CN102128759A

CN102128759A - 高速铣刀服役性能关联分析方法

Info

Publication number: CN102128759A
Application number: CN2010100324708A
Authority: CN
Inventors: 姜彬; 郑敏利
Original assignee: Harbin University of Science and Technology
Current assignee: Harbin University of Science and Technology
Priority date: 2010-01-14
Filing date: 2010-01-14
Publication date: 2011-07-20

Abstract

高速铣刀及服役性能关联分析方法，目前，在评价高速铣刀服役行为的数据完整性和清晰度方面存在诸多问题，限制了高速铣刀产品开发和应用。本发明的方法包括：A、建立高速铣刀安全性判据，通过试验建立铣刀直径、齿数、刀齿分布及其交互作用对高速铣削安全稳定性分析，得到影响规律曲线；铣刀强度失效转速随直径和齿数增大而下降，在直径和齿数交互作用下，一阶模态固有频率存在较大差异，是对铣刀安全稳定切削性能产生较大影响参数；B、建立满足加工效率和加工表面质量要求的高速铣刀服役行为特征模型；C、通过高速铣刀服役性能灰色综合关联度分析，进行高速铣刀服役性能定量分析与评价。本发明用于分析高速铣刀服役性能。

Description

高速铣刀服役性能关联分析方法

技术领域：

本发明涉及一种高速铣刀及切削性能评价方法，具体涉及高速铣刀服役行为特征模型及其灰色关联分析方法。

背景技术：

高速铣刀服役行为是铣刀材料、结构设计和切削性能研究的制高点，不仅能够综合反映铣刀在高速切削过程中的状态和表现，而且能够较全面地反映出铣刀产品经济和社会满意度，是检验高速铣刀产品能否满足关键零部件高效、高精度切削加工需求的最终判据。

目前，由于尚无全面综合考虑多特征量对高速铣削加工过程影响的分析方法，在评价高速铣刀服役行为的数据完整性和清晰度方面存在诸多问题，限制了高速铣刀产品开发和应用。

发明内容：

本发明的目的是提供一种高速铣刀服役行为特征模型构建与灰色关联分析方法，解决小样本、贫信息导致高速铣刀服役行为性影响因素和评价指标不确定性问题。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

高速铣刀服役性能关联分析方法，该方法包括如下步骤：

A、建立高速铣刀安全性判据，通过试验建立铣刀直径、齿数、刀齿分布及其交互作用对高速铣削安全稳定性分析，得到影响规律曲线；铣刀强度失效转速随直径和齿数增大而下降，在直径和齿数交互作用下，一阶模态固有频率存在较大差异，是对铣刀安全稳定切削性能产生较大影响参数；

B、建立满足加工效率和加工表面质量要求的高速铣刀服役行为特征模型；

C、通过高速铣刀服役性能灰色综合关联度分析，进行高速铣刀服役性能定量分析与评价。

一种上述的方法设计的铣刀，其组成包括：刀柄和镶在上面的刀齿，所述的刀齿为多齿，所述的刀齿之间呈不均匀分布，所述的铣刀直径为80mm以上，所述的多齿是5齿以上。

有益效果：

1.本发明提出一种表征铣刀结构参数及其交互作用对高速铣削安全稳定性影响的分析方法，解决了信息贫乏和不完整导致铣刀安全稳定性影响因素、评价指标不确定性问题，实现了高速铣刀设计和应用中服役性能定量分析与评价。

2.本发明采用灰色关联分析方法，建立高速铣刀服役行为特征模型，获得铣刀直径、齿数、刀齿分布及其交互作用对高速铣削安全稳定性影响规律，解决小样本、贫信息导致高速铣削安全稳定性影响因素和评价指标不确定性问题。

附图说明：

附图1是铣刀应力场分析曲线，图中，C1为直径50mm铣刀(4齿均布)最大剪应力曲线，C2为直径63mm铣刀(5齿均布)最大剪应力曲线，C3为直径80mm铣刀(5齿均布)最大剪应力曲线，C4为铣刀组件材料剪强度曲线。

附图2是铣刀模态分析结果，图中D₁为直径50mm铣刀固有频率，D₂为直径63mm铣刀固有频率，D₃为直径80mm铣刀固有频率。

附图3是高速铣刀应力场分析曲线，图中C5为直径50mm铣刀(刀齿均布)最大剪应力曲线，C6为直径50mm铣刀(刀齿不均匀分布)最大剪应力曲线，C7为直径63mm铣刀(刀齿均布)最大剪应力曲线，C8为直径63mm铣刀(刀齿不均匀分布)最大剪应力曲线，C9为铣刀组件材料剪强度曲线。

附图4是刀齿分布对高速铣刀固有频率的影响图，图中A为相邻齿距差为2°铣刀固有频率，B为相邻齿距差为3°铣刀固有频率，C为相邻齿距差为4°铣刀固有频率，D为相邻齿距差为5°铣刀固有频率。

具体实施方式：

实施例1：

高速铣刀服役性能关联分析方法，该方法包括如下步骤：

1.建立高速铣刀安全性判据：

高速铣刀是由刀体、紧固螺钉、刀片等组件构成的一个串联系统。高速铣削过程中，过大离心力与动态切削力导致铣刀结构性超载，并引起振动时，高速铣刀可能会因刀体、刀片和螺钉等组件的变形、断裂或共振而失效，则铣刀安全性判据为：

n≤n_f1/1.6，n≥n_f2·k_g或n≤n_f2/k_g (1)

n_f1＝min(n₁，n₂，n₃，...，n_i)，n_f2≈60f_gi/k_z (2)

式中：n_i为铣刀组件强度失效转速；n_f为铣刀共振失效转速；k_g为铣刀共振失效影响系数(k_g＝3)；k_z为刀齿分布系数，刀齿均匀分布时k_z＝z，刀齿分布不均时，k_z＝1。

2.直径和齿数对铣刀安全性影响分析

根据式(1)、式(2)，建立涂层硬质合金高速铣刀模型(主偏角为45°，刀片安装前角为0°)，其中，直径为50mm、63mm和80mm铣刀应力场分析和模态分析结果如图1、图2所示：

由图1可以看出，直径50mm铣刀强度失效转速达到27000rpm；直径增加至63mm，齿数增加至五个刀齿时，铣刀强度失效转速下降至23000rpm；铣刀直径增加至80mm，其强度失效转速降至20000rpm，较直径50mm的铣刀下降了25.9％。对比分析直径63mm和80mm铣刀发现，齿数不变，直径增加26.9％，铣刀强度失效转速降低13.04％。

由图2可以看出，直径50mm铣刀一阶模态固有频率达到1565Hz；直径增加至63mm，齿数增加至五个刀齿时，一阶模态固有频率降至492Hz；齿数不变，铣刀直径增加至80mm时，其一阶模态固有频率提高至643Hz。

上述分析结果表明，铣刀强度失效转速随直径和齿数增大而下降，在直径和齿数交互作用下，一阶模态固有频率存在较大差异，对铣刀安全稳定切削性能产生较大影响。

3.刀齿分布对铣刀安全性影响分析建立直径50mm和63mm高速铣刀模型(刀片安装前角0°、主偏角45°、4齿)，并将均匀分布的刀齿调整为相邻齿距差为5°的不均匀分布，以改变其高速铣削激振频率。铣刀应力场分析结果如图3所示：采用直径63mm的4齿高速铣刀模型，调整其刀齿分布，使其相邻齿距差分别为2°、3°、4°、5°，铣刀模态分析结果如图4所示：铣刀应力场与模态分析结果表明：当刀齿分布不均，且铣刀不平衡量存在较大差异时，铣刀组件强度失效形式和产生最大等效应力、最大剪切应力的部位均未发生明显改变；在齿距差为5°范围内，刀齿不均匀分布和由此产生的较大不平衡量对铣刀强度失效转速影响较小。齿距差由2°增加至5°，铣刀一阶模态固有频率仅增加了25Hz，刀齿不均匀分布对绕铣刀轴线扭转一阶模态影响不大。

4.高速铣刀切削实验

依据高速铣刀安全性判据和有限元分析结果，研制四种典型结构高速铣刀，如表1所示。

表1 高速铣削实验刀具

表中：Δθ为铣刀相邻刀齿齿距差，G为铣刀动平衡精度，刀片为涂层硬质合金可转位铣刀片。

采用表1中的高速铣刀在五坐标加工中心(MIKRON UCP710)上进行高速铣削铝合金(LD6)实验。切削速度v为1570m/min~2770m/min，进给速度v_f为1600mm/min~5600mm/min，背吃刀量a_p为1mm~3mm，切削接触角为30°~120°，铣削宽度a_e为13mm~60mm。

依据实验结果，获得铣刀1、2、3、4高速铣削铝合金加工表面粗糙度回归方程如式(3)~式(6)所示：

R_a＝4.3371v^-0.509·v_f ^0.292·a_e ^0.285·a_p ^-0.728 (3)

R_a＝0.003v^0.51·v_f ^0.242·a_e ^0.143·a_p ^-0.389 (4)

R_a＝0.021v^-0.071·v_f ^0.504·a_e ^0.198·a_p ^-0.032 (5)

R_a＝0.596v^-0.625·v_f ^0.373·a_e ^0.503·a_p ^-0.9 (6)

5.高速铣刀服役行为特征模型建立与高速铣刀服役性能灰色关联分析

依据实验结果，建立满足加工效率和加工表面质量要求的高速铣刀服役行为特征模型：

R_a＝1.392v^-0.756(v_f/z)^0.504a_p ^-0.9a_e ^0.143d^0.647 (7)

在a_e/d＝0.75，每齿进给量f_z＝0.06mm，背吃刀量a_p＝1.0mm，切削速度v＝1900mm/min、2100mm/min、2300mm/min、2500mm/min条件下，获得高速铣削实验中铣刀服役行为序列为：

式中：X₀为式(7)确定的高速铣刀服役行为特征序列，X₁~X₄分别实验铣刀1~4服役行为特征序列。

由式(8)，根据灰色绝对关联度定理，获得高速铣刀服役性能的绝对关联度为：

ε₀₁＝0.743，ε₀₂＝0.907，ε₀₃＝0.952，ε₀₄＝0.777

根据灰色相对关联度定理，高速铣刀服役性能相对关联度为：

r₀₁＝0.971，r₀₂＝0.952，r₀₃＝0.980，r₀₄＝0.872

由灰色综合关联度定理，X₀与X_i灰色综合关联度为：

ρ_0i＝θ·ε_0i+(1-θ)·r_0i θ∈[0，1] (9)

取θ＝0.5，由式(9)获得高速铣刀服役性能综合关联度为：

ρ₀₁＝0.857，ρ₀₂＝0.930，ρ₀₃＝0.966，ρ₀₄＝0.825

由此可得：

ρ₀₃＞ρ₀₂＞ρ₀₁＞ρ₀₄

X₃＞X₂＞X₁＞X₄

X₃为最优因素，X₃次之，X₁又次之，X₄最劣。即：直径80mm、5齿不均匀分布的涂层硬质合金高速铣刀切削铝合金服役性能最优，直径63mm、4齿不均匀分布高速铣刀服役性能次之，直径50mm、4齿均匀分布高速铣刀服役性能再次之，直径80mm、5齿均匀分布高速铣刀切削铝合金服役性能最差。

对上述结果进行分析发现，尽管直径80mm、5齿均匀分布高速铣刀服役性能最差，但其与直径50mm、4齿均匀分布高速铣刀灰色综合关联度相差并不太大，主要原因在于直径的增加在一定程度上弥补了铣刀刚度上的不足。

基于实验的高速铣刀灰色关联分析结果表明：多齿不均匀分布的大直径铣刀具有优良的高效切削稳定性，其服役性能满足高速铣削加工要求；刀齿不均匀分布可有效降低直径与齿数交互作用对铣刀安全稳定性影响，提高铣刀高速切削服役性能。高速铣刀灰色综合关联度分析方法，较全面地表征了小样本、有限数据条件下铣刀结构参数及其交互作用对其服役行为影响，实现了高速铣刀服役性能定量分析与评价。

实施例2：

所述的方法设计的铣刀，其组成包括：刀柄和镶在上面的刀齿，所述的刀齿为多齿，所述的刀齿之间呈不均匀分布，所述的铣刀直径为80mm以上，所述的多齿是5齿以上。

Claims

1.一种高速铣刀服役性能关联分析方法，其特征是：该方法包括如下步骤：

2.一种根据权利要求1所述的方法设计的铣刀，其组成包括：刀柄和镶在上面的刀齿，其特征是：所述的刀齿为多齿，所述的刀齿之间呈不均匀分布，所述的铣刀直径为80mm以上，所述的多齿是5齿以上。