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《铣削过程中切削力建模与误差预测技术研究进展.doc》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、铣削过程中切削力建模与误差预测技术研究进展万敏张卫红谭刚（西北工业大学机电学院中法并行工程联合实验室，陕西西安710072）摘要：研究铣削加工过程的机理，对于实现加工过程的精密化与高效化至关重要。本文介绍了铣削过程物理仿真的研究进展，阐述了铣削加工模拟的各项关键技术，包括切削力建模、误差预测等技术。并对铣削过程误差控制技术的发展方向作出了展望。关键词：铣削；切削力模型；误差1引言切削过程中的加工误差将降低零件的精度，进而直接影响其使用性能。尤其在航空航天类零件的铣削过程中，由于工件的薄壁弱刚度特征，加工变形引起的误差更为剧烈地影响着加工精度及表面质量，严重情况下造成零件报废。因而，
2、如何采用有效措施控制或减少加工变形保证产品质量是一个亟待解决的问题。传统上，切削操作人员通过试错法（Trial-and-errorMethod）获取经验值实现对加工误差的控制。近年来，计算机技术的飞速发展使得利用数值模拟方法研究加工过程成为可能。通过对切削力建模、误差的预测、以及误差控制技术的研究，可实现对铣削过程的控制。（1）切削力预测是铣削加工变形仿真的核心基础[1]，其预测精度与切削力模型及模型所含的切削力系数直接相关[2-10]。两种典型的切削力模型被广泛采用：模型1用一个系数描述前刀面剪切效应与后刀面摩擦效应[2-5]。模型2则使用两个独立切削力系数分别表示剪切效应和挤压
3、效应[6-10]。（2）对无颤振铣削过程，刀具/工件的弹性变形即静切削力引起的变形是构成零件表面误差的主要因素。Kline[11]和Ryu[12]认为工件误差主要是由刀具变形引起的，不考虑工件变形的影响。他们将刀具划分为轴向等长的单元模拟刀具加工过程的受载情况，并使用了悬臂梁理论计算刀具变形。Ratchev等[13-14]则认为在薄壁件的铣削过程中，工件变形是构成加工误差的主要因素，并使用有限元软件分析计算工件变形。郑力等[15]使用铣削力/铣削扭矩和瞬时未变形切屑厚度的关系，建立了预报工件表面误差的切削力分析模型。这些模型的特点在于忽略了刀具与工件变形的耦合效应。文献[16-19
4、]提出了同时考虑刀具变形及工件变形的耦合模型，使用迭代算法分析刀具和工件变形的耦合效应以及加工过程中的材料去除效应。以上诸研究都是基于理论分析或者数值计算得到零件的表面误差。Landom[20]，Liu[21]，Cho[22]等则采用试验的方法得到加工误差。本文依据铣削力建模与误差预测的基本模型，对切削力的建模方法、误差的预测方法等技术进行了分类与综合分析。2切削力建模与误差预测的关键技术2.1.切削力的建模2.1.1基本切削力模型若将刀具划分为轴向等距的多段梁单元，刀齿微元{i,j}即第j个梁单元上的第i齿受轴向力Fi,j,z、切向力Fi,j,T和径向力Fi,j,R作用，如图1所
5、示，两种切削力模型分别为：模型1[2-5](1)式中为梁元的轴向长度，为瞬时未变形切屑厚度，且(2)f表示单齿进给量，θi,j表示由加工表面外法线方向沿顺时针方向到刀齿微元{i,j}处的角度。、和表示切削力系数。模型2[6-10](3)切削力由剪切效应分量与边缘效应分量两部分组成，切削力系数,,是剪切效应系数，,,是边缘效应系数。为方便有限元分析与计算，需将微元切削力分解到进给方向(X)，加工面法向(Y)及轴向(Z)：(4)切削力合力为：，，(5)图1铣削过程中刀齿微元受力离散图2表面误差示意图2.1.2切削力系数的标定方法切削力系数基于测试得到的平均切削力标定[2,3,6,10]
6、。对于模型1，切削力系数、和通过下式可计算得到[6]：(6)其中，Rz表示轴向切削深度，表示刀具齿数，与表示切入角和切出角。平均切削力、和由试验测试得到。对于模型2，先将试验得到的平均切削力线性拟合为如下形式[6]（q=x,y,z）(7)进而有：(8)2.2误差的计算方法表面误差是指加工完成后的实际表面与名义表面之间沿加工面法向的偏差，如图2所示，在P点的表面误差为。三种误差模型被广泛的采用：误差模型I：只考虑刀具变形的模型，该模型认为表面误差主要由刀具变形引起的，被广泛应用于模具铣削误差与精度的分析之中[11,12]。表面误差通过下式计算得到：(9)误差模型II：只考虑工件变形的
7、模型，该模型认为工件变形是构成表面误差的主要因素，被应用于薄壁类零件的铣削误差的分析与计算中[13,14]。通过下式计算表面误差(10)误差模型III：同时考虑刀具变形和工件变形的模型，该模型认为刀具与工件的耦合作用是构成加工误差的主要因素，应用于薄壁类零件的铣削误差分析中[15-19]。表面误差的计算表达式为：(11)在应用上述误差模型时，如果不考虑刀具/工件变形对加工参数的反馈影响，称此方法为刚性预测法[16-19]。如果考虑刀具/工件变形对加工参数的反馈影响，称
