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1、毕业论文数控铣削加工铣削力模型及模拟仿真研究机械工程与自动化学院学生姓名： 学号： 机械设计制造及其自动化学 院： 专 业： 指导教师： 2011年6月数控铣削加工铣削力模型及模拟仿真研究摘 要本文通过对以前的铣削力模型进行研究分析他们的对一些因素的忽略，并进行铣削力的验证，得出了改良的铣削力模型。通过对改良的铣削力模型进行分析，得去了对铣削力的影响因素，如：刀具齿数、进给速度、轴向切深、径向切深。利用MATLAB进行模拟仿真，观察仿真得到的图形，分析各个因素对铣削力影响的大小，其中进给速度、轴向切深对铣削力的影响最大。因此，在选择刀具的切削参数时必须慎重，这样可以提高刀具的寿命和劳动生产率。
2、关键词: 铣削力,切削参数,MATLAB模拟仿真Study on CNC milling cutting force model and simulationAbstractBased on the previous milling force model analysis of their neglect of a number of factors, and the milling force verification, obtained an improved cutting force model. Improved through the analysis of milling fo
3、rce model, cutting force to go to the impact of factors such as: cutter teeth, feed rate, axial depth of cut, radial depth of cut. Simulation using MATLAB simulation, the simulated graphic observation, analysis of various factors on the size of the milling force, in which the feed rate, axial depth
4、of cut on cutting force the most. So, the choice of cutting tool parameters to be careful, this can increase tool life and productivity.Key words: cutting force,cutting parameters,MATLAB simulation目录1 绪论11.1 课题研究意义11.2 铣削力模型的研究进展21.2.1 铣削力的经验系数建模21.2.2 铣削力的理论建模31.3 数控切削仿真研究方法及国内外的发展状况41.4 本课题研究的内容82
5、 铣削力模型的研究92.1 铣削加工特点92.2 铣削力的研究102.3 铣削力的验证112.4 本章小结163 在Malab中进行铣削力的仿真173.1 Matlab软件的介绍173.2 改良动态铣削力模型183.2.1 铣削力系数的估计233.2.2 铣削力分布的预测233.3 铣削力的仿真243.4 本章小结334 总结34参考文献：35致谢391 绪论1.1 课题研究意义 此文的根本目的就在于准确分析加工过程中切削热与切削温度、工件变形及刀具磨损、破损等各种物理现象，以提高夹具、刀具、机床等整个工艺系统的设计精度,为合理制定切削用量、优化刀具几何参数提供重要依据。但是,在制定高速切削加
6、工工艺规程时,切削参数的选用还没有成熟的经验公式、数据可供参考,迫切需要提供实用的参考数据。国内外许多金属切削专家、学者对切削力进行了理论分析和研究1-3。但要构建贴合实际的切削力模型,往往通过对具体材料的切削试验,进行大量数据分析和观察后,是最有效和可靠的。因此,建立了高速铣削中碳钢的切削力预测模型,以寻找铣削参数对切削力影响的统计规律,实现在切削加工前,进行工艺设计、切削力预测和控制的目的。随着数控加工技术在生产中所占的比例大幅度提高,对数控加工中影响加工的各种因素研究也越来越多。切削力是反映加工过程的一个重要参数之一,切削力的大小与切削过程中所消耗的功率成正比关系，切削力也反映了加工工艺
7、系统的变形，同时，切削力还直接影响切削热的产生,并进一步影响刀具的寿命等,特别对深腔薄壁零件的的变化规律有助于分析切削过程,并且根据切削力的变化规律来提高加工效率,准确分析加工过程中切削热与切削温度、工件变形及刀具磨损、破损等各种物理现象,以提高夹具、刀具、机床等整个工艺系统的设计精度,为合理制定切削用量、优化刀具几何参数提供重要依据，对生产实际有重要的指导意义。在数控加工过程中，切削参数的合理选择对生产效率、加工精度的提高和生产成本的降低有非常重要的意义。例如在模具的数控加工过程中，由于其型面复杂，加工过程中切削条件不断变化，为了实现最大的生产效率和经济效益，应当对进给速度进行优化，保证加工
8、过程中切削力保持基本恒定。如果进给率选择得当，优化后的NC程序既能保证刀具时刻都处于安全载荷的工作状态，又能生成进给速度最大的数控程序，提高生产效率。目前常用的商用CAD/CAM编程系统的后置处理器在工艺参数优化方面的功能具有一定的局限性。作为数控系统中的一个重要组成部分，后置处理器的好坏是衡量一个数控系统性能优劣的重要标志，对数控加工软件的广泛应用和加工零件的质量和加工效率的提高都有非常大的影响。虽然数控系统都具有刀具路径自动生成的功能，但是主轴转速、进给速度及切削深度等工艺参数都要由编程人员指定，工艺参数选择的好坏取决于编程人员的经验和水平。工艺参数选择不当经常会造成严重的后果，如刀具磨损
9、加快、机床加工精度下降，甚至对人身安全造成威胁。此外高速加工技术的迅猛发展也对数控加工程序的质量提出了更高的要求，现有数控编程软件在进给速度优化方面的功能不能满足实际生产的需求。一般情况下，对于某一段数控程序，编制数控程序时通常选择一个恒定的进给速度。因此，编程人员只能根据加工区域中切削条件最艰苦的区域依照以往经验或查表选择一个保守的进给速度，以保证加工过程中切削力、切削热、颤振以及工件表面质量等都在规定约束范围之内，避免对刀具、机床造成损害。在这种情况下对于大多数加工区域来说，给定的进给速度是一个保守值，刀具在加工过程中处于轻载荷状态，不能充分发挥数控机床的效能，加工效率很低。同时，由于在所
10、有的加工区域都选择一个进给速度，必然会导致切削力的不断变化。切削力的变化过大会引起变形误差、热变形误差及振动误差，这些误差都直接影响工件的成形误差的大小。针对常规的恒定进给速度设置方法的缺陷，结合商用CAM软件，通过两轴半数控铣削加工过程几何、物理仿真分析，计算数控加工过程中铣削力的变化情况，并以此作为进给速度优化的依据，使数控程序在整个加工过程中都保持相对稳定的切削力，保证刀具时刻都处于最大安全载荷的稳定工作状态下，降低因为切削力变化而引起的加工误差，生成进给速度最大的数控程序，提高数控编程的质量和生产效率。实验证明，这种以平面曲线轮廓数控加工过程几何仿真分析为基础，基于恒定切削力的切削参数
11、优化方法，对实际生产有非常重要的指导意义，对于提高数控加工中心的加工效率和加工质量，降低工人劳动强度和产品的成本，提升产品的竞争力有非常重要的意义。1.2 铣削力模型的研究进展1.2.1 铣削力的经验系数建模经验系数建模是用一组铣削力系数来描述铣削力与切削几何参量的关系。利用不同材质、不同几何参数的刀具，在不同切削条件下对不同材质的工件进行切削试验，获得大量铣削力数据,通过曲线拟合即可确定待定系数。上世纪80年代，对球头铣刀的研究有了一定进展。Yucesan1-2等基于微分几何理论研究了球头刀刃的几何模型，给出了刀刃微元前、后刀面与切削力相关的各几何向量，局部切削力模型被表示为前、后刀面上正压
12、力与摩擦力的矢量和,建立的表达式系数可根据试验数据用最小二乘法求得。微元切削力dF可表示为:式中,dFr 为正压力与摩擦力的微元矢量和 ,dFe 为作用于刀刃上的微元耕犁力,dFfn、dFff分别为后刀面上的微元下压力与微元摩擦力。经验系数法建模必须依赖于大量的铣削试验,对不同条件下的铣削力数据进行识别,它对采用不同刀具或不同加工方式下的铣削力预测能力不强。1.2.2 铣削力的理论建模铣削力的理论建模是运用剪切角理论和摩擦理论,对斜角切削或正交切削的铣削过程进行分析建模。Jain等3基于二维坐标系下的切削数据对切削力进行了计算,建立了铣刀的切削力模型。Yang等4首次运用二维坐标系的概念对铣刀
13、进行了研究,将切削刃离散成微小单元,作用于刀具上的总铣削力则等于对所有参与切削的微元切削刃的切削力求和。1994 年,Feng5-6等根据近似的铣刀刃线方程(将圆柱铣刀上的螺旋刃投影到半球面上) 采用幂函数形式的非线性局部铣削力模型,建立了球头铣刀存在偏心和倾斜时的铣削力真模型。1996年,Lee 等7的研究采用了球面螺旋线刃线几何模型 ,并在微切削刃上采用斜角切削模型,他们在研究中考虑了作用于刀刃上的耕犁力,并将切削力沿切削刃分解为微元切削力。但是他们的实验结果仅与一个刀齿的铣刀相符,且模型忽略了后刀面上的作用力。1998年,冯志勇等8提出了广义铣削力模型,但只局限于圆柱螺旋铣刀和圆锥螺旋铣
14、刀的铣削力计算。2004年 ,G yu Man K in 等9针对球头铣刀提出了一个用切削力图来预测平均切削力的方法。M.Milfelner等10建立了一个源方程,利用人工智能技术,用直接模拟仿真的方法来预测切削力。该仿真系统可在加工过程自动化(或优化)的基础上,建立一个智能化模型,来预测球头铣刀在铣削过程中的切削力。该模型主要针对标准零件的生产。在现代金属切削研究领域中，由于切削过程极其复杂，各种切削参数相互间的函数关系式尚不能用理论推导的方法探讨11。我们知道铣削加工有四个基本的参数：铣削速度、铣削宽度、铣削深度和进给量。因此在机床特征和刀具几何参数确定的情况下，我们确定基于加工材料的通用
15、铣削力模型的构建形式为：式中：Fr为各向铣削力的总称；CFr为决定于加工材料、铣削条件的系数；ap 为铣削深度；v 为铣削速度；f为进给量；aw为铣削宽度。 由于铣削加工涉及四个铣削参数，因而采用回归正交试验法建立铣削力经验公式属于多因素试验范畴12-16。尽管此试验法在切削试验中较为成熟，对于四因素、四水平试验的常系数和指数的求解比较复杂，不适应在工程中推广，为此本文提出了用矩阵简化法12-16 来求解。1.3 数控切削仿真研究方法及国内外的发展状况上世纪五十年代，Parsons公司和MIT合作，成功研制出了世界上第一台数控切削加工机床。数控切削加工机床的出现为解决复杂结构件的切削加工提供了有效的手段。随着电子和计算机技术的发展，数控切削加工机床已由原始的三坐标联动发展成为五坐标联动，其整体性能(如机械、电气、控制、工艺等)也获得了很大的提高，数控切削加工技术也从计算机辅助设计与制造逐步演变成为以计算机仿真技术为基础的数字化制造与虚拟加工。在数控切
