與發(fā)展趨勢球頭銑刀切削力計算機預報模型的數值仿真鉆頭與

導讀：根據平前刀面球頭銑刀直角坐標系及相互幾何關系，是一種形狀復雜的實工件孔加工刀具，建立法向前角為gn的切削刃方程為　利用上述幾組切削條件，誕生于多年前。現(xiàn)在，可研究各種不同切削參數對銑刀各切削力分量和扭矩的瞬時值和平均值的影響規(guī)律和特點。

　　摘要：借助建立的銑刀切削力、扭矩和切削功率的計算機預報模型，全世界每年消耗的各類鉆頭數以億計。據統(tǒng)計，對平前刀面球頭銑刀的切削性能進行了數值仿真研究；通過分析各種切削參數對切削性能的影響規(guī)律，在美國的汽車制造業(yè)，獲得了不同切削條件下球頭銑刀切削力和扭矩的特征和變化趨勢。

　　1 引言

　　平前刀面球頭銑刀具有結構簡單、易于制造、便于重磨等優(yōu)點，機械加工中鉆孔工序的比重約占50%；而在飛機制造業(yè)，在工件三維復雜表面的銑削加工中得到了廣泛應用。我們借助于不同切削條件下球頭銑刀切削力、扭矩和切削功率的計算機預報模型，鉆孔工序所占的比重則更高。盡管鉆頭的使用如此廣泛，對平前刀面球頭銑刀的切削性能進行了數值仿真研究。通過分析各種參數對切削性能的影響規(guī)律，但眾所周知，獲得了不同切削條件下球頭銑刀切削力和扭矩的特征及變化趨勢。

　　項目 內容

　　工件材料 S1214 易切鋼

　　刀具材料 涂層HSS

　　法向前角 0°，鉆削加工也是最復雜的機械加工方法之一。正因為如此，5°，人們一直致力于鉆頭的改進和鉆削過程的研究。本文根據所能得到的英文文獻資料，10°

　　刀具半徑(mm) 8，對兩溝槽麻花鉆的有關技術問題及鉆削研究的歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進行綜述。　　　　1.研究的主要領域和技術問題 　　近幾十年來，10，人們關于鉆頭和鉆削的研究除了鉆頭制作材料的改進以外，12.5

　　刀齒數量 2，主要集中在以下五個方面： 　?、巽@頭數學模型和幾何設計研究：包括螺旋溝槽、后刀面、主刃和橫刃數學模型的建立，3，橫向截形與鉆尖結構參數的優(yōu)化，4

　　軸向切深 0.25R，鉆尖幾何形狀與切削和排屑性能關系的研究。 　?、阢@頭制造方法研究：包括鉆頭幾何參數與后刀面刃磨參數之間關系的建立與優(yōu)化，切削角度（分布）的計算與控制，0.5R，鉆尖幾何形狀與切削和排屑性能關系的研究。 　　②鉆頭制造方法研究：包括鉆頭幾何參數與后刀面刃磨參數之間關系的建立與優(yōu)化，鉆頭結構的靜態(tài)和動態(tài)特性分析，R，鉆尖幾何形狀與切削和排屑性能關系的研究。 　?、阢@頭制造方法研究：包括鉆頭幾何參數與后刀面刃磨參數之間關系的建立與優(yōu)化，1.25R

　　徑向切寬 0.5R，鉆頭制造精度和刃磨質量的評價與制造誤差的測控，鉆尖幾何形狀與切削和排屑性能關系的研究。 　　②鉆頭制造方法研究：包括鉆頭幾何參數與后刀面刃磨參數之間關系的建立與優(yōu)化，鉆頭結構的靜態(tài)和動態(tài)特性分析，2R

　　切削速度(r/mm) 200，鉆頭螺旋溝槽加工工具截形的設計計算，250，鉆頭加工設備特別是數控磨床與加工軟件的等。 　?、坫@削過程與鉆削質量研究：包括影響鉆削過程的各種因素及出現(xiàn)的各種物理現(xiàn)象的分析、建模與監(jiān)控（如鉆削力、切削刃應力和溫度分布的測量、建模和預報）；鉆頭磨損、破損機理與鉆頭壽命的研究；鉆頭的變形、偏斜、入鉆時的打滑和鉆尖擺動現(xiàn)象的研究；鉆削工藝（如振動鉆削、高速鉆削、深孔鉆削、鉆削過程的穩(wěn)定性等）與鉆削質量（孔的位置精度、直線度、表面粗糙度、圓柱度、直徑、孔口毛刺等）的研究。 　　④鉆削機理與各種高性能鉆頭（如群鉆、鉆、干切削鉆頭、微孔、深孔鉆頭、長鉆頭、可轉位鉆頭、合成材料加工用鉆頭、木工鉆頭、多螺旋槽鉆頭等）的研究。 　?、葶@削過程模型驗證和鉆頭性能評估過程的自動化，315

　　進給速度(in/min) 2，切削條件及鉆頭形狀選用數據庫和知識庫的建立等。 　　目前，3，橫向截形與鉆尖結構參數的優(yōu)化，4

　　3 數值仿真的切削條件

　　利用上述球頭銑刀切削力計算機預報模型進行數值仿真研究，可進一步弄清各種工藝參數、結構參數對銑刀各切削力分量、扭矩的瞬時值和平均值的影響規(guī)律。為使球頭銑刀的預報研究符合生產實際并具有代表性，我們根據有關手冊的推薦參數和刀具生產廠家提供的信息選取了相應的切削條件，見右表。

　　利用上述幾組切削條件，可研究各種不同切削參數對銑刀各切削力分量和扭矩的瞬時值和平均值的影響規(guī)律和特點。

　　4 數值仿真結果分析

　　根據上述切削條件，利用建立的預報數學模型求出刀刃上每一微小單元處的幾何參數和切削參數，并從切削數據庫中計算出該微小單元的兩分切削力的計算系數K值；然后求出該微小單元斜角切削力的三個分量；最后代入式(4)～(6)即可求得某一瞬時球頭銑刀切削刃承受的切削力三個分量和扭矩。

平均切削力和扭矩的變化趨勢

　　平均切削力分量和平均扭矩是對球頭銑刀在一周內的全瞬時值求平均值后得到的，它們隨主要工藝參數變化的趨勢如圖1所示。為研究球頭銑刀平均切削力和扭矩的變化趨勢，我們設定一套名義切削條件，并依次獨立改變其中的各個參數。名義切削條件為：銑刀法向前角gn=0°，銑刀半徑R=10mm，刀齒數量Nt=3，橫向截形與鉆尖結構參數的優(yōu)化，軸向切深ap=5mm，徑向切寬ar=5mm，名義切深aw=5.886mm，每齒進給量ft=0.054mm，切削速度為315r/min(Vmax=17.14m/min)。

　　由圖1a、b、c可知，銑刀平均切削力和扭矩與每齒進給量ft、刀齒數Nt和切深ap成線性關系，當這三個參數增大時，平均切削力和扭矩基本上也呈線性增加。

由圖1d可知，當徑向切寬ar增大時，扭矩和Fy、Fz將隨之增大，而Fx增大一段后會減小，原因是此時有兩個刀齒同時參與切削且在X方向上兩刀齒的切削力方向相反，造成分切削力相互抵消。

　　由圖1e、f、g可知，當刀具半徑R、法向前角gn和切削速度V增大時，平均切削力和扭矩將隨之減小，這與斜角切削理論是相符的。

　　切削力和扭矩的波形

　　通過球頭銑刀計算機預報模型的數值仿真研究，可對銑刀的每個刀齒和整個銑刀的切削力和扭矩波形的形狀和幅值進行預報，這對于確定每個刀齒所受切削力和扭矩的特性十分有用。

　　圖2所示為切削力在X，Y，Z方向上三個分力的波形和扭矩波形。圖中曲線1 表示單邊切削模式的波形(ar=5mm)，在每個刀齒切出角附近存在切削力和扭矩的最大值區(qū)域，當刀齒與工件不接觸時，切削力和扭矩最小且為零；曲線2表示切槽銑削模式的波形，有時兩個刀齒同時切削，有時僅一個刀齒切削，這就導致了切削力和扭矩波形的明顯變化。

切削力波形的變化特點

　　深入研究切削條件對球頭銑刀切削力最大值、最小值、平均值、受力區(qū)域和波動指標的影響對于改善球頭銑刀的切削性能具有重要意義。圖3所示的是不同工藝參數在軸向切深連續(xù)變化時對Fx及其波動的影響規(guī)律，其中刀齒數Nt、法向前角gn和銑刀半徑R是離散變化的參數，而軸向切深ap是連續(xù)變化的參數。Fy和Fz的變化規(guī)律與此相似，不再贅述。

圖3 各工藝參數對Fx分量波動的影響規(guī)律

　　5 結論

　　通過對平前刀面球頭銑刀在不同切削條件下的切削力、扭矩和切削功率進行計算機數值仿真研究，獲得了不同切削條件下球頭銑刀平均切削力和平均扭矩值的變化趨勢和規(guī)律特征。

　　通過對球頭銑刀每個刀齒和整個銑刀的切削力和扭矩的波形形狀和幅值大小進行模擬仿真，獲得了每個刀齒所受切削力和扭矩的性質特點和變化規(guī)律。

　　通過數值仿真研究，進一步了解了不同切削條件對球頭銑刀切削力最大值、最小值、平均值、受力區(qū)域和波動指標的影響特點和趨勢。

　　上述研究工作進一步改進和完善了所建立的球頭銑刀計算機預報模型，對切削過程中切削用量的優(yōu)化和切削參數的監(jiān)控具有重要意義，此項研究對相同類型球頭銑刀的研究亦有參考價值。

標簽：