一種用于提高銑削穩(wěn)定性的金屬深冷加工方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于提高銑削穩(wěn)定性的金屬深冷加工方法，包括：(a)為銑床主軸及配置的立銑刀組裝隨其同步移動(dòng)的液氮冷卻噴頭；(b)在低溫冷卻的條件下執(zhí)行順銑，并通過實(shí)驗(yàn)計(jì)算得出切向銑削力系數(shù)、切向刃口力系數(shù)、徑向銑削力系數(shù)和徑向刃口力系數(shù)等切削力系數(shù)：(c)對(duì)銑刀刀尖處執(zhí)行錘擊試驗(yàn)，基于試驗(yàn)結(jié)果擬合得到相應(yīng)的位移頻響函數(shù)，同時(shí)提取模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)阻尼和模態(tài)剛度等模態(tài)參數(shù)；(d)構(gòu)建兩自由度銑削動(dòng)力學(xué)方程，然后基于該動(dòng)力學(xué)方程對(duì)金屬銑削過程的穩(wěn)定性邊界進(jìn)行預(yù)測(cè)，并相應(yīng)調(diào)整銑削加工參數(shù)。通過本發(fā)明，能夠綜合解決切削熱和切削工藝系統(tǒng)失穩(wěn)的問題，并顯著提高深冷加工的最大無顫振材料去除率。
【專利說明】一種用于提高銑削穩(wěn)定性的金屬深冷加工方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于銑削加工工藝【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體地，涉及一種用于提高銑削穩(wěn)定性的 金屬深冷加工方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 在各種金屬銑削加工工藝中，冷卻液獲得了廣泛應(yīng)用，其中通過向切削區(qū)噴淋冷 卻液，可以有效降低刀具與工件材料間的摩擦系數(shù)，帶走大部分傳入刀具、工件及切肩中的 切削熱，從而起到降低切削溫度并改善表面加工質(zhì)量的效果。然而，對(duì)于鈦合金、高溫合金 等廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)的難切削材料，需要采用大量的冷卻液并選取較保守的工藝參 數(shù)來保證足夠的刀具壽命和可靠的表面質(zhì)量，因而其材料去除率很低；而且由于冷卻液本 身對(duì)操作工人及環(huán)境有害，其循環(huán)再利用及廢棄液的污染治理成本也是日益突出的技術(shù)問 題。
[0003] 除了切削熱外，切削工藝系統(tǒng)失穩(wěn)（即顫振現(xiàn)象）同樣是制約材料去除率的另外 一個(gè)重要因素。由于切肩厚度的再生效應(yīng)引發(fā)工藝系統(tǒng)失穩(wěn)是最常見的一類顫振，現(xiàn)有技 術(shù)中已經(jīng)有少量的相關(guān)研宄，例如，Tlusty等人提出了采用穩(wěn)定性葉瓣圖來描述切削加工 過程穩(wěn)定性與切削參數(shù)關(guān)系，并運(yùn)用該葉瓣圖來計(jì)算切削工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定性。測(cè)試表明，在 銑削過程中如超過臨界切深，工藝系統(tǒng)就會(huì)失穩(wěn)發(fā)生顫振，導(dǎo)致刀具與工件之間過大的振 動(dòng)位移，甚至引發(fā)刀具破損及工件報(bào)廢，因此切削過程穩(wěn)定性是選取工藝參數(shù)時(shí)的首要問 題。相應(yīng)地，本領(lǐng)域中亟需對(duì)以上技術(shù)問題進(jìn)行更為深入的研宄，并提出相應(yīng)的有效解決對(duì) 策。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種用于提高銑削穩(wěn)定性的 金屬深冷加工方法，其中通過結(jié)合銑削加工自身的工藝特點(diǎn)，采用液氮噴射方式對(duì)銑刀及 工件切削部位執(zhí)行低溫冷卻，并基于低溫冷卻狀態(tài)下的銑削力系數(shù)和刀具模態(tài)參數(shù)來構(gòu)建 可準(zhǔn)確反映銑削穩(wěn)定性邊界的銑削動(dòng)力學(xué)模型，相應(yīng)能夠綜合解決切削熱和切削工藝系統(tǒng) 失穩(wěn)的問題，并尤其適用于鈦合金、高溫合金之類航空航天材料的銑削加工場(chǎng)合。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明，提供了一種用于提高銑削穩(wěn)定性的金屬深冷加工 方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：
[0006] (a)為銑床主軸及配置的立銑刀組裝液氮冷卻噴頭，該液氮冷卻噴頭隨著銑床主 軸和立銑刀同步移動(dòng)，并用于在整個(gè)銑削過程中向立銑刀和工件切削部位噴射液氮執(zhí)行低 溫冷卻；
[0007] (b)在上述低溫冷卻的條件下執(zhí)行順銑，并通過改進(jìn)立銑刀的進(jìn)給速度，測(cè)得多個(gè) 不同的銑削工況下的平均切削力，然后基于以下表達(dá)式（一）和（二）及采用線性擬合的 方式，計(jì)算得出包括切向銑削力系數(shù)、切向刃口力系數(shù)、徑向銑削力系數(shù)和徑向刃口力系數(shù) 在內(nèi)的一系列切削力系數(shù)：

【權(quán)利要求】
1. 一種用于提高銑削穩(wěn)定性的金屬深冷加工方法，其特征在于，該方法包括以下步 驟： (a) 為銑床主軸及配置的立銑刀組裝液氮冷卻噴頭，該液氮冷卻噴頭隨著銑床主軸和 立銑刀同步移動(dòng)，并用于在整個(gè)銑削過程中向立銑刀和工件切削部位噴射液氮執(zhí)行低溫冷 卻； (b) 在上述低溫冷卻的條件下執(zhí)行順銑，并通過改進(jìn)立銑刀的進(jìn)給速度，測(cè)得多個(gè)不同 的銑削工況下的平均切削力，然后基于以下表達(dá)式（一）和（二）及采用線性擬合的方式， 計(jì)算得出包括切向銑削力系數(shù)、切向刃口力系數(shù)、徑向銑削力系數(shù)和徑向刃口力系數(shù)在內(nèi) 的一系列切削力系數(shù)：
其中，^表示各個(gè)銑削工況下所測(cè)得的沿著X軸加工方向的平均切削力，^表示各個(gè) 銑削工況下所測(cè)得的沿著Y軸加工方向的平均切削力，ap表示各個(gè)銑削工況下對(duì)應(yīng)的軸向 切深，ft表示各個(gè)銑削工況下對(duì)應(yīng)的每齒進(jìn)給量，Krc表示待擬合求解的徑向銑削力系數(shù)，K t。 表示待擬合求解的切向銑削力系數(shù)，Kra表示待擬合求解的徑向刃口力系數(shù)，K te;表示待擬合 求解的切向刃口力系數(shù)，4>st表示各個(gè)銑削工況下對(duì)應(yīng)的切入角，巾"表示各個(gè)銑削工況下 對(duì)應(yīng)的切出角，巾表示在銑削過程中不斷變化的刀齒-工件接觸角，N表示刀齒數(shù)； (c) 在立銑刀的端部附近設(shè)置力錘及加速度傳感器，將力錘敲擊力作為激勵(lì)輸入信號(hào)， 將立銑刀刀尖點(diǎn)處對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的加速度作出輸出信號(hào)，以此方式，同樣在上述述低溫冷卻的 條件下執(zhí)行錘擊試驗(yàn)，然后基于試驗(yàn)結(jié)果擬合得到相應(yīng)的位移頻響函數(shù)，同時(shí)提取包括模 態(tài)質(zhì)量、模態(tài)阻尼和模態(tài)剛度在內(nèi)的一系列模態(tài)參數(shù)； (d) 利用步驟（b)和（c)所獲得的一系列切削力系數(shù)和模態(tài)參數(shù)，構(gòu)建如以下表達(dá)式 (三）所示的兩自由度銑削動(dòng)力學(xué)方程，然后基于該動(dòng)力學(xué)方程對(duì)金屬銑削過程的穩(wěn)定性 邊界進(jìn)行預(yù)測(cè)，并相應(yīng)調(diào)整銑削加工參數(shù)：
其中，mx，cx，kx分別表示通過步驟（c)所獲取的立銑刀刀尖點(diǎn)處沿著X軸加工方向的 模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)阻尼和模態(tài)剛度，my，cy，ky分別表示通過步驟（c)所獲取的立銑刀刀尖點(diǎn)處 沿著Y軸加工方向的模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)阻尼和模態(tài)剛度；q(t)為銑刀刀尖點(diǎn)處隨著加工時(shí)刻 t而變化的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)位移，q' (t)、q" (t)分別為該瞬時(shí)動(dòng)態(tài)位移q(t)的一階導(dǎo)數(shù)和二 階導(dǎo)數(shù)；Ke(t)表示隨加工時(shí)刻t而變化的動(dòng)態(tài)切削導(dǎo)向系數(shù)矩陣；Aq(t)表示立銑刀在當(dāng) 前加工時(shí)刻t與前一加工時(shí)刻之間之間所發(fā)生的相對(duì)位移；W表示刀齒后刀面的磨損長(zhǎng)度； V cut表示刀齒的切削線速度；S 5表示穩(wěn)態(tài)加工時(shí)刀齒與工件之間的擠壓等效面積；Crai (t)表 示隨加工時(shí)刻t而變化的等效過程阻尼導(dǎo)向系數(shù)矩陣。
2. 如權(quán)利要求1所述的金屬深冷加工方法，其特征在于，在步驟（c)中，優(yōu)選采用有理 分式多項(xiàng)式法來擬合所述位移頻響函數(shù)。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的金屬深冷加工方法，其特征在于，在步驟（d)中，在步驟（d) 中，優(yōu)選采用以下多個(gè)公式來計(jì)算所述動(dòng)態(tài)切削導(dǎo)向系數(shù)矩陣Mt)和所述等效過程阻尼 導(dǎo)向系數(shù)矩陣C eq(t):
其中，ap表示各個(gè)銑削工況下對(duì)應(yīng)的軸向切深，N表示刀齒數(shù)；巾j(t)表示對(duì)于立銑 刀的第j個(gè)刀齒而言，在其軸向高度z處的切削刃微元隨加工時(shí)刻t而變化的接觸角； g((^_(t))表示隨接觸角變化的開關(guān)函數(shù)；K"、K t。、UP Kte分別表示通過步驟（b)所求解 出的一系列切削力系數(shù)；D表示立銑刀的銑削轉(zhuǎn)速；e表示立銑刀的螺旋角；R表示立銑 刀的半徑；4> st、吣x分別表示銑削切入角和切出角。
4. 如權(quán)利要求3所述的金屬深冷加工方法，其特征在于，在步驟（d)中，優(yōu)選采用以下 公式來計(jì)算所述擠壓等效面積Sp和刀齒切削線速度V
其中，1%表示刀齒的刃口半徑，a s表示刃口切肩分流點(diǎn)的方位角，Y。表示刀齒的刀 刃后角；R表示立銑刀半徑，D表示立銑刀的銑削轉(zhuǎn)速。
5. 如權(quán)利要求3或4所述的金屬深冷加工方法，其特征在于，優(yōu)選采用半離散法對(duì)金屬 銑削過程的穩(wěn)定性邊界進(jìn)行預(yù)測(cè)。
6. 如權(quán)利要求1-5任意一項(xiàng)所述的金屬深冷加工方法，其特征在于，所述被銑削加工 的金屬優(yōu)選為鈦合金、高溫合金之類的航空航天用難切削材料。
【文檔編號(hào)】B23Q11/10GK104493636SQ201410634983
【公開日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2014年11月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月12日
【發(fā)明者】丁漢, 黃信達(dá), 張小明, 牟海闊, 張小儉 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)