CN102107294B - 铣削过程振动规律实验数据的采集用模型及采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铣削过程振动规律实验数据的采集用模型，该模型包括工件本体，工件本体上开设有一个以上的弯曲状半封闭沟槽，沟槽的开口端设于工件本体的边缘，沟槽的封闭端设于工件本体内部。用该模型采集刀具铣削过程振动规律实验数据的方法为：先以机床允许的切削速度沿该模型的工件本体边缘进行铣削，当铣削到悬空块迅速脱落时停止铣削加工收集悬空块；对悬空块进行包括显微镜表面拍摄、表面轮廓度测量在内的各种测量工作，并对测量后的各项参数进行分析、校正，再改变切削条件，重复上述步骤，获得一系列能反映刀具铣削过程振动规律的数据集。本发明的工艺过程简单、操作方便，获取的实验数据准确、可有效提高刀具切削精度和刀具使用寿命。

Description

铣削过程振动规律实验数据的采集用模型及采集方法

技术领域

本发明涉及一种实验数据采集用模型及采集方法，尤其涉及一种金属切削过程振动规律实验数据采集用模型及采集方法。

背景技术

铣削加工过程中所产生的振动源于刀具和工件之间的相互摩擦，这种摩擦直接反映在切削力(例如铣削力)的大小上。由于铣削力同切削厚度、机床的综合自激系统模态成正比，因此，铣削力的存在会导致机床系统的不稳定震颤。如果在高速铣削过程中不能有效降低振颤，那么加工出的零件表面的粗糙度会比较大，同时还会加大刀具的磨损，增大机床的动态载荷。所以，通过一种合理的测试方法，预测并验证高速铣削过程中稳定的切削条件，研究铣削过程的高频振颤趋势，从而确定出合理的切削参数，对于提高工件表面加工质量，减缓刀具磨损有着重要的意义。

上世纪以来，国内外研究人员在切削过程的震颤方面做了大量的研究，建立了多个切削力相关模型并得以验证，但这些切削试验方法多是基于被加工零件或者车削刀具，主要研究切削刃部分对刀具的破损和零件的表面质量的影响；同时，为实现加工前预测和控制表面粗糙度，以往建立的表面粗糙度预测模型主要采用回归分析方法。然而，由于铣削加工过程比较复杂，影响工件表面粗糙度的因素很多，很难建立起精确的回归模型，从而导致现有方法的预测精度不高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、成本低的铣削过程振动规律实验数据的采集用模型，还提供一种工艺过程简单、操作方便、获取的实验数据准确、可有效应用于刀具铣削过程振动规律的研究及预测、并可有效提高刀具切削精度和刀具使用寿命的采集刀具铣削过程振动规律实验数据的方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种铣削过程振动规律实验数据的采集用模型，所述模型包括工件本体，工件本体上开设有一个以上的弯曲状半封闭沟槽，所述沟槽的开口端设于工件本体的边缘，沟槽的封闭端设于工件本体内部。

上述的模型中，沟槽的形状并无严格要求，可以为光滑的曲线状或者多段线形成的折线状。

上述的模型中，所述沟槽内优选设有一个以上的支撑块(该支撑块优选为圆柱体状或长方体状)，所述支撑块与沟槽之间为过盈配合。优选的，所述支撑块的宽度B比沟槽的宽度W大0.05mm～0.1mm。当沟槽内设置支撑块时，所述沟槽的宽度W最优选为1mm～2mm。当所述沟槽内不设置支撑块时，所述沟槽的宽度W最优选为0.5mm～1.5mm。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种用上述的模型采集刀具铣削过程振动规律实验数据的方法，包括以下步骤：

(1)铣削加工：以所述模型作为加工对象，并以机床允许的切削速度v沿该模型的工件本体边缘进行铣削加工，当铣削到所述沟槽的封闭端时，沟槽内侧所包围成的半岛状悬空块迅速脱落，立即停止铣削加工，并收集脱落的悬空块；

(2)单组数据的获取：对收集到的具有完整表面的悬空块进行包括显微镜表面拍摄、表面轮廓度测量在内的各种测量工作，并对测量后得出的包括表面纹路深度、表面纹路间距在内的各项参数进行分析、校正，获得某一切削条件的单组实验数据；

(3)多组数据集的获取：改变包括切削参数或切削方式在内的各种切削条件，重复上述步骤(1)～(2)，获得一系列能反映刀具铣削过程振动规律的多组实验数据。

通过分析获取的不同悬空块的表面轮廓，我们可以获得一系列对研究铣削过程振动规律及刀具结构设计具有重要意义的实验数据，通过分析对比这些实验数据便可对铣削过程中的振动规律进行研究和预测。

作为对上述采集刀具铣削过程振动规律实验数据的方法的进一步改进，所述铣削加工步骤中，控制所述铣削加工的切削深度Ap，使切削深度Ap大于所述工件本体的厚度L。更优选的，所述切削深度Ap比所述工件本体的厚度L大0.5mm～1mm。

作为对上述采集刀具铣削过程振动规律实验数据的方法的进一步改进，所述沟槽的封闭端与其开口端所在的工件本体边缘侧的垂直距离t与所述铣削加工步骤中控制的切削宽度Ae、所选用的铣刀直径D的关系为：t＜Ae＜0.5D。更优选的，所述t的取值范围为：0.3D≤t≤0.4D。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明通过采用一种非常简单的工件模型，并结合简单的采集方法，便可方便地获得各种独立的加工表面，通过直观地观察、分析刀具振动在加工表面形成的映射，便可获得铣削加工时刀具振动的相关信息，从而对铣削加工中的刀具振动进行研究、预测和控制，以便于提高铣削加工时的加工精度和刀具的使用寿命。

附图说明

图1为本发明实施例中实验数据采集用模型的结构示意图；

图2为本发明实施例的采集方法中用铣刀进行铣削加工时的工作状态示意图(俯视)；

图3为本发明实施例的采集方法中用铣刀进行铣削加工时的工作状态示意图(正视)；

图4为本发明实施例的采集方法中脱落后的悬空块的照片。

图例说明

1、工件本体；2、沟槽；21、开口端；22、封闭端；3、悬空块；4、支撑块；5、铣刀；6、切削刃。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

实施例

一种如图1所示的本发明的铣削过程振动规律实验数据的采集用模型，该模型包括一相对较薄的板状工件本体1(45号钢制作)，在工件本体1上相隔一定间距开设有若干个弯曲状的半封闭沟槽2，每条沟槽2具体是由三条直线沟槽弯折连通而成。这些半封闭沟槽2沿测试时铣刀的进给方向排列。沟槽2的开口端21设于工件本体1的边缘，沟槽2的封闭端22设于工件本体1的内部，每条沟槽2的内侧包围成一个半岛状的悬空块3。每条沟槽2中设有两个细长方体状的支撑块4，沟槽2的宽度W为1mm，支撑块4的宽度B为1.05mm，比沟槽的宽度W大0.05mm，支撑块4与沟槽2之间为过盈配合。

一种用本实施例的上述模型采集刀具铣削过程振动规律实验数据的方法，包括以下步骤：

(1)铣削加工：首先以上述的模型作为加工对象，将该模型安装到机床的工作台上，同时确保工件本体1的边缘与机床进给方向平行，如图2～图3所示，采用逆铣(或者顺铣)的方式用铣刀5(本实施例选用直径为8mm的二刃直柄平头立铣刀)沿该模型的工件本体1边缘进行侧铣，侧铣时的切削速度v为80m/min；为了使工件最终的加工表面为单一切削刃铣削加工形成的完整表面，本实施例中控制铣刀5的切削深度Ap大于工件本体1的厚度L(建议比切削深度Ap小0.5mm～1mm)，本实施例中工件本体1的厚度L为5.5mm，切削深度Ap为6mm；此外，本实施例中还控制了沟槽2的封闭端22与其开口端21所在的工件本体1边缘侧的垂直距离t，即使该垂直距离t与铣刀5的切削宽度Ae、铣刀直径D的关系满足：t＜Ae＜0.5D，具体到本实施例中，本实施例选用的铣刀5的直径D为8mm，t设计成3mm，而铣刀5的切削宽度Ae则控制在3.5mm；当铣刀5铣削到沟槽2的封闭端22时，在铣刀5的旋转运动(转速为n)和工件本体1的进给运动的综合影响下，铣刀5的切削刃6与沟槽2的封闭端22形成相切，沟槽2内侧所包围成的半岛状悬空块3迅速脱落，立即停止铣削加工，并收集脱落的悬空块3；图4即为经过本步骤的铣削加工后得到的一个悬空块3，其加工表面F即为单一切削刃加工所形成的断面；

(2)单组数据的获取：一方面通过测量铣削过程中切削力及扭矩的变化情况，利用现有的技术手段获得高频振动产生的动态扭矩；另一方面对收集到的具有完整表面的悬空块3进行包括显微镜表面拍摄、表面轮廓度测量在内的各种测量工作，并对测量后得出的包括表面纹路深度、表面纹路间距在内的各项参数(例如表面形态图)进行分析、校正，获得某一切削条件的单组实验数据，包括扭矩M，切削振动的频率及振幅；

(3)多组数据集的获取：改变包括切削参数或切削方式(顺铣、逆铣)在内的各种切削条件(本实施例主要改变切削时的转速，切深、切宽和进给量的大小保持不变)，重复上述步骤(1)～(2)，获得如下表1所示的一系列能反映刀具铣削过程振动规律的数据集。

表1：本实施例获得的反映刀具铣削过程振动规律的数据集

通过表1数据的分析可以发现，在转速6000r/min以下，随着转速增加，在切削效率提高的条件下，振纹深度、动态扭矩等处在一个较为稳定的范围，加工表面质量未受到影响，并且在刀具寿命实验中，金属去除量有一定程度的增加；当转速达到7000r/min以上时，振纹深度、动态扭矩有较大增加，振动明显加剧，导致加工表面质量恶化，刀具寿命急剧降低。据此，为提高本实施例刀具铣削加工时的加工精度和刀具的使用寿命，刀具切削过程中转速应控制在6000r/min以内，同时在机床允许的范围内，尽可能增大刀具转速，以提高切削效率和刀具寿命(金属去除量)。

将本实施例获取的扭矩数据集与加工表面的测试数据集有效结合，并进行分析，还可以进一步形成本实施例中铣刀切削振动的假设模型；通过对假设模型进行验证可以发现，加工表面的纹理及轮廓度等能够充分反应铣削加工过程中振动的变化趋势(包括振动频率和振幅)；最后通过对切削参数的变化与刀具振动情况进行深入的分析，可以为控制铣削过程的振动情况提供理论和实践依据，最终实现刀具结构设计的优化和切削参数的合理选择。

上述的实施例只是本发明的一个具体实施方式，凡是根据本发明精神的等效变化都应该包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种铣削过程振动规律实验数据的采集用模型，其特征在于：所述模型包括工件本体，工件本体上开设有一个以上的弯曲状半封闭沟槽，所述沟槽的开口端设于工件本体的边缘，沟槽的封闭端设于工件本体内部，每条所述沟槽的内侧包围成一个半岛状的悬空块。

2.根据权利要求1所述的铣削过程振动规律实验数据的采集用模型，其特征在于：所述沟槽的宽度W为0.5mm～4mm。

3.根据权利要求1或2所述的铣削过程振动规律实验数据的采集用模型，其特征在于：所述沟槽内设有一个以上的支撑块，所述支撑块与沟槽之间为过盈配合。

4.根据权利要求3所述的铣削过程振动规律实验数据的采集用模型，其特征在于：所述沟槽的宽度W为1mm～2mm。

5.根据权利要求3所述的铣削过程振动规律实验数据的采集用模型，其特征在于：所述支撑块为圆柱体状或长方体状，所述支撑块的宽度B比沟槽的宽度W大0.05mm～0.1mm。

6.一种用权利要求1～5中任一项所述的模型采集刀具铣削过程振动规律实验数据的方法，包括以下步骤：

(1)铣削加工：以所述模型作为加工对象，并以机床允许的切削速度v沿该模型的工件本体边缘进行铣削加工，当铣削到所述沟槽的封闭端时，沟槽内侧所包围成的半岛状悬空块迅速脱落，立即停止铣削加工，并收集脱落的悬空块；

(2)单组数据的获取：对收集到的具有完整表面的悬空块进行包括显微镜表面拍摄、表面轮廓度测量在内的各种测量工作，并对测量后得出的包括表面纹路深度、表面纹路间距在内的各项参数进行分析、校正，获得某一切削条件的单组实验数据；

(3)多组数据集的获取：改变包括切削参数或切削方式在内的各种切削条件，重复上述步骤(1)～(2)，获得一系列能反映刀具铣削过程振动规律的数据集。

7.根据权利要求6所述的采集刀具铣削过程振动规律实验数据的方法，其特征在于，所述铣削加工步骤中，控制所述铣削加工的切削深度Ap，使切削深度Ap大于所述工件本体的厚度L。

8.根据权利要求7所述的采集刀具铣削过程振动规律实验数据的方法，其特征在于，所述切削深度Ap比所述工件本体的厚度L大0.5mm～1mm。

9.根据权利要求6或7或8所述的采集刀具铣削过程振动规律实验数据的方法，其特征在于，所述沟槽的封闭端与其开口端所在的工件本体边缘侧的垂直距离t与所述铣削加工步骤中控制的切削宽度Ae、所选用的铣刀直径D的关系为：t＜Ae＜0.5D。

10.根据权利要求9所述的采集刀具铣削过程振动规律实验数据的方法，其特征在于，所述t的取值范围为：0.3D≤t≤0.4D。 

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