基于运动学的高速高精密铣削力建模：综合模型与试验

doi:10.7527/S1000-6893.2022.27261

材料工程与机械制造

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基于运动学的高速高精密铣削力建模：综合模型与试验

李刚¹^,², 张宇¹^,², 李斯, 朱锟鹏¹^,²()

^1.常州先进制造技术研究所，常州 213164 2．中国科学院合肥物质科学研究院智能机械研究所先进制造技术中心，常州 213164
^3.武汉科技大学机械自动化学院，武汉 430081

收稿日期:2022-04-07 修回日期:2022-04-24 接受日期:2022-06-10 出版日期:2022-09-29 发布日期:2022-09-22
通讯作者: 朱锟鹏 E-mail:zhukp@iamt.ac.cn
基金资助:
国家重点研发计划(2018YFB1703200)

Modeling of high speed and high precision milling forces based on kinematics: Comprehensive modeling and experimental

Gang LI¹^,², Yu ZHANG¹^,², Si LI, Kunpeng ZHU¹^,²()

^1.Changzhou Institute of Advanced Manufacturing Technology，Changzhou 213164，China
^2.Advanced Manufacturing Technology Center，Institute of Intelligent Machinery，Hefei Institutes of Physical Science，Chinese Academy of Science，Changzhou 213164，China
^3.School of Machinery and Automation，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China

Received:2022-04-07 Revised:2022-04-24 Accepted:2022-06-10 Online:2022-09-29 Published:2022-09-22
Contact: Kunpeng ZHU E-mail:zhukp@iamt.ac.cn
Supported by:
National Key Technology Research and Development Program of China(2018YFB1703200)

摘要/Abstract

摘要：

高速高精密铣削加工中铣削力是最重要的过程参量之一，铣削力信息的准确反馈对保证加工过程中的稳定性具有十分重要的意义。然而，影响铣削力大小的因素有很多种，目前缺乏一种考虑多种因素下的综合铣削力模型。因此，着重研究并综合考虑了刀具磨损、刀具跳动、刀具弹性变形对瞬时切削厚度的影响，同时分析了弹性变形对刀具切入与切出角的影响规律，改进了刀具瞬时切削厚度模型。基于运动学分析，将切削刃位置与预加工工件形态相互统一，建立了综合铣削力模型。为验证所提出综合模型的精确性和通用性，进行铣削实验，实验结果表明，铣削力预测值与实验值吻合较好，铣削力误差值小于1%，并通过分析刀具磨损与铣削力之间的相互变化关系，得出进给方向上的铣削力与Z向的铣削力系数对刀具磨损的影响最大。因此，切向力分量以及Z向的铣削力系数的变化特征可以较好的表征刀具磨损状况，从而提高铣削加工精度和效率。

关键词: 综合模型, 刀具跳动, 刀具磨损, 弹性变形, 运动学

Abstract:

The milling force is one of the most important process parameters in high speed and high precision milling process. Accurate feedback of milling force information is very important to ensure the stability and precision of milling process. However， there are many factors that affect the milling force， and there is currently a lack of a comprehensive milling force model that considers multiple factors. Therefore， this paper focuses on research and comprehensively considers the influence of tool wear， tool run-out， and tool elastic deformation on the instantaneous undeformed cutting thickness. Furthermore， the relationship between elastic deformation and variety of entry and exit angles for each engaged flute is analyzed， and the instantaneous cutting thickness model is improved. Based on the kinematic analysis， the position of cutting edge is unified with the shape of premachined workpiece， and a comprehensive model of high speed milling force is established. To verify the accuracy and generality of the proposed model， a series of milling experiments under different parameters are carried out. The experimental results show that the predicted value of milling force is in good agreement with the experimental value， and the error value of milling force is less than 1%. By analyzing the relationship between tool wear per tooth and milling force， it is concluded that the milling force in the feed direction has the greatest impact on the tool wear. Therefore， the radial force component can well characterize the tool wear， so as to improve the milling accuracy and efficiency.

Key words: comprehensive model, tool run-out, tool wear, elastic deformation, kinematics

中图分类号:

V261.97

李刚, 张宇, 李斯, 朱锟鹏. 基于运动学的高速高精密铣削力建模：综合模型与试验[J]. 航空学报, 2023, 44(8): 427261-427261.

Gang LI, Yu ZHANG, Si LI, Kunpeng ZHU. Modeling of high speed and high precision milling forces based on kinematics: Comprehensive modeling and experimental[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023, 44(8): 427261-427261.

图/表 17

图 1

图 2

图 3

图 4

图 5

图 6

图 7

图 8

表1

不同切削区域的积分上下限

区域	角度变化（h>h_min）	角度变化（h<h_min）	积分下限	积分上限
切入	$2 π (k - 1) K ≤ ϕ k ≤ δ + 2 π (k - 1) K$	$2 π (k - 1) K + α ≤ ϕ k ≤ δ + 2 π (k - 1) K + α$	$U 0 = 0$	$U 1 = r ϕ k - 2 π (k - 1) K t a n β$
稳定	$δ + 2 π (k - 1) K ≤ ϕ k ≤ π + 2 π (k - 1) K$	$δ + 2 π (k - 1) K + α ≤ ϕ k ≤ π + 2 π (k - 1) K - α$	$U 0 = 0$	$U 1 = a d$
切出	$π + 2 π (k - 1) K ≤ ϕ k ≤ π + 2 π (k - 2) K + δ$	$π + 2 π (k - 1) K - α ≤ ϕ k ≤ π + 2 π (k - 1) K + δ - α$	$U 0 = r ϕ k - 2 π (k - 1) K - π t a n β$	$U 1 = a d$

表1

图 9

表 2

图 10

图 11

图 12

图 13

图 14

表 3

参考文献 38

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

编号	切削深度a_d/mm	每齿进给量f_am/ （μm∙tooh^-1）	切削速度v_c/ （m∙min^-1）	主轴转速/ （r∙min^-1）
1	0.2	10	126	8 000
2	0.25	30	126	8 000
3	0.3	50	126	8 000
4	0.2	10	157	10 000
5	0.25	30	157	10 000
6	0.3	50	157	10 000
7	0.2	10	314	20 000
8	0.25	30	314	20 000
9	0.3	50	314	20 000
10	0.25	10	471	30 000

序号	相关系数 $ρ (V B, K t)$	相关系数 $ρ (V B, K r)$	相关系数 $ρ (V B, K a)$	显著水平 $τ = 0.01$	显著水平 $τ = 0.05$	显著水平概率 $ρ$ 值
1	0.86	0.87	0.92	$ρ 0.05 = 0.632$	$ρ 0.05 = 0.765$	$ρ ≤ 0.01$
2	0.90	0.92	0.94
3	0.91	0.84	0.93
4	0.87	0.91	0.97
5	0.88	0.84	0.94

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