[发明专利]高速铣刀安全性衰退行为表征方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种高速铣刀安全性衰退行为表征方法，具体涉及一种基于离心力与切削力振动影响的加工表面最大残留高度模型构建与高速铣刀安全性衰退行为表征方法。

背景技术：

建立在高性能机床全面发展基础之上的高速铣削技术，其最显著的特点和技术核心是采用安全可靠刀具，以高切削速度和高进给速度进行高精度和高表面质量加工。与中低速铣削刀具不同，高速旋转铣刀承受着很大的离心力，积聚着巨大的能量，由此引起的铣刀安全性问题受到广泛重视。

依据安全系统工程理论，高速铣刀安全性是指高转速条件下铣刀保持其“完整”与“稳定”状态的能力。目前，高速铣刀安全性研究和高速铣刀产品设计主要遵循ISO15641标准。但该标准的根本目的是避免高速加工中铣刀产生永久性变形、折断和解体等破坏性事故，并没有考虑到铣刀安全性变化对高速切削过程的影响。

随着高速铣刀切削性能不断提高，高速铣刀安全性研究集中到了一个更为实用的目的，就是在保证铣刀安全上的完整性和稳定性前提下，大幅度提高切削效率。在ISO15641标准和机床故障预警系统的双层保护下，高速铣刀极少产生破坏性安全问题，但铣刀尚未达到ISO15641标准规定的安全转速，就因动平衡精度下降和振动而丧失部分或全部高速切削能力的现象普遍存在，高速铣刀安全性衰退导致的不稳定切削成为制约高速铣削加工效率大幅度提高的的瓶颈。

发明内容：

本发明的目的是提供一种基于离心力与切削力振动影响的加工表面最大残留高度模型构建和高速铣刀安全性衰退行为表征方法，解决高转速条件下铣刀变形和动平衡精度下降导致的不稳定切削问题。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

高速铣刀安全性衰退行为表征方法，该方法包括如下步骤：

A、在高速铣刀可靠性分析基础上，建立高速铣刀基本结构模型；

B、建立高速铣刀离心力与切削力振动模型，获得铣刀动平衡精度和结构对其安全稳定性影响规律；

C、建立和高速铣削加工表面最大残留高度模型，通过高速铣刀切削实验，表征高速铣刀安全性衰退行为。

本发明的有益效果：

1.本发明提供了一种基于离心力与切削力振动影响的加工表面最大残留高度模型表征高速铣刀安全性衰退行为方法，采用该方法通过铣刀组件材料与结构协同设计，主动控制高转速条件下高速铣刀动态变形和质量分布，使其保持较高的动平衡精度，抑制铣刀振动和安全性衰退过程，扩大其工作转速范围，提高铣刀动态服役性能。

2.本发明在低于ISO15641标准规定的安全转速工况下，表征高速铣刀安全性的动态特性和衰退过程，解决高速铣刀因动平衡精度下降和振动导致安全性衰退和高速切削能力丧失等问题，使高速铣刀在高转速条件下保持其“完整”与“稳定”切削状态的能力。

附图说明：

附图1是高速铣刀应力场变化曲线，图中，C1为铣刀空转应力场变化曲线，C2为铣刀单齿切削应力场变化曲线，C3为铣刀两齿切削应力场变化曲线，C4为铣刀组件材料剪切强度。

附图2是高速铣刀的变形曲线。

附图3是动平衡精度对铣刀振动影响曲线，图中，M为铣刀振动振幅减小倍数，G为铣刀动衡精度。

附图4是固有频率对铣刀振动影响，图中：ΔA_M为铣刀相对振动振幅，ΔA_P、ΔA_F分别为转速12000r/min条件下，离心力引起振动振幅和切削力引起振动振幅，ω/ω_n为工作转速与固有频率比值。

附图5是高速铣刀振动产生的刀齿平面偏摆示意图。

附图6是刀齿均匀分布铣刀和刀齿不均匀分布铣刀加工表面残留纹理图。

附图7是两种铣刀切削加工表面形貌重叠面积图。

具体实施方式：

实施例1：

高速铣刀安全性衰退行为表征方法，该方法包括如下步骤：

1.在高速铣刀可靠性分析基础上，建立高速铣刀结构模型，分析铣刀安全性衰退过程。

(1)高速铣刀可靠性分析

高速可转位铣刀是由刀体、紧固螺钉、刀片等组件构成的一个串联系统，其中任何一个组件失效都可能导致整个铣刀失效。

根据可靠性设计理论，F₁、F₂、……、F_n表示刀体、螺钉、刀片及其它组件的失效事件，则铣刀失效概率为：

P_r＝P{F₁∪F₂∪……∪F_n}                            (1)