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考虑刀具偏摆的微铣削瞬时切削厚度的理论分析与研究

2016-10-24 来源：太原理工大学美国太平洋大学作者：苏玉龙董志国轧刚刘建成

摘要：为避免用圆弧线来描述微铣刀刀尖运动轨迹带来的误差，更精确地实现微铣削加工过程的模拟，引入刀尖运动的真实轨迹即次摆线，同时考虑微铣削加工过程中刀具偏摆的影响，通过数学的方法，建立一种新的瞬时切削厚度理论计算模型。研究刀具在旋转过程中，刀具偏摆和每齿进给量对微铣削瞬时切削厚度的影响。通过将几种切削厚度模型进行对比分析，考虑刀具偏摆的切削厚度模型更加接近真实情况。

关键词：瞬时切削厚度；次摆线；刀具偏摆；每齿进给量

0. 引言

近年来，微切削以其独特的优势在各行各业中的应用已经越来越广泛。在大多数微切削研究中，都将微切削刀具刀尖轨迹简化为圆，此时的瞬时切削厚度t。一^sin0，此模型在刀具每齿进给量与铣刀直径之比很小的常规切削中可以得到较好的结果。但在实际加工过程中，刀尖的轨迹为次摆线，而且在微切削中，刀具偏摆量YO与刀具半径r的比值率(ro／r)比常规切削大的多，刀具偏摆对微切削的瞬时切削厚度的影响较大。因此为了得到更加精确的瞬时切削厚度，需要将刀具偏摆考虑在内，来研究微切削刀尖运动轨迹。

对于常规切削的瞬时切削厚度的起步较早，研究成果较多，然而对于微切削的研究，国内外学者正处探索阶段。张棉好[1]在微铣削切削厚度模型中考虑刀具转动和移动的影响因素，利用几何的方法推导出微切削厚度的理论模型，但其模型未考虑刀具偏摆的影响。许鸿利[2]、I．S．Kanga[3]、Hye—Ri Gye[41等人通过将微铣削刀尖的轨迹简化为圆，计算出瞬时切削厚度，进而研究微切削力。Bao[51和赵岩[61认为微铣削刀具轨迹是一种次摆线曲线，建立刀尖轨迹的运动方程，推导出微铣削瞬时切削厚度的公式，但未考虑刀具偏摆的影响。Chengfeng Li[71考虑微铣削过程中刀具偏摆的影响，建立了瞬时切削厚度模型，但其推导过程较为复杂，出现超越方程，最后给出了瞬时切削厚度的一个近似的模型。上述文献在计算微切削的瞬时切削厚度时，均未能准确地将刀具偏摆考虑在内。

刀具偏摆是指刀具及主轴部件的制造误差、装夹误差造成刀具轴线和主轴理想回转轴线之间漂移和偏心，以及具体加工工艺、工装等都可能产生数控铣床刀具在加工中的径向跳动。本文研究的刀具偏摆的大小主要取决于主轴和刀柄的制造和安装的误差。

1. 考虑刀摆的瞬时切削厚度

1．1微铣削刀尖运动轨迹

瞬时切削厚度是研究微铣削力的一个重要参数。本文采用的是日进MSE230M带涂层两齿端铣刀，直径为100pm，利用仪器Digital Microscope VHX一2000E测得切削刃的长度为198pm，螺旋角为26．97。切削刃圆弧半径为10．5 μm，微铣刀如图1[8]所示。铣削加工刀齿轨迹为旋转与进给运动的合成，是一种次摆线曲线，根据图l可以看出加工表面的刀具轨迹。

图1微铣刀及微槽加工底面刀具轨迹图

常规切削中，由于刀具偏摆对切削厚度的影响不大，通常忽略刀具偏摆的影响，即铣刀刀尖的运动是由刀具的平动、绕自身轴线转动两个运动合成。而微细加工中，刀具偏摆量ro与刀具半径，．的比值率(to／r)比常规切削大的多，对微铣削的瞬时切削厚度的影响较大，刀具偏摆的影响不能忽略。微铣削中铣刀刀尖运动轨迹是由刀具的平动、绕主轴转动和摆动三部分运动合成的。建立如图2所示的坐标系，绘制出考虑刀具偏摆的微铣刀刀刃路径图。