钛合金动态铣削力预测及其影响因素分析

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1、钛合金动态铣削力预测及其影响因素分析DynamicCuttingForcePredictionandAnalysisInfluenceforMillingTitaniumAlloy北京航空制造工程研究所刘畅王焱【摘要】建立动态铣削力模型，通过TC4一DT铣削试验确定铣削力系数，预测不同切削用量下钛合金瞬时铣削力，并分析了计算结果和影响因素，提出误差补偿方法，为钛合金薄壁件加工变形控制提供了理论基础。关键词：动态铣削力铣削力系数钛合金fABSTRACTlTheinstantaneousexpressi

2、onofmillingforceisestablishedandthecuttingforcecoef-ficientsaredeterminedbyTC4．DTmillingexperiment．TheresultsandfactorsofpredictedforceswithdifferentmillingparametersareanalyzedandallerrorcompensationmethodiSgiven．whichprovidesatheoryforthedeforma-tion

3、controlofmillingtitaniumthin—wallworkpieces．Keywords：DynamicmilfingforceMillingforcetoe佑cientsTitaniumalloy1铣削力预测的实际应用钛合金具有比强度高、耐腐蚀和高温等特点，是制造部分航空结构件的首选材料，而且这些零件通常具有复杂的轮廓和几何外形，通过数控铣削来实现其粗、精加工。另一方面，钛合金强度高、导热性差、加工硬化严重，是典型的难加工材料，易导致刀具快速磨损或崩刃，如图l所示。由于弹性模量较低

4、，钛合金构件在切削加工过程中容易变形，发生超差和过切现象。过程。铣削力是反映刀具磨损、工件变形与铣削用量之间关系的重要参数，如图2所示。已知铣削力，可以确定机床功率、工件加工过程的几何变形和偏差、型腔的振动特性和强度要求、刀具和夹具设计方案以及实际加工系统⋯。在实际生产中，为了延长刀具寿命和减小加工误差，也需要对铣削力进行建模并选取合理的铣削参数将其控制在适当的范围内。图2铣削力反映的主要参数Fig．2Parametersrespondedbymillingforce2动态铣削力建模方法铣削力建模通

5、常采用2种方法：多元回归分析和微元切削力建模。对于切削力，通过回归分析可以得到相应的经验模型公式，该方法不用考虑切削的机理和材料去除过程，可以寻找出切削力和切削参数背后的数学规律。例如常用指数模型作为铣削力最大值模型：Fx,y。mx=C·矿‘·，。·ap4·匝4，其中，k。一。为x、Y、z三向铣削力的最大值，'，为刀具转速，，为进给速度，口。为铣削深度，a。为铣削宽度，C、k、，、m、r／为待定系数。对试验测定的多组数据进行拟合，可求出C、j}、，、m、玎值，建立铣削力的一种数学表达式。但该模型存在

6、3点缺点：(1)该公式只能预测铣削力最大值，不能反映铣削图1硬质合金铣刀切削钛合金崩刃前后对比过程中力随刀具运动的变化规律；Fig．1Comparisonoftooledgebeforeandafterbreaking(2)为了保证拟合公式的准确性，需要采集多组试whe“mmmg№n‘“m验数据；为了解决以上问题，需要建立模型，仿真加工物理(3)应用范围有限，无法解决与铣削机理相关的问86航窄制造技术·2010年第22期题，如分析刀具变形对铣削形貌的影响、建立铣削过程的有限元模型等。针对上述问题，有

7、必要对刀具切削材料的物理过程建立数学模型，本试验采用微元切削力建模方法对钛合金动态铣削力进行了预测。立铣刀沿轴向可以被分为许多微小的切削层单元出，切向(E(咖))、径向(E(妒))和轴向(Fa(咖))切削力被表示为变化的切削面积(h(咖)dz)和切削刃接触长度(dz)的函数口l：fdF,(驴)=【K。^(驴)+j匕】dz{dFr(《b)=[joIll(妒)+jo】dz，(1)IdF,(≯)=【j匕^(妒)+蚝。】dz西为铣刀齿切削时转过的角度，如图3所示。图3铣削示意图Fig．3Diagramofe

8、ndmillingf(咖)、B(咖)和Fo(咖)分别是切向、径向、轴向切削力，将它们投影到X，Y，z坐标系有ldFx=-dFt·COS币一dE,-sin巾{dr,=dF,·sin≯一dFr·COS≯Id丘=dF．，(2)h(毋)为切屑厚度，随西变化而变化，如果近似认为铣刀齿外端运动的轨迹为圆弧，则JiI(咖)=户sin≯，(3)其中／为每齿进给量，把铣刀刃看做空间螺旋线，将(1)、(3)式代人(2)式并将刀具参与加工的部分沿螺旋线积分便可求得x,y、z三向的瞬时铣削力