平底立铣刀在多刃切削时的切削力变化规律研究

为揭示平底立铣刀在多刃铣削时的切削力变化规律,理论推导了多刃切削的水平方向公称切削力的数学表达式,发现这些公称切削力是旋转角的简谐函数,其常数项与同时参与切削的刃数成正比。将切削力表达式的系数做归一化处理,采用仿真方法,得到各常用齿数平底立铣刀在单刃、多刃连续切削时的公称切削力量纲一均值和刀齿频率幅值,结果表明：切削宽度方向的公称切削力均值在多刃切削时显著增大,而其刀齿频率幅值在多刃切削时有时增大,有时减小。开展了4齿平底立铣刀的切削测力试验,试验结果与理论推导和仿真结果相符。研究结果表明：与单刃连续切削相比,多刃切削的切削宽度方向的静态切削力显著增大;多刃切削在水平方向存在着更平稳和更不平稳两种可能;偶数齿铣刀的多刃切削最平稳。研究结论可为铣削加工中优选浸入角参数提供参考。     

平底立铣刀的切削力尺寸效应研究及其系数估算

检验基于三元切削力机理模型的平底立铣刀尺寸效应,并探索一种简便的切削力系数估算方法。论证了在切削厚度较小时可忽略刀具螺旋角对切削力的影响,据此构建平底立铣刀单个刀齿的三元切削力简化模型。基于该模型,用各齿径向跳动量补偿瞬时切削厚度,用切削试验数据拟合各齿切削力峰值与切削深度及瞬时切削厚度的线性方程式,发现各拟合式的确定系数总体上接近1,表明同一刀齿的切削力系数大体为常数,这意味着平底立铣刀的尺寸效应不显著。据此采用刀具的平均切削力峰值估算切削力系数,该方法不用考虑刀具偏心,且计算比较简便,模拟得到的切削力波形与实测波形相近,表明估算方法比较有效。研究结果可供铣削力尺寸效应机理研究及平底立铣刀应用领域参考。     

基于单刃铣削力峰值的铣刀偏心辨识

刀具偏心可能导致铣削力的大幅度波动。为辨识铣刀偏心状态,研究偏心作用下的铣削力变化规律。推导出以主轴旋转角和切削刃序号为变量的单刃瞬时铣削力表示式,发现铣削力峰值是切削刃序号的离散正弦函数,其均值为无偏心铣刀的公称力,波动部分为偏心引起的铣削增力。该铣削增力与旋转主轴同频,其初始相位依赖于偏心角,其幅值与偏心距和轴向切深成正比例关系,而与每刃进给量不相关。基于此发现,提出一种估算偏心角和偏心距的数据拟合方法,该方法主要对各刃的铣削力峰值进行正弦函数拟合,算法简单,且只需要做一次铣削测试。铣削试验结果与以上发现一致,且表明该估算方法有效。研究揭示与偏心相关的铣削力峰值特性,提出一种简单直观的偏心尺寸估算方法。研究成果可用于铣削过程状态辨识。     

基于DEFORM-3D有限元模拟的高速铣削刀具偏心跳动分离与辨识研究

利用DEFORM-3D三维有限元软件模拟高速铣削过程,分析铣削力与切削厚度间的线性关系,建立瞬时铣削力-瞬时切削厚度数学模型.通过一维搜索分离出刀具偏心跳动引起的铣削力并予以再次有限元模拟,完成刀具偏心跳动参数辨识,最终通过平头立铣刀加工AL6061-T6试验验证有限元模拟预测刀偏铣削力模型的正确性,为铣削力学分析与参...     

多齿刀具加工金属长纤维的机理

研究了多齿刀具加工金属纤维的机理．研究发现．多齿刀具各细齿切削属双刃斜角切削．建立了双刃斜角切削模型并用实验验证，从理论上预测各细齿切削时的流屑角．根据流屑角计算各细齿的实际切削前角。结果表明．多齿刀具备细齿切削时具有很大的实际切削前角．这正是多齿刀具能够加工金属长纤维的机理。     

钛合金TC11铣削力分析与建模

基于单位切削力系数法,建立了侧铣钛合金时的切削力预报模型。文中将微元切向分力、微元径向分力、微元轴向分力分别用刀面单位剪力系数和刀腹单位犁入力系数的组合来描述,切削合力则通过沿切削刃进行积分而获得。实验结果表明,仿真的铣削力曲线无论在形状上还是幅值大小以及波形变化趋势等方面都与实际测得的铣削力吻合一致。     

覆盖件模具曲面曲率特征对球头刀铣削力的影响

针对自由曲面模具的铣削加工,提出一种综合考虑曲面曲率、刀具前倾角和侧偏角的瞬时铣削力预报方法。基于曲面几何特征,研究了进给方向、行距方向曲率半径对刀具切削角度的影响,以及刀具前倾角和轴向切触角对未变形切屑厚度的影响;基于微分思想,将自由曲面加工中任意刀齿切削周期内的切触区进行离散,结合三维次摆线切削轨迹建立未变形切屑模型,得到适合于自由曲面三轴球头铣削的瞬态铣削力,该模型能够综合考虑曲面曲率特征变化、刀具工件切触角度变化;基于二次曲面模具模型进行铣削加工试验,试验测试结果表明,预报的铣削力和试验测量结果在幅值上和变化趋势上具有一致性,在平稳切削时最大铣削力预测误差值在12%以内,验证了该方法能有效地预报自由曲面模具的球头铣削的瞬态铣削力。     

超声振动切削刀具设计

介绍频率40kHz,振幅在(10～35)μm范围可调的振动刀具的设计过程,该刀具选用通用信号发生器作为超声波信号源,对其(0～5)V正弦电压信号进行放大,输出幅值(0～350)V用于激励压电换能器,将超声电振荡转换成机械振动,对振动信号再经变幅杆机械放大,使刀具振动幅值达到(10～25)μm以上进行切削。利用该刀具切削工件的精度和表面粗糙度达到精密切削的效果,并且已进行了天然金刚石精细切削不锈钢零件的实验,切削后的刀具磨损量明显降低。     

车齿工艺刀具工作角度演变过程建模及分析

车齿工艺是一种高效齿轮切削加工工艺,刀具工作角度是影响切削加工性能的重要参量。车齿工艺由于运动关系和刀具几何形状复杂,导致刀具工作角度在切削过程中不断变化,并受多因素影响。首先基于车齿工艺原理和坐标变换方法建立其运动学模型,并根据车齿刀几何构型建立产形后刀面、前刀面和切削刃的数学模型,结合斜角切削的刀具工作角度定义推导出车齿刀工作前角和后角的计算公式,实现车齿刀工作角度演变过程的解析表示,最后分析了车齿刀设计前角和螺旋角对工作角度的影响。结果表明较大的刀具设计前角主要影响工作前角,而车齿刀螺旋角主要影响工作后角。相关结果可以为刀具结构优化提供理论支撑。     

周铣变曲率曲面铣削力与弯曲误差建模与分析

小直径周铣曲率变化的曲面时,影响铣削力的几何参数都会随着刀具路径而变化,同时小直径刀具加工过程中若f/R(每齿进给量与刀具半径比)不是极小值时其刀齿路径不再近似于圆,传统切削厚度和切削力计算不适用于此类加工时切削厚度和切削力的计算。本文提出了对于f/R不是极小值的小直径刀具圆周铣削曲率变化的曲面时其铣削力的计算模型,对于刀具弯曲模型根据实际情况考虑其受到均布载荷,运用悬臂梁结构对刀具弯曲的误差模型进行建立。     

确定铣削力模型中刀具偏心参数的一种算法

对数控加工中球头铣刀铣削力建模时刀具偏心参数的确定进行了研究。在铣削力模型的建立中考虑了刀具偏心的影响,推导出刀具偏心参数的表达式,考虑到刀具单刃切削条件,提出了刀具偏心参数的确定算法。在通过铣削力试验数据计算铣削力系数的过程中,采用上述算法确定了刀具的偏心参数,用于铣削力的仿真预测中,仿真结果和铣削力试验的结果表明,算法效果良好。     

Frequency–spectrum characteristics of force in end milling with tool wear and eccentricity

The effects of chip load, tool wear, and tool eccentricity on milling force are similar; in order to distinguish them from each other, the spectral characteristics of milling force for four flute end mills was studied. With simplified milling force model, the calculation expression of instantaneous milling force under tool eccentricity was derived based on the 2D geometry of tool cutting into workpiece. Using simulation methods, the amplitude spectra of milling forces under neither wear nor eccentricity, only eccentricity, both wear and eccentricity, and the every phase spectrum of force caused only by wear of one tooth were analyzed. The analysis results showed that the basic and third harmonic amplitudes of spindle frequency were linear only with eccentric distance, the fourth harmonic amplitude was linear only with feed, the second harmonic component was in relationship only with tool wear, and harmonics with same frequency caused by wear of different teeth were in phase or out of phase. Then corresponding milling experiments were done, the relations between experimental harmonic amplitudes of force and milling parameters were analyzed, and were found being in good agreement with above simulation results. These indicate that amplitudes of these harmonics could be taken as indices in recognizing eccentricity, wear, and chip load, respectively, and their variations contain in-process information of tool wear. This study proposes a new idea of identifying tool eccentricity and wear with force itself.     

金刚石飞切单晶硅的切削力模型及试验研究

首先对金刚石飞切单晶硅的加工特点进行分析,建立了未变形切屑厚度模型及材料去除类型的理论判定条件;然后推导出了适合金刚石飞切加工特点和单晶硅材料特性的数学预测模型;最后进行了切削力正交试验,并通过切削力试验值与模型计算值对比验证了切削力模型的合理性。同时根据试验结果总结了各主要加工参数（切深ap、进给量f、主轴转速n）及其产生的最大未变形切屑厚度hmax对切削力的影响规律。     

磁流变限力安全带的设计原理

为了避免车用安全带在紧急锁止时对人体造成伤害,研究了一种可主动控制安全带约束力的磁流变限力器。介绍了限力器的控制原理和结构;运用磁饱和分析法探索了限力器阻尼力与外控电流的对应关系;根据人体胸部的安全承载能力,确立了限力器的限力极值,通过一算例验证了其可行性。该磁流变限力器与复合敏感式安全带锁止器配合,可实现智能控制且可以反复使用。     

磨损状况下聚晶金刚石钻头切削齿的切削参数求解

针对磨损状况下PDC钻头切削齿的切削参数预测方法尚未建立,无法很好地开展等磨损布齿设计的问题,建立了磨损齿的几何模型,并提出了求解切削参数的零点遍历法。基于MATLAB平台对零点遍历法进行编译,并对切削齿的切削弧长、切削面积和切削体积进行求解。结果表明,提出的零点遍历法能够用于磨损齿和未磨损齿的切削参数求解（误差在2%以下）;结合切削齿的受力与磨损模型,能够预测PDC钻头每颗齿的磨损趋势。     

A Cutting Force Model for a Waved-Edge End Milling Cutter

This paper presents a model for predicting the cutting forces for waved-edge milling cutters that are widely used in rough machining. The development of the model is based on the analysis of the complicated cutting edge of waved-edge cutter. According to the existing local cutting force model and from the relationship of local cutting force and chip load, local cutting force can be derived. Then the model is obtained by dividing the cutter into a number of differential elements in the axial direction and summarising the resultant cutting force produced by each differential cutter disc engaged in the cut. A numerical algorithm is introduced for the calculation of total force and the calibration of the relevant parameters in the model. A series of experiments under different cutting conditions are conducted to confirm the validity of the developed model. The agreement between the experimental and simulative results is satisfactory, which shows that the model is effective for cutting force prediction in end milling with waved-edge cutters. ID="A1"Correspondance and offprint requests to: Prof. L. Zheng, Institute of Manufacturing Engineering, Department of Precision Instruments and Mechanology, Tsinghua University, Beijing, 100084, P. R. China. E-mail: lzheng@tsinghua.edu.cn     

变性法粗铣弧齿锥齿轮小轮铣削力模型

基于四轴数控铣齿机变性法加工弧齿锥齿轮小轮的几何原理和机床运动学原理,推导了粗铣小轮过程中切削层瞬时切削面积的计算公式。采用传统切削力模型,建立了变性法加工弧齿锥齿轮小轮的铣削力模型,编写了铣削力仿真程序,并设计了验证方案。结果表明：采用不同切削用量时,考虑了传动效率的主电机切削功率计算结果与主电机变频器输出功率测量结果幅值基本在同一区间范围内,时间间隔一致,从而间接证明铣削力模型的有效性。     

球头铣刀切削力计算机预报模型的数值仿真

借助建立的铣刀切削力、扭矩和切削功率的计算机预报模型 ,对平前刀面球头铣刀的切削性能进行了数值仿真研究 ;通过分析各种切削参数对切削性能的影响规律 ,获得了不同切削条件下球头铣刀切削力和扭矩的特征和变化趋势     

PCD刀具超声振动车削SiC_p/Al复合材料时的切削力特性研究

用PCD刀具对SiCp/Al复合材料进行了超声振动车削与普通车削的对比试验 ,探讨了切削速度、进给量和切深三种切削参数在两种切削状态下对切削力的影响规律 ,得出了超声振动车削SiCp/Al复合材料的主切削力经验公式。     

基于灰关联分析的全断面岩石掘进机滚刀布局优化方法

滚刀的布局需要符合滚刀在刀盘面上分布均匀、分散、对称的布置位置要求,刀盘分块合理、刮碴铲斗排碴顺畅的结构设计要求,以及刀盘变形和应力小、刀盘整体受力平衡的力学性能要求。针对现有的典型滚刀布局模式难以同时满足这些要求的问题,提出一种基于灰关联分析的全断面岩石掘进机滚刀布局优化方法。通过对初始布局方案中的滚刀合理分组,并对组内滚刀极角施加微幅波动,建立初始布局方案集;引入不干涉条件对初始布局方案集进行初选,并以刀盘径向不平衡力、刀盘倾覆力矩、滚刀群质心偏斜量为评价指标对其进行灰关联分析计算,从而得到最优布局方案。引入采用螺旋线型滚刀布局模式的整体式刀盘和采用随机型滚刀布局模式的分体式刀盘,分别对其滚刀布局进行优化,整体式刀盘的各评价指标分别减小48%、99%、57%,分体式刀盘的各评价指标分别减小22%、59%、55%,表明了该方法的通用性和有效性。对优化前后的刀盘进行受力对比分析,发现刀盘的变形和应力未发生明显变化,表明该优化不会对刀盘刚度和应力分布产生不良影响。