專利名稱：銑削過程振動(dòng)規(guī)律實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集用模型及采集方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集用模型及采集方法，尤其涉及一種金屬切削過程振 動(dòng)規(guī)律實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集用模型及采集方法。
背景技術(shù)：
銑削加工過程中所產(chǎn)生的振動(dòng)源于刀具和工件之間的相互摩擦，這種摩擦直接反 映在切削力(例如銑削力)的大小上。由于銑削力同切削厚度、機(jī)床的綜合自激系統(tǒng)模態(tài) 成正比，因此，銑削力的存在會(huì)導(dǎo)致機(jī)床系統(tǒng)的不穩(wěn)定震顫。如果在高速銑削過程中不能有 效降低振顫，那么加工出的零件表面的粗糙度會(huì)比較大，同時(shí)還會(huì)加大刀具的磨損，增大機(jī) 床的動(dòng)態(tài)載荷。所以，通過一種合理的測(cè)試方法，預(yù)測(cè)并驗(yàn)證高速銑削過程中穩(wěn)定的切削條 件，研究銑削過程的高頻振顫趨勢(shì)，從而確定出合理的切削參數(shù)，對(duì)于提高工件表面加工質(zhì) 量，減緩刀具磨損有著重要的意義。上世紀(jì)以來，國(guó)內(nèi)外研究人員在切削過程的震顫方面做了大量的研究，建立了多 個(gè)切削力相關(guān)模型并得以驗(yàn)證，但這些切削試驗(yàn)方法多是基于被加工零件或者車削刀具， 主要研究切削刃部分對(duì)刀具的破損和零件的表面質(zhì)量的影響；同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)加工前預(yù)測(cè)和 控制表面粗糙度，以往建立的表面粗糙度預(yù)測(cè)模型主要采用回歸分析方法。然而，由于銑削 加工過程比較復(fù)雜，影響工件表面粗糙度的因素很多，很難建立起精確的回歸模型，從而導(dǎo) 致現(xiàn)有方法的預(yù)測(cè)精度不高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的 銑削過程振動(dòng)規(guī)律實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集用模型，還提供一種工藝過程簡(jiǎn)單、操作方便、獲取的實(shí) 驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可有效應(yīng)用于刀具銑削過程振動(dòng)規(guī)律的研究及預(yù)測(cè)、并可有效提高刀具切削 精度和刀具使用壽命的采集刀具銑削過程振動(dòng)規(guī)律實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為一種銑削過程振動(dòng)規(guī)律實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 的采集用模型，所述模型包括工件本體，工件本體上開設(shè)有一個(gè)以上的彎曲狀半封閉溝槽， 所述溝槽的開口端設(shè)于工件本體的邊緣，溝槽的封閉端設(shè)于工件本體內(nèi)部。上述的模型中，溝槽的形狀并無嚴(yán)格要求，可以為光滑的曲線狀或者多段線形成 的折線狀。上述的模型中，所述溝槽內(nèi)優(yōu)選設(shè)有一個(gè)以上的支撐塊(該支撐塊優(yōu)選為圓柱體 狀或長(zhǎng)方體狀)，所述支撐塊與溝槽之間為過盈配合。優(yōu)選的，所述支撐塊的寬度B比溝槽 的寬度W大0.05mm 0. 1mm。當(dāng)溝槽內(nèi)設(shè)置支撐塊時(shí)，所述溝槽的寬度W最優(yōu)選為Imm 2mm。當(dāng)所述溝槽內(nèi)不設(shè)置支撐塊時(shí)，所述溝槽的寬度W最優(yōu)選為0. 5mm 1. 5mm。作為一個(gè)總的技術(shù)構(gòu)思，本發(fā)明還提供一種用上述的模型采集刀具銑削過程振動(dòng) 規(guī)律實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法，包括以下步驟(1)銑削加工以所述模型作為加工對(duì)象，并以機(jī)床允許的切削速度ν沿該模型的工件本體邊緣進(jìn)行銑削加工，當(dāng)銑削到所述溝槽的封閉端時(shí)，溝槽內(nèi)側(cè)所包圍成的半島狀 懸空塊迅速脫落，立即停止銑削加工，并收集脫落的懸空塊；(2)單組數(shù)據(jù)的獲取對(duì)收集到的具有完整表面的懸空塊進(jìn)行包括顯微鏡表面拍 攝、表面輪廓度測(cè)量在內(nèi)的各種測(cè)量工作，并對(duì)測(cè)量后得出的包括表面紋路深度、表面紋路 間距在內(nèi)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行分析、校正，獲得某一切削條件的單組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；(3)多組數(shù)據(jù)集的獲取改變包括切削參數(shù)或切削方式在內(nèi)的各種切削條件，重 復(fù)上述步驟(1) O)，獲得一系列能反映刀具銑削過程振動(dòng)規(guī)律的多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過分析獲取的不同懸空塊的表面輪廓，我們可以獲得一系列對(duì)研究銑削過程振 動(dòng)規(guī)律及刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要意義的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過分析對(duì)比這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)便可對(duì)銑削 過程中的振動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究和預(yù)測(cè)。作為對(duì)上述采集刀具銑削過程振動(dòng)規(guī)律實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法的進(jìn)一步改進(jìn)，所述銑削 加工步驟中，控制所述銑削加工的切削深度Ap，使切削深度Ap大于所述工件本體的厚度L。 更優(yōu)選的，所述切削深度Ap比所述工件本體的厚度L大0. 5mm 1mm。作為對(duì)上述采集刀具銑削過程振動(dòng)規(guī)律實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法的進(jìn)一步改進(jìn)，所述溝槽 的封閉端與其開口端所在的工件本體邊緣側(cè)的垂直距離t與所述銑削加工步驟中控制的 切削寬度Ae、所選用的銑刀直徑D的關(guān)系為t < Ae < 0. 5D。更優(yōu)選的，所述t的取值范 圍為0. 3D ^ t ^ 0. 4D。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明通過采用一種非常簡(jiǎn)單的工件模型， 并結(jié)合簡(jiǎn)單的采集方法，便可方便地獲得各種獨(dú)立的加工表面，通過直觀地觀察、分析刀具 振動(dòng)在加工表面形成的映射，便可獲得銑削加工時(shí)刀具振動(dòng)的相關(guān)信息，從而對(duì)銑削加工 中的刀具振動(dòng)進(jìn)行研究、預(yù)測(cè)和控制，以便于提高銑削加工時(shí)的加工精度和刀具的使用壽 命。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集用模型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例的采集方法中用銑刀進(jìn)行銑削加工時(shí)的工作狀態(tài)示意圖(俯 視)；圖3為本發(fā)明實(shí)施例的采集方法中用銑刀進(jìn)行銑削加工時(shí)的工作狀態(tài)示意圖(正 視)；圖4為本發(fā)明實(shí)施例的采集方法中脫落后的懸空塊的照片。圖例說明1、工件本體；2、溝槽；21、開口端；22、封閉端；3、懸空塊；4、支撐塊；5、銑刀；6、切 削刃。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合說明書附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。實(shí)施例一種如圖1所示的本發(fā)明的銑削過程振動(dòng)規(guī)律實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集用模型，該模型包 括一相對(duì)較薄的板狀工件本體1 (45號(hào)鋼制作)，在工件本體1上相隔一定間距開設(shè)有若干個(gè)彎曲狀的半封閉溝槽2，每條溝槽2具體是由三條直線溝槽彎折連通而成。這些半封閉 溝槽2沿測(cè)試時(shí)銑刀的進(jìn)給方向排列。溝槽2的開口端21設(shè)于工件本體1的邊緣，溝槽2 的封閉端22設(shè)于工件本體1的內(nèi)部，每條溝槽2的內(nèi)側(cè)包圍成一個(gè)半島狀的懸空塊3。每 條溝槽2中設(shè)有兩個(gè)細(xì)長(zhǎng)方體狀的支撐塊4，溝槽2的寬度W為1mm，支撐塊4的寬度B為 1. 05mm,比溝槽的寬度W大0. 05mm,支撐塊4與溝槽2之間為過盈配合。一種用本實(shí)施例的上述模型采集刀具銑削過程振動(dòng)規(guī)律實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法，包括以 下步驟(1)銑削加工首先以上述的模型作為加工對(duì)象，將該模型安裝到機(jī)床的工作臺(tái) 上，同時(shí)確保工件本體1的邊緣與機(jī)床進(jìn)給方向平行，如圖2 圖3所示，采用逆銑(或者 順銑)的方式用銑刀5 (本實(shí)施例選用直徑為8mm的二刃直柄平頭立銑刀)沿該模型的工 件本體1邊緣進(jìn)行側(cè)銑，側(cè)銑時(shí)的切削速度ν為80m/min ；為了使工件最終的加工表面為單 一切削刃銑削加工形成的完整表面，本實(shí)施例中控制銑刀5的切削深度Ap大于工件本體1 的厚度L (建議比切削深度Ap小0. 5mm Imm)，本實(shí)施例中工件本體1的厚度L為5. 5mm, 切削深度Ap為6mm ；此外，本實(shí)施例中還控制了溝槽2的封閉端22與其開口端21所在的工 件本體1邊緣側(cè)的垂直距離t，即使該垂直距離t與銑刀5的切削寬度Ae、銑刀直徑D的關(guān) 系滿足t < Ae < 0. 5D，具體到本實(shí)施例中，本實(shí)施例選用的銑刀5的直徑D為8mm，t設(shè)計(jì) 成3mm，而銑刀5的切削寬度Ae則控制在3. 5mm ；當(dāng)銑刀5銑削到溝槽2的封閉端22時(shí)，在 銑刀5的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(轉(zhuǎn)速為η)和工件本體1的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的綜合影響下，銑刀5的切削刃6 與溝槽2的封閉端22形成相切，溝槽2內(nèi)側(cè)所包圍成的半島狀懸空塊3迅速脫落，立即停 止銑削加工，并收集脫落的懸空塊3 ；圖4即為經(jīng)過本步驟的銑削加工后得到的一個(gè)懸空塊 3，其加工表面F即為單一切削刃加工所形成的斷面；(2)單組數(shù)據(jù)的獲取一方面通過測(cè)量銑削過程中切削力及扭矩的變化情況，利 用現(xiàn)有的技術(shù)手段獲得高頻振動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)扭矩；另一方面對(duì)收集到的具有完整表面的懸 空塊3進(jìn)行包括顯微鏡表面拍攝、表面輪廓度測(cè)量在內(nèi)的各種測(cè)量工作，并對(duì)測(cè)量后得出 的包括表面紋路深度、表面紋路間距在內(nèi)的各項(xiàng)參數(shù)(例如表面形態(tài)圖)進(jìn)行分析、校正， 獲得某一切削條件的單組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括扭矩Μ，切削振動(dòng)的頻率及振幅；(3)多組數(shù)據(jù)集的獲取改變包括切削參數(shù)或切削方式(順銑、逆銑)在內(nèi)的各種 切削條件(本實(shí)施例主要改變切削時(shí)的轉(zhuǎn)速，切深、切寬和進(jìn)給量的大小保持不變)，重復(fù) 上述步驟(1) O)，獲得如下表1所示的一系列能反映刀具銑削過程振動(dòng)規(guī)律的數(shù)據(jù)集。表1 本實(shí)施例獲得的反映刀具銑削過程振動(dòng)規(guī)律的數(shù)據(jù)集
權(quán)利要求
1.一種銑削過程振動(dòng)規(guī)律實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集用模型，其特征在于所述模型包括工件本 體，工件本體上開設(shè)有一個(gè)以上的彎曲狀半封閉溝槽，所述溝槽的開口端設(shè)于工件本體的 邊緣，溝槽的封閉端設(shè)于工件本體內(nèi)部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銑削過程振動(dòng)規(guī)律實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集用模型，其特征在于所 述溝槽的寬度W為0. 5mm 4mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的銑削過程振動(dòng)規(guī)律實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集用模型，其特征在于 所述溝槽內(nèi)設(shè)有一個(gè)以上的支撐塊，所述支撐塊與溝槽之間為過盈配合。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的銑削過程振動(dòng)規(guī)律實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集用模型，其特征在于所 述溝槽的寬度W為Imm 2mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的銑削過程振動(dòng)規(guī)律實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集用模型，其特征在于所 述支撐塊為圓柱體狀或長(zhǎng)方體狀，所述支撐塊的寬度B比溝槽的寬度W大0. 05mm 0. Imm0
6.一種用權(quán)利要求1 5中任一項(xiàng)所述的模型采集刀具銑削過程振動(dòng)規(guī)律實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的 方法，包括以下步驟(1)銑削加工以所述模型作為加工對(duì)象，并以機(jī)床允許的切削速度ν沿該模型的工件 本體邊緣進(jìn)行銑削加工，當(dāng)銑削到所述溝槽的封閉端時(shí)，溝槽內(nèi)側(cè)所包圍成的半島狀懸空 塊迅速脫落，立即停止銑削加工，并收集脫落的懸空塊；(2)單組數(shù)據(jù)的獲取對(duì)收集到的具有完整表面的懸空塊進(jìn)行包括顯微鏡表面拍攝、 表面輪廓度測(cè)量在內(nèi)的各種測(cè)量工作，并對(duì)測(cè)量后得出的包括表面紋路深度、表面紋路間 距在內(nèi)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行分析、校正，獲得某一切削條件的單組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；(3)多組數(shù)據(jù)集的獲取改變包括切削參數(shù)或切削方式在內(nèi)的各種切削條件，重復(fù)上 述步驟(1) O)，獲得一系列能反映刀具銑削過程振動(dòng)規(guī)律的數(shù)據(jù)集。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的采集刀具銑削過程振動(dòng)規(guī)律實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法，其特征在于， 所述銑削加工步驟中，控制所述銑削加工的切削深度Ap，使切削深度Ap大于所述工件本體 的厚度L。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的采集刀具銑削過程振動(dòng)規(guī)律實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法，其特征在于， 所述切削深度Ap比所述工件本體的厚度L大0. 5mm 1mm。
9.根據(jù)權(quán)利要求6或7或8所述的采集刀具銑削過程振動(dòng)規(guī)律實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法，其特 征在于，所述溝槽的封閉端與其開口端所在的工件本體邊緣側(cè)的垂直距離t與所述銑削加 工步驟中控制的切削寬度Ae、所選用的銑刀直徑D的關(guān)系為t < Ae < 0. 5D。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的采集刀具銑削過程振動(dòng)規(guī)律實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法，其特征在于， 所述t的取值范圍為0. 3D彡t彡0. 4D。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種銑削過程振動(dòng)規(guī)律實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集用模型，該模型包括工件本體，工件本體上開設(shè)有一個(gè)以上的彎曲狀半封閉溝槽，溝槽的開口端設(shè)于工件本體的邊緣，溝槽的封閉端設(shè)于工件本體內(nèi)部。用該模型采集刀具銑削過程振動(dòng)規(guī)律實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法為先以機(jī)床允許的切削速度沿該模型的工件本體邊緣進(jìn)行銑削，當(dāng)銑削到懸空塊迅速脫落時(shí)停止銑削加工收集懸空塊；對(duì)懸空塊進(jìn)行包括顯微鏡表面拍攝、表面輪廓度測(cè)量在內(nèi)的各種測(cè)量工作，并對(duì)測(cè)量后的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行分析、校正，再改變切削條件，重復(fù)上述步驟，獲得一系列能反映刀具銑削過程振動(dòng)規(guī)律的數(shù)據(jù)集。本發(fā)明的工藝過程簡(jiǎn)單、操作方便，獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可有效提高刀具切削精度和刀具使用壽命。
文檔編號(hào)B23C3/00GK102107294SQ20101060412
公開日2011年6月29日 申請(qǐng)日期2010年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月24日
發(fā)明者馮義超, 周志雄, 李忠華, 湯愛民, 王許超 申請(qǐng)人:株洲鉆石切削刀具股份有限公司, 湖南大學(xué)