高速面铣加工的动态铣削力和刀具振动

常涛

摘 要：高速铣削在模具加工方面具有众多应用优势，已经成为模具加工工艺发展的必然趋势，为了充分发挥高速铣削加工技术优点，推动我国模具制造业的良好发展，就需要对高速面铣加工的动态铣削力和刀具振動进行分析。

关键词：高速铣削；高速面；动态铣削力；刀具振动

1 高速铣削技术介绍及研究

高速铣削技术改善了传统模具加工技术中的很多不足之处，具有众多技术优点，已经被广泛应用于汽车、航空等行业零件加工中，但是却没有实现较为理想的应用效果，究其根本原因是没有实现切削参数的最优化，进而影响了数控机床的加工效率。为了充分发挥高速铣削技术的应用优势，就需要应用物理建模技术和仿真技术对动态切削过程进行分析，实现切削参数的最优化，创新高速铣削技术理论。

切削力建模与动态仿真是影响高速切削效果的最主要物理量，借助力学原理能够构建力学模型，可以明确高速铣削加工过程中力的变化，同时还可以预测动态切削力和刀具振动现象，预测精准度较高。所以，可以使用力学模型方法建立动态铣削力模型以及刀具振动模型，并结合Matlab软件进行动态仿真以及频谱分析[1]。

2 面铣刀动态切削力分析

在对多齿铣刀动态切削力进行分析时，可以将其看做多个单齿铣刀动态切削力叠加效果，所以需要对单齿铣刀动态切削力进行分析。对于铣刀直径为d0，铣削宽度为ae的工件，当铣刀在工件切离侧和切入侧的露出长度分别为u1和u2，进给方向角、切入角、切出角以及接触角分别为φ、φ0、φe和φs时，在一定时间t内，切削接触角和进给方向角之间存在关系为：

如果用Ac表式切削面积，则存在关系为：

当铣刀形状为球头圆弧刃的时候，如果用R（x）表式刀片圆弧函数，则切削面积公式为：

在力学式切削力预测方法理论中，指出切削力会随着切削面的增大而升高，其中切削条件和工件材料特性是影响两者之间关系的最主要因素[2]。假设切削面积与切削刚度分别为Ac和K，则两者相乘便可以得到铣削力，如果用Fc、Fr、Fz分别表示铣刀切向上的切削力、径向切削力以及轴向切削力，则单齿铣刀加工过程中，存在关系分别为：

其中x、y、z分别表示铣削宽度方向、铣刀削进方向以及刀具轴向方向。

在得到单齿铣刀动态切削力分析结果之后，根据叠加原理，可以求解多齿铣刀动态切削力。当铣刀齿数为z时，θ表示刀齿之间的齿间距，铣刀转角β会随着时间t变化而改变，如果用n表示铣刀转速，则多齿铣刀第i个刀齿的铣刀轴向切削力、径向切削力以及铣刀宽度方向的切削力可以表示为：

在公式中g（φi）表示单位阶跃函数，是判断刀齿是否参与切割的主要依据，φi（β）表示第i个刀齿在某一时间点的切近角度大小。

3 高速面铣刀动态切削分析

高速面铣刀在工作过程中，既有弹性也要阻尼特性，这是因为铣刀切削力是不断变化的，再加上离心力的影响，铣刀便无法保持绝对稳定状态，会出现微小振动现象。如果以铣床切削部分建立坐标轴，经过反复测试，从得到的相对动柔度曲线中可以看出，主轴部位的振动现象最为明显。利用高速面铣刀的弹性和阻尼特性，结合动力学原理，可以构建高速面铣刀动态切削模型[4]。

高速面铣刀切削是一个动态过程，切削厚度并不是固定不变的，再加上铣刀刀齿的断续性特点，切削力便会不断变化，并且所得到的坐标曲线形态具有周期性特定，所以，刀具系统便会随着切削力的变化而发生变化，出现振动现象。如果用数学模型来表示高速面铣刀工作情况，则存在公式：

在得到数学函数模型之后，利用模态参数辨别方法进行计算，可以得到高速面铣加工过程的中的各项动力学模型参数，包括频率、阻尼比、刚度系数等，利用这些参数，将原有数学函数模型进行变换，能够得到数控机床与刀具的系统数学函数模型，为模型的建立提供了理论依据。以此作为重要参考，再利用振动系统的具体测试结果，能够对高速铣削系统的工作状态进行精准预测，得到高速面铣加工的动态铣削力以及刀具振动情况，解决生产加工过程中的实际问题。

结束语

利用力学理论，对切削厚度、刀具前角以及刀面磨损等因素进行综合考虑，构建高速面铣加工模型，并结合计算机技术进行仿真分析，能够得到动态铣削力和刀具振动位移仿真频谱，进而可以对动态铣削力和刀具振动现象进行分析，明确各项切削参数与切削力以及刀具振动现象之间的关系，以此作为重要依据，可以实现切削参数的最优化，对于提高数控机床加工效率和加工质量具有重要意义。

参考文献

[1]郑敏利，周军，张为，等.高速面铣加工的动态铣削力和刀具振动研究[J].机械设计，2010，（9）：15-19.

[2]朱坚民，王健，张统超，等.基于刀具振动位移的动态铣削力测量方法[J].仪器仪表学报，2014，（12）：2772-2782.

[3]齐根想.复杂曲面模具钢高速铣削振动特性研究[D].沈阳理工大学，2015.

[4]杨茹.高速铣削过程铣削力建模与表面质量分析[D].哈尔滨理工大学，2013.

[5]刘宇，李青祥.立铣加工切削力和振动的计算机仿真与实验[J].吉林大学学报：工学报，2015，（2）：448-453.