微切削加工最小切削深度模型的研究.pdf

第 2 9 卷第 1 1 期 2 0 0 8年 1 1 月 煤矿机械 Co a l Mi n e Ma c h i n e r y Vo 1 ． 2 9 N o ． 1 1 N o v ．2008 微 切 削加 工 最 小切 削深度 模 型 的研 究 尚广庆 ，孙春 华 ‘ 苏州市职业大学 ，江苏 苏州 2 1 5 1 0 4 摘要 为探讨微切 削的加． T - 机理 ， 对能稳 定切 削的最小切 削深度进行 了研 究。基于微切 削 模型、 刃弧半径、 摩擦 系数建立 了最小切削深度模型。通过数值计算， 分析 了摩擦 系数对微切 削力 的影响 ； 并利用有限元数值仿真 ， 验证 了该模型的正确性。理论分析和仿真结果表 明 最小切 削深 度与刃弧半径成正比， 但随摩擦 系数减小而增大。该模型的建立对微切削加工参数的选择具有实 际指 导 意义 。 关键词 微切 削；加工模型 ；最小切 削深度 ；数值仿真 中图分类号 T G 5 0 6 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 3 0 7 9 4 2 0 0 8 l 1 - 0 0 9 7 ． 0 3 S t u d y o n M o d e l o f M i n i mu m Cu t t i ng De p t h i n M i c r o c u t t i n g S HANG Gu a n gq i n g ，S UN Ch u nh u a S u z h o u V o c a t i o n a l C o l l e g e ， S u z h o u 2 1 5 1 04 ， C h i n a Ab s t r a c t T o p r o b e i n t o m a c h i n i n g me c h a n i s m i n mi c r o c u t t i n g ，t h e mi n i mu m c u t t i n g d e p t h f o r a c h i e v i n g s t a b l e ma c h i n i n g wa s d i s c u s s e d．A mo d e l o f mi n i mu m c u t t i n g d e p t h Was p rop o s e d b a s e d o n mo d e l o f mi c ro c u t t i n g ， t o o l e d g e r a d i u s and f r i c t i o n c o e f f i c i e n t ．T h e e f f e c t o f f ri c t i o n c o e f fi c i e n t s o n c u t t i n g f o r c e s w as ana l y z ed w i t h n u me r i c al c alc u l a t i o n．FEM n u me r i c al s i mul a t i o n wa s u s e d t o v e rif y t he v ali d i t y o f t h e mo d e 1 ．T h e r e s u l t s h o ws t ha t t he mi n i mu m c u t t i n g d e p th i s p ropo r t i o n al t o t oo l e d g e r a d i u s a n d i n c r e a s e s wi t h f r i c t i o n e oefi q e i e n t d e c r e a s i n g ．I t i s p r a c t i c al v alu e for c h oos i n g ma c h i n i n g p a r a me t e r s i n mi c ro c u t t i n g ． Ke y wo r d s mi c r o c u t t i n g；ma c h i n i n g mo d e l ；mi n i mu m c u t t i n g d e p th ；n um e ric a l s i mu l a t i o n 1 微切削加工模型 微切削加工模型如 图 1 所示。微 切削加工时 ， 在最小切削深度 t m i． 上部 的工件材料 发生纯塑性变 形 ， 沿刀具前刀面流出 ， 成为切屑 ； 而在最小切削深 度下部的工件材料发生纯弹性变形 ， 加工表面在 刀 具移动后 ， 恢复原样。也就是说 ， 当切深小于最小切 削深度时 ， 工件仅发生弹性变形 ； 而当切深大于最小 切削深度时 ， 工件不仅发生塑性变形 ， 产生切屑， 而 茄 _ 、 l ＼ ＼ 石 _l 、 ； ＼ 写 1． ＼ - ＼ ＼ _- 、 - ＼ ＼ - 、 、 ； ． ＼ ； I、 e I 、 写 速 情况 ， 惯 性力 与负 载及 摩擦 阻力 同 向 ， 凸轮 廓 面起 到啮合推动从动盘 的作用 。但是在减 速段 ， 惯性力 与负载及摩擦阻力反 向， 若速度大到一定程度 ， 则会 出现惯性力大于负载及摩擦 阻力 的情况 ， 凸轮将 起 到以其轮廓面来限制转 盘运动 ， 并达到使从 动盘按 照给定的运动规律进行减速运动的作用 。 1 三和 2 L段 的刀具轨迹修 正方法 与方案 1相 同 ； 3 R和 2 R段靠近凸轮定位段一部分不进行修形 起啮合受力或限位作用 ， 而远离 凸轮定位段一部分 进行修形。 3结语 提 出了通过对传统范成法加工刀具轨迹进行修 正来加工弧面分度 凸轮 的原理和实现方法 ， 该方法 是对传统范成法加工的发展。解决了传统范成法精 加工时凸轮的凹槽两侧 同时参加 铣削的弊端 ， 实现 了范成法的单侧 面加工 ， 加 工精度高 。与非等价加 工方式相 比， 该方法无理论加工误差 ， 加工精度高 ， 加工效率也高。 参考文献 [ 1 ] 刘昌祺， 牧野洋， 曹西京． 凸轮机构设计[ M ] ． 北京 机械工业出版 社 ． 2 0 0 5 ． [ 2 ] 尹 明富 ， 赵镇宏 ． 弧面分度凸轮单 侧加工 原理及 刀位控制 方法研 究 [ J ] ． 中国机械工程 ， 2 0 0 5 ， 1 6 2 1 2 71 3 0 ． [ 3 ] 何 有钧 ． 空间凸轮廓面的等距 曲面设计理论及两重包络加工方法 的研 究[ 博士学位论文 ] ． 上海 上海交通大学 ， 2 0 0 0 ． [ 4 ] 邹慧君 ， 何有 钧 ， 郭 为忠 ． 空 间凸轮两 重包 络法 初探 [ J ] ． 机械 传 动 ， 1 9 9 9 ， 2 3 4 3 23 4． 作者简介 唐学飞 1 9 7 4一 ， 江苏东海人 ， 讲师 ， 硕士 ， 主要从事 先进制造技术研究， 已发表论文 2 0 余篇， 发明专利 2 项， 电子信箱 t a n g x u e f e 1 9 7 4 1 6 3． t o m ． --- 9 7 -- 收稿 日期 2 0 0 8 0 7 ． 2 6 力 口 量／ J 切 lJ 深廑模型的砑究尚广庆， 等 第 2 9 卷第 1 1 期 且还发生弹性变形。 图 1徽 切 削 加 工 模 型 1 ． 刀具2 ． 工件 2 最小切削深度模型 当切深小于最小切削深度时 ， 工件仅发生弹性 变形。在弹性变形 的微分 区域内， 各力之 间的关系 如图 2 所示 ， 其法向分力 ‘ d F P 。 r d 0 s i n 0,u p r d 0 c o s 0 切 向分力 1 d F P r d 0 c o s 0一 r d 0 s i n 0 式 中p 作用于弹性区域刀具 圆弧刃上的法向 应力 ； r 刀具圆弧刃半径 ； 刀具与工件间的摩擦系数 ； 刀具的圆心角。 图 2 弹 性区域的 力模型 1 ．刀具2 ． 工件 由式 1 可知， 两切削力间的比值 亟 t a n d F 臼J8 2 C ，一 O S 0一t z s i n 0 一 。f J 式 中p 纯弹性区域的摩擦角 ， J 8 a r c t a n 。 图 3 切削 区域的力模型 1 ． 刀具2 ． 工件 当切削深度大于最小切削深度时 ， 此时切削区 ～ 98 内的受力情况如图 3所示。作用于微分区域 d 上 的力可以分为主切削力和切削抗力。应用 Me r e h a n t 理论公式来计算主切削力 d 3 式中 r 剪切应力 ； a w 切削宽度 ； J9 塑性区域的摩擦角； ， 。 刀具前角 ； 剪切角。 将d t r s i n 0 d 0 ， 7 o 一 詈 2 代入式 3 得 d F d 4 切削抗力 d 三 d 5 两切削力之问的比值 t a n 6 比较式 2 和式 6 可知 ， 无论是在弹性状态下 还是在塑性状态下 ， 法 向方向的分力与切 向方 向的 分力， 两力之间的比值具有相同的表达式。但由于 弹性状态和塑性状态下的摩擦系数不 同， 因而两 比 值的大小不等。 现假设在 临界状 态下 ， 临界角 与剪切角 相等。分析临界状态下微分单元的受力情况 ， 根据 力平衡 ， 可以推导出 dF d r r d 0 c o s 0 。 一d r r d 0 s i n 0 由式 2 和式 7 可得临界角 0 4 一 譬 7 8 可以推导出最小切削深度 一 t r [ 1 一 C O S 一 等 ] 9 叶 厶 由式 9 可知 ， 最小切 削深 度 的大小 与刀尖 圆弧 半径 r 以及刀具一工件间的摩擦系数 有关 。该 值与刃弧半径成正比， 且随着摩擦系数的增大而减 小。因此 ， 在微切削加工中， 应选择小刃弧半径的刀 具， 同时降低刀具与工件间的摩擦系数。 若微切削加工时 ， 采用金刚石刀具的刃角 圆弧 半径 r 0 ． 2～l ， 与金属工件材料间的摩擦系数 在 0 ． 0 5 ～0 ． 5 ， 根据式 9 ， 得到的最小切削深度其范 围为 0 ． 0 5～ 0 ． 2 t a n ， 其影响曲线如图 4所示。 第 2 9卷第 l l 期 微切削加工最小切削深度模 型的研究 尚广庆 ， 等 V o 1 ． 2 9 N o ． 1 1 3 数值仿真与分析 有限元技术是模 拟加工过程 的最有 效数值方 法 ， 可以非常直观地观察切屑的形成过程 、 切削力 、 应变等加工过程 中发生的物理现象 。因此 ， 采用商 业化有限元软件 D e r m 3 D对不 同切深条件 下的加 工过程进行 了仿真 ， 以验证模型的正确性 。 图 4最 小 切 削 深 度 1 切削深度对切屑形成的影响 假设工件与刀具间的摩擦系数 O ． 4 ， 刀具的 刃弧半径 r 1 p a n ， 通过式 9 计算或查询图 4 ， 得到 最小切削深度 t i 0 ． 1 7 m。现就切深小于最小切 削深度和切深大于最小 切削深度 2种情况进 行分 析 ’ 分别取 口 。 0 ． 1 5 p a n 、 口 。 0 ． 2 m进 行加工过 程仿真 ， 由仿真图 图略 可知 ， 在切深小于最小切削 深度的情况下 ， 刀具在工件表面挤压划过 ， 切削过程 无切屑产生 ， 说明工件发生的是弹性变形。而在切 深 大于 最小 切削 深度 的情 况 下 ， 产 生 了切 屑 ， 说 明工 件发生 了塑性变形和弹性变形。 上述的仿真结果与最小切 削深度模 型相符 ， 从 而验证 了所建立模型的正确性 。 2 切削深度对微切削力的影响 改变微切削加工时的切削深度 ， 可得到主切削 力和切削抗力 曲线 ， 由曲线图 图略 可知 ， 主切削力 和切削抗力都随着切削深度 的增大而增大 ， 但增大 的幅度不 同。切削深度 的变化对主切削力的影响比 真计算中的力包含 了犁耕所产生的力 ， 但未包含前 刀面由于积屑瘤的生成对切削力 的影 响。因此 ， 实 际切削加工过程 中， 所产生 的切削抗力要 大于该仿 真值 。 摩擦系数对 2种切削力 的影响则不 同。随着摩 擦系数 的增大 ， 主切削力增大， 而切削抗力则减小。 由曲线 图略 可知， 对于摩擦系数 0 ． 4 ， 当切削深 度小于最小切削深度 0 ． 1 7／ _ a n时， 切削抗力大于主切 削力 ， 切削时不会产生切屑； 而 当切削深度大于最小 切削深度时， 主切削力大于切削抗力 ， 将会产生切屑。 切削力的仿真结果与加工过程的仿真结果一致。 4 结语 该模型对微切削加工参数的选择具有实际指导 意义。通过减小刀具刃弧半径及增大工件与刀具间 的摩擦来减小最小切削深度， 从而可以选择较小的 切削深度参数进行微切削加工 ， 降低切削力 ， 提高表 面加工质量。 参考文献 [ 1 ] 刘战强 ，雷原 忠 ． 微切 削加 工技术 [ J ] ． 工 具技术 ，2 0 0 6 ， 4 0 3 2 8 3 4． [ 2 ] P ． K． B a s u r a y ，B ． K ．M i s r a ， G． K． L a1． T r a n s i t i o nf r o m p l o u g h i n gt o c u t ． t i n g d u ri n g m a c h i n i n g w i th b l u n t t o o l [ J ] ． We a r ，1 9 7 7 4 3 3 4 1 349 ． [ 3 ] N． I k a w a ，s ． S h i m a d a ，H． T s u w a ．N o n d e s t r u c t i v e s t r e n g t h e v a lu a t io n o f d i a m o n d f o r u l t r a p r e c i s i o n c u t t i n g t ool [ J ] ．A n n als o f t h e C I R P ， 1 9 8 5 ， 3 4 1 ． [ 4 ] z． J ． Y u a n ， M． Z h o u ，S ． D o n g ．E ff e c t o f d i amo n d to o l s h a r p n e s s o n mi n i mi l lT l c u t t i n g d e p t h a n d c u t t i n g s u r f a c e i n t e g r i t y i n u h r a p rec i s i o n ma c h in i n g [ J ] ．J ． M a t e r ． P r o c e s s ，T e c h n o l ， 1 9 9 6 6 2 3 2 73 3 0 ． [ 5 ] S o n SM， L i mH S a n d A l a n JH． E ff ect s o f t h ef ri c t i o n c o e f fi c i e n t s 【 J n t h e n fi n i m u m c u t t i n g d e p t h i n mi c r o c u t t in g [ J ] ．I n t e rna t i o n al J ． o f M a c h i n e T o o l s＆Manu f ， 2 0 0 5 ，2 1 3 2 8 1 2 8 8 ． 『 6 ] 袁哲俊 ． 金属切削原理 『 M] ． 2版 ． 匕海 匕 海科技 出版社 ．1 9 9 3 ． 作者简介 尚广 庆 1 9 6 6一 ， 黑龙江哈尔滨人 ， 苏州市 职业大学 机 电工程 系 ， 副教授 、 高级工程 师 ， 研究方 向为 C A D ／ C A M／ C A E、 数控 技术与应 用 ， 电话 0 5 1 26 6 5 0 3 1 2 7 ， 电子信箱 S h a n g g q j s s v c ． e d u ． c n ． 切削抗力的影响大。在切削深度小于最小值时 ， 仿 石 - ＼ 写 I ＼ 写 I ＼ ． 、 ＼贯 - ＼ 写 ＼ i、 ； 、 ＼ 、 石 ＼ ＼ ＼ I ＼蛉 。 三 一 重 装 获 批 建 o r国 家 级 博 士 后 工 作 站 2 O O 8年6月 1 9日， 从国家人力资源和社会保障部传来喜讯， 根据 博士后工作“ 十一五” 规划 ， 经专家评议， 人力资源和社会 保障部下发了 关于批准中国北方机车车辆工业集团公司等 3 4 5个单位设立博士后科研工作站的通知 人社部发 2 0 0 8 4 3 号 ， 批准三一重型装备有限公司等辽宁省 1 2家企业设立国家级博士后科研工作站， 开展博士后工作。至此， 三一重装成为继三一重 工后三一集团第二家国家级博士后科研工作站， 与此同时， 三一重装正在积极申报国家级企业技术中心， 有望年内获批。 企业博士后科研工作站是产学研相结合 、 增强企业 自主创新能力的有效载体， 它对培养企业高层次科技和管理人才、 吸 纳人才、 提升企业文化、 提高企业技术创新和开发能力 、 推动产学研 紧密结合和科技成果的转化等都具有重大意义。博士后 科研工作站的设立， 旨在为公司培养、 使用和吸引高层次专业技术人才， 提升公司研发能力， 促进公司技术创新体系建设， 促 进公司持续健康发展。 目前三一重装技术部门正在着手博士后工作站项目需求调研 、 工作站管理及激励办法等一系列准备工作， 预计 2 0 0 8 年 9 月份起将启 动博 士后 进站开题工作 。博士后工作站 获批 以及后续博士后工 作开展 ， 将进 一步促进 企业 自主研发 的开展 ， 为企 业引进高级人才带来了更多的有利资源， 拓宽了引才渠道， 同时也表明三一重装在实施技术创新战略、 提高企业核心竞争力 以及人才战略上的坚定决心。 三一重装将借此东风 ， 深入贯彻落实科学发展观， 把博士后培养工作纳入实施人才兴企和科教强国战略， 深刻认识博士 后工作在建设创新型国家中的重要作用， 把博士后工作纳入企业人才战略的大局中， 科学制定了三一重装博士后科研工作站 管理制度和管理细则， 并与博士后科研流动站联合招收培养博士后研究人员。 王志刚供稿 - -- - 9 9-----