一種用于提高銑削穩定性的金屬深冷加工方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于提高銑削穩定性的金屬深冷加工方法，包括：(a)為銑床主軸及配置的立銑刀組裝隨其同步移動的液氮冷卻噴頭；(b)在低溫冷卻的條件下執行順銑，并通過實驗計算得出切向銑削力系數、切向刃口力系數、徑向銑削力系數和徑向刃口力系數等切削力系數：(c)對銑刀刀尖處執行錘擊試驗，基于試驗結果擬合得到相應的位移頻響函數，同時提取模態質量、模態阻尼和模態剛度等模態參數；(d)構建兩自由度銑削動力學方程，然后基于該動力學方程對金屬銑削過程的穩定性邊界進行預測，并相應調整銑削加工參數。通過本發明，能夠綜合解決切削熱和切削工藝系統失穩的問題，并顯著提高深冷加工的最大無顫振材料去除率。
【專利說明】一種用于提高銑削穩定性的金屬深冷加工方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于銑削加工工藝【技術領域】，更具體地，涉及一種用于提高銑削穩定性的 金屬深冷加工方法。
【背景技術】
[0002] 在各種金屬銑削加工工藝中，冷卻液獲得了廣泛應用，其中通過向切削區噴淋冷 卻液，可以有效降低刀具與工件材料間的摩擦系數，帶走大部分傳入刀具、工件及切肩中的 切削熱，從而起到降低切削溫度并改善表面加工質量的效果。然而，對于鈦合金、高溫合金 等廣泛應用于航空航天工業的難切削材料，需要采用大量的冷卻液并選取較保守的工藝參 數來保證足夠的刀具壽命和可靠的表面質量，因而其材料去除率很低；而且由于冷卻液本 身對操作工人及環境有害，其循環再利用及廢棄液的污染治理成本也是日益突出的技術問 題。
[0003] 除了切削熱外，切削工藝系統失穩（即顫振現象）同樣是制約材料去除率的另外 一個重要因素。由于切肩厚度的再生效應引發工藝系統失穩是最常見的一類顫振，現有技 術中已經有少量的相關研宄，例如，Tlusty等人提出了采用穩定性葉瓣圖來描述切削加工 過程穩定性與切削參數關系，并運用該葉瓣圖來計算切削工藝系統的穩定性。測試表明，在 銑削過程中如超過臨界切深，工藝系統就會失穩發生顫振，導致刀具與工件之間過大的振 動位移，甚至引發刀具破損及工件報廢，因此切削過程穩定性是選取工藝參數時的首要問 題。相應地，本領域中亟需對以上技術問題進行更為深入的研宄，并提出相應的有效解決對 策。
【發明內容】
[0004] 針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種用于提高銑削穩定性的 金屬深冷加工方法，其中通過結合銑削加工自身的工藝特點，采用液氮噴射方式對銑刀及 工件切削部位執行低溫冷卻，并基于低溫冷卻狀態下的銑削力系數和刀具模態參數來構建 可準確反映銑削穩定性邊界的銑削動力學模型，相應能夠綜合解決切削熱和切削工藝系統 失穩的問題，并尤其適用于鈦合金、高溫合金之類航空航天材料的銑削加工場合。
[0005] 為實現上述目的，按照本發明，提供了一種用于提高銑削穩定性的金屬深冷加工 方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：
[0006] (a)為銑床主軸及配置的立銑刀組裝液氮冷卻噴頭，該液氮冷卻噴頭隨著銑床主 軸和立銑刀同步移動，并用于在整個銑削過程中向立銑刀和工件切削部位噴射液氮執行低 溫冷卻；
[0007] (b)在上述低溫冷卻的條件下執行順銑，并通過改進立銑刀的進給速度，測得多個 不同的銑削工況下的平均切削力，然后基于以下表達式（一）和（二）及采用線性擬合的 方式，計算得出包括切向銑削力系數、切向刃口力系數、徑向銑削力系數和徑向刃口力系數 在內的一系列切削力系數：
【權利要求】
1. 一種用于提高銑削穩定性的金屬深冷加工方法，其特征在于，該方法包括以下步 驟： (a) 為銑床主軸及配置的立銑刀組裝液氮冷卻噴頭，該液氮冷卻噴頭隨著銑床主軸和 立銑刀同步移動，并用于在整個銑削過程中向立銑刀和工件切削部位噴射液氮執行低溫冷 卻； (b) 在上述低溫冷卻的條件下執行順銑，并通過改進立銑刀的進給速度，測得多個不同 的銑削工況下的平均切削力，然后基于以下表達式（一）和（二）及采用線性擬合的方式， 計算得出包括切向銑削力系數、切向刃口力系數、徑向銑削力系數和徑向刃口力系數在內 的一系列切削力系數：
其中，^表示各個銑削工況下所測得的沿著X軸加工方向的平均切削力，^表示各個 銑削工況下所測得的沿著Y軸加工方向的平均切削力，ap表示各個銑削工況下對應的軸向 切深，ft表示各個銑削工況下對應的每齒進給量，Krc表示待擬合求解的徑向銑削力系數，K t。 表示待擬合求解的切向銑削力系數，Kra表示待擬合求解的徑向刃口力系數，K te;表示待擬合 求解的切向刃口力系數，4>st表示各個銑削工況下對應的切入角，巾"表示各個銑削工況下 對應的切出角，巾表示在銑削過程中不斷變化的刀齒-工件接觸角，N表示刀齒數； (c) 在立銑刀的端部附近設置力錘及加速度傳感器，將力錘敲擊力作為激勵輸入信號， 將立銑刀刀尖點處對應產生的加速度作出輸出信號，以此方式，同樣在上述述低溫冷卻的 條件下執行錘擊試驗，然后基于試驗結果擬合得到相應的位移頻響函數，同時提取包括模 態質量、模態阻尼和模態剛度在內的一系列模態參數； (d) 利用步驟（b)和（c)所獲得的一系列切削力系數和模態參數，構建如以下表達式 (三）所示的兩自由度銑削動力學方程，然后基于該動力學方程對金屬銑削過程的穩定性 邊界進行預測，并相應調整銑削加工參數：
其中，mx，cx，kx分別表示通過步驟（c)所獲取的立銑刀刀尖點處沿著X軸加工方向的 模態質量、模態阻尼和模態剛度，my，cy，ky分別表示通過步驟（c)所獲取的立銑刀刀尖點處 沿著Y軸加工方向的模態質量、模態阻尼和模態剛度；q(t)為銑刀刀尖點處隨著加工時刻 t而變化的瞬時動態位移，q' (t)、q" (t)分別為該瞬時動態位移q(t)的一階導數和二 階導數；Ke(t)表示隨加工時刻t而變化的動態切削導向系數矩陣；Aq(t)表示立銑刀在當 前加工時刻t與前一加工時刻之間之間所發生的相對位移；W表示刀齒后刀面的磨損長度； V cut表示刀齒的切削線速度；S 5表示穩態加工時刀齒與工件之間的擠壓等效面積；Crai (t)表 示隨加工時刻t而變化的等效過程阻尼導向系數矩陣。
2. 如權利要求1所述的金屬深冷加工方法，其特征在于，在步驟（c)中，優選采用有理 分式多項式法來擬合所述位移頻響函數。
3. 如權利要求1或2所述的金屬深冷加工方法，其特征在于，在步驟（d)中，在步驟（d) 中，優選采用以下多個公式來計算所述動態切削導向系數矩陣Mt)和所述等效過程阻尼 導向系數矩陣C eq(t):
其中，ap表示各個銑削工況下對應的軸向切深，N表示刀齒數；巾j(t)表示對于立銑 刀的第j個刀齒而言，在其軸向高度z處的切削刃微元隨加工時刻t而變化的接觸角； g((^_(t))表示隨接觸角變化的開關函數；K"、K t。、UP Kte分別表示通過步驟（b)所求解 出的一系列切削力系數；D表示立銑刀的銑削轉速；e表示立銑刀的螺旋角；R表示立銑 刀的半徑；4> st、吣x分別表示銑削切入角和切出角。
4. 如權利要求3所述的金屬深冷加工方法，其特征在于，在步驟（d)中，優選采用以下 公式來計算所述擠壓等效面積Sp和刀齒切削線速度V
其中，1%表示刀齒的刃口半徑，a s表示刃口切肩分流點的方位角，Y。表示刀齒的刀 刃后角；R表示立銑刀半徑，D表示立銑刀的銑削轉速。
5. 如權利要求3或4所述的金屬深冷加工方法，其特征在于，優選采用半離散法對金屬 銑削過程的穩定性邊界進行預測。
6. 如權利要求1-5任意一項所述的金屬深冷加工方法，其特征在于，所述被銑削加工 的金屬優選為鈦合金、高溫合金之類的航空航天用難切削材料。
【文檔編號】B23Q11/10GK104493636SQ201410634983
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年11月12日 優先權日:2014年11月12日
【發明者】丁漢, 黃信達, 張小明, 牟海闊, 張小儉 申請人:華中科技大學