2A70铝合金高速铣削切削力建模与比较研究
王学惠1 冯明军2 赵灿2
（1黑龙江科技学院机械学院 哈尔滨市松北区糖厂街1号 150027）
（2 黑龙江科技学院现代制造工程中心 哈尔滨市松北区糖厂街1号 150027）
摘要：分析高速铣削加工平底立铣刀的力学特性，建立铣削力线性模型。并采用多因素正交试验法进行2A70铝合金铣削试验，使用回归分析法，建立铣削力非线性模型。对铣削力的线性模型和非线性模型作了对比分析，比较结果表明两种模型在量值和变化趋势上吻合得较好，这为后续的刀路优化及故障诊断等提供依据。
关键词 ：高速铣削1，切削力2，线性模型3，非线性模型4
（1Collage of Mechanical Engineering, Heilongjiang Institute of Science and Technology，harbin，150027）
Abstract :
Key words: high speed machining, milling force, Al alloy ,
元旦快乐祝福语
1 引言
2 线性模型建模
对铣削过程预测的准确性和有效性主要靠铣削力线性模型的计算方法及其对各种切削条件的适用性[1]。在切削力建模中，Altintas建立的瞬时刚性力模型的应用和研究较为广泛。它的离散化处理的思路使得该模型在刀具瞬时铣削力仿真方面有相当高的精度和实用性如图1所示。其线性模型的基本结构如下：
Fig.1 平底立铣刀切削力微元分布图【补图，注意要有坐标系】
式中，dFt—切向切削力微元; dFr—径向切削力微元;
dFr—轴向切削力微元; ds一一切削刃长度微元;
Ktc—切向剪切力系数; Kte—切向犁耕力系数;
Krc—径向剪切力系数; Kre—径向犁耕力系数;大型运输机
h—瞬时切屑厚度。
要求dFt，dFr，dFr，必须求得四个铣削力系数，Ktc，Kte，Krc，Kre。确定铣削力系数的方法通常来讲有两种，一种是在已有直角切削参数的基础上，根据不同刀具的几何参数来计算斜角切削的切削力系数[2]。然而有些切削刀具的切削刃比较复杂，会产生多个切削力系数，耗时费力。因此，常用的是一种快速标定的方法[3]。在本试验中，取定径向切深和轴向切深条件下，并取定转速18000rpm，改变每齿进给量(从0.01mm/min~0.1mm/min)，进行一组切削实验，获得每个刀齿的周期平均铣削力。为了避免测量时刀具偏心的影响，先测量主轴每转的总切削力，再除以刀齿数。通过实验获得的平均切削力与从切削力表达式中求得的平均切削力相等，辨识出切削力系数如下：Ktc = 1483MPa; Kte = 4830 N/m；Krc = 693MPa.; Kre = 3850 N/m。
由于一个周期内每个刀齿切除的材料总量通常是个常数，与螺旋角无关。螺旋角在有效接触区内才进行切削，瞬时铣削力在主轴旋转一个周期内进行积分，结果除以齿间角可得到每齿周期平均切削力。
3非线性模型建模
3.1 试验方法与条件
1）试验条件及设备
试验所用铝合金材料为2A70，在瑞士Mikron HSM600U数控五轴超高速加工中心进行的，主轴转速为11000r/min，进给速度为2100mm/min。刀具材料为YG6X系列超细晶粒硬质合金，Ф10mm立铣刀，螺旋角30˚，齿数3，铣削过程中采用 Kistler9257B 三分量压电测力仪、5070A 电荷放大器和计算机数据采集系统测量、记录铣削力。
2）试验方法
金属切削中，切削力非线性建模的通用形式为[4]：
(1)
式中，，，，—常数，—高速铣削动态切削力，为轴向切深，为径向切深，为主轴转速，为进给速度。
分析经验公式(1) :影响铣削力的因素有铣削深度ap ,铣削宽度ae ,转速n,进给速度Vf 四个因素，采用四水平四因素正交试验法，根据实际经验初选四因素的值，并制成四水平四因素表，如表1所示，进行切削力的测量。
表1 四水平四因素表
水平 | 1 | 2 | 3 | 4 |
ap(mm) | 0.3 | 0.6 | 0.9 | 1.2 三位数除法竖式 |
ae(mm) | 1 | 4 | 7 | 10 |
fz(mm) | 0.04 | 0.07 | 0.1 | 0.15 |
n(rpm) | 16000 | 19000 | 21000 | 24000 |
| | | | |
新建文件夹怎么建
测得的切削力如表2所示，经过回归分析，确定铣削力的非线性模型为，
表2 铣削力正交实验结果
ap(mm) | ae(mm) | n(rpm) | vf(mm/min) | Fxmax(N) | Fymax(N) | Fzmax(N) |
0.3 | 7 | 21000 | 4410 | 40.695 | 17.96 | 0.07 |
0.3 | 1 | 19000 | 8550 | 44 | 30.005 | 0.08 |
0.3 | 4 | 24000 | 2880 | 15.99 | 20.89 | 0.07 |
0.3 | 10 | 16000 | 4800 | 54.825 | 21.175 | 0.075 |
0.6 | 4 | 16000 | 3360 | 33.23 | 36.36 | 0.09 |
0.6 | 10 | 24000 | 10800 | 109.63 | 35.85 挣钱的生意 | 0.105 |
0.6 | 7 | 19000 | 2280 | 99.29 | 23.145 | 0.09 |
0.6 | 1 | 21000 | 6300 | 47.705 | 20.195 | 0.075 |
0.9 | 7 | 16000 | 7200 | 140.615 | 37.555 | 0.11 |
0.9 | 1 | 24000 | 5040 | 40.265 | 33.085 | 0.09 |
0.9 | 4 | 19000 | 5700 | 86.145 | 60.285 | 0.135 |
0.9 | 10 | 21000 | 2520 | 93.61 | 19.78 | 0.085 |
诺贝尔生理学或医学奖1.2 | 4 | 21000 | 9450 | 106.975 | 34.88 | 0.135 |
1.2 | 10 | 19000 | 3990 | 224.89 | 46.62 | 0.13 |
1.2 | 7 | 24000 | 7200 | 111.085 | 62.335 | 0.13 |
1.2 | 1 | 16000椰肉怎么做好吃 | 1920 | 25.275 | 13.9 | 0.075 |
| | | | | | |
线性切削力模型与非线性切削力模型的最大切向力的比较：
Fig2 a Fig2b
活动流程
1）随ap的增大，非线性与线性模型都能反映力的变化趋势（Fig2 a）
2）线性模型不适合高速，或者需分段 （Fig2 b）
3）说明ap＝1mm左右和非线性模型比较吻合的原因 （Fig2 a）
参考文献：
[1] X.F. Zhang: Dynamic Modeling and Simulation for Ball-end milling(MS., Shandong University of Technology, China 2009), pp.9-13.(In Chine)
[2] E. Budak, Y.Altintas and Armarego:Transactions of the ASME Journal of Manufacturing Science and Engineering, Vol.118(1996), pp.216-224.
[3] Y. Altintas:Manufacturing Automation——Metal Cutting Mechanics, Machine Tool Vibrations and CNC Design pp.35.(In Chine)
[4] Y. Wan, X. Ai, Z.Q. Liu and L.Y. Song: Chine Journal of Mechanical Engineering, Vol.43(2007) No.4, pp.104-105. (In Chine)
Acknowledgement. This work was supported by Scientific Rearch Fund of Heilongjiang Provincial Education Department (No. 11551433 & No. 11551431) , Key (Key grant) Project of Chine Ministry of Education (Grant No. 209036), Key Project of Chine Education Department (Grant No. 1151gzd20).
