钢 Cr12MoV 进行高速铣削正交试验，研究了刀具螺旋角、铣削方式、润滑条件以及切削速度、每齿进给量和径向切深对切削力、刀具寿命及工件表面质量的影响，并根 据试验所得数据建立了高速铣削淬硬钢铣削力和表面粗糙度预测模型。 广西大学吴学奇 ]4[ 针对小直径 (? 2mm)涂层硬质合金铣刀高速铣削加工淬硬钢(HRC51)过程中的切削力、振动、刀具磨损、切屑形态以及切削参数优化等高速铣削机理和工艺问题进行深入、系统的实验和理论研究。 山东大学唐委校 ]5[ 以实现稳定切削条件下的高生产效率和高加工质量为优化目标，提出在高速切削机床和刀具的设计、制造、检验、 切削加工生产与维护的整个生命周期中进行考虑切削稳定性的动态优化的新理念，研究适合高速切削的切削稳定性黑龙江东方学院本科生毕业论文（设计） 7 预测及其动态优化理论和工程应用方法。 3．结合生产背景，进行正交实验，分析多因素作用下高速铣削加工表面粗糙度的变化规律。 吉林大学王玉 ]6[ 对模具的高速铣削加工做了工艺参数对表面质量的影响和轨迹规划方面的研究。 采用二次旋转回归的实验方法以加工后的表面粗糙度为评价标准对主轴转速、进给速度、径向间距和切削深度四个加工中重要的参数进行研究，获得加工参数的回归方程，通过显著性检 验和验证实验，证明了回归方程的可靠性。 湖南大学潘建新 ]7[ 针对直径 6mm 涂层硬质合金球头立铣刀加工淬硬钢 (HRC55)模具型腔进行研究，研究了国产淬硬钢模具材料 (4Cr5MoSiV)在各种切削参数下对模具型腔表面质量 (主要是表面粗糙度 )的影响，进行了高速铣削切削用量的优选。 以一个典型手机面壳模具型腔的高速加工为例，通过实测加工参数优化前后的模具质量，进一步验证了优选的加工参数的正确性。 Qin Zhe ]8[ 等研究了高速铣削尖角 和圆弧的振动情况，指出了各自的振动规律及影响因素。 虽然 EDM 加工效率低，但在加工拐角方面还是具有一定优势，此研究成果推广了高速铣削的应用范围，使其具有完全取代 EDM 的可能。 4．鉴于高速铣削刀具极易非正常磨损、高硬度刀具材料同时具有脆性大、抗弯强度低的特点，开展等切削力、等切削余量的轨迹规划和切削方法研究，可延长刀具寿命，降低加工成本。 大连理工大学黎振 ]9[ 提出了一种等残留高度光顺刀具轨迹规划算法。 在保证刀具轨迹光顺的前提下使加工效率达到最佳。 王炜 ]10[ 分析了高速加工切削力影响因素的基础上，研究了面向高速加工的等切削力余量规划方 法。 分析了建立等切削力余量模型的关键技术，并设计了等切削力余量思想实现的一般流程。 庞俊忠等 ]11[ 使用 TiAlN 涂层球形端铣刀，在 13500r/min 的转速下，对淬火45 钢 (47HRC～ 48HRC)进行高速铣削试验，建立了高速铣削下多项式切削力试验模型，模拟了以恒定切削力为目标、优化进给率的模型。 结果显示稳定切削载荷能有效地提高加工效率，避免刀具剧烈磨损。 5．高速铣削刀具开发及安全性研究 黑龙江东方学院本科生毕业论文（设计） 8 高速铣削刀具设计开发方面哈尔滨理工大学做了众多有益的尝试和努力，孙拥军]12[ 针对高速面铣刀切削过程的特点，基于高速切削加工理论，建立了高速面铣刀单齿和多齿动态切削力模型，获得高速面铣刀动态切削性能的变化规律。 依据高速铣刀ISO15641 标准和高速铣刀动平衡原理，进行高速面铣刀不平衡影响因素的研究与刀具动平衡等级的评价；为安全性的高速面铣刀产品的开发提供了依据。 在刀具磨损在线检测方面南昌大学王超厚 ]13[ 用电机主轴电流 (二次变量 )去估计刀具磨损量 (主导变量 )的值。 通过分析和处理数据采集卡采集到的数据，实现电流信号的实时采集、处理和显示，从而间接地推测出刀具的磨损状态。 综上，我们可以发现，针对高速铣削切削参数实验研究及选择方法、刀具轨迹控制、高速铣削刀具批量设计和优选系统的开发上，学术界进行了大胆的尝试和一定数量的研究。 有的进行理论研究，通过实验分析，建立数学分析模型，但也存在一定的问题，吉林大学王玉仅仅针对 T10 一种材料和一种刀具，缺乏普遍意义。 而生产企业由于缺乏相关资料，忙于应对市场竞争，缺少 时间精力进行相关，难以使高速切削机床发挥出应有的作用。 虽然多数学者认为目前针对高速切削的研究较少，但只要能将有限的实验数据和理论研究综合起来，一样能反应目前高速切削技术的发展水平，并知道生产。 因此有必要针对现有研究成果，总结实验数据，反应高速切削行为的整体规律，用以指导生产。 目前学术界将研究目标转向了高速切削数据库的研究方面，既广泛的研究各种刀具与多种材料的匹配关系，以期待能在高速切削工艺参数选择方面能有一个坚实的理论和实践基础。 但我们也注意到，目前国内高速切削机床和配套刀具还要依赖进口，由于整体科研投入 较国外还有很大的差距，而且短期内难以改变。 与其耗费大量人力财力进行广泛的普遍研究，不如结合生产实例进行专用高速刀具设计和切削参数优化。 这种思想是解决目前理论研究不彻底，生产应用难的好方法。 例如在发展迅速的汽车内饰行业，项目开发存在周期短，产品结构上具有继承性的特征。 对有共同特征的一。