基于球头铣刀刀具姿态的铣削稳定性影响机理分析

许洋洋; 张立强; 植俊杰

doi:10.12299/jsues.22-0208

基于球头铣刀刀具姿态的铣削稳定性影响机理分析

doi: 10.12299/jsues.22-0208

上海工程技术大学机械与汽车工程学院，上海 201620

详细信息

作者简介:
许洋洋（1995−），男，在读硕士，研究方向为航空航天智能制造与先进工艺. E-mail：1570157236@qq.com

通讯作者:
张立强（1979−），男，教授，博士，研究方向为航空航天智能制造技术、复合材料数控装备与工艺.E-mail：zhanglq@sues.edu.cn

中图分类号: TG113
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出版历程
- 收稿日期: 2022-07-08
- 刊出日期: 2023-03-31

Analysis of influence mechanism of milling stability based on posture of ball end milling cutter

School of Mechanical and Automotive Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China

摘要

摘要: 铣削颤振不仅会导致加工零件表面产生振纹，降低加工零件的表面质量，而且会加剧刀具的磨损和降低机床的寿命. 针对加工过程中球头铣刀的刀具姿态对颤振的影响，构建刀具姿态影响下的铣削动力学模型，运用三阶牛顿−埃尔米特插值全离散法对铣削动力学模型进行求解，得到系统状态转移矩阵. 用Floquet理论判断铣刀在不同刀具姿态下的铣削稳定性，构建球头铣刀的刀具姿态稳定性预测图. 试验确定水平向上走刀方式稳定性最好，工件表面粗糙度最低，验证了稳定性预测图的有效性.
- 球头铣刀 /
- 刀具姿态 /
- 走刀方式 /
- 稳定性预测
Abstract: Milling chatter will not only cause chatter marks on the surface of the machined parts and reduce the surface quality of the machined parts, but also aggravate tool wear and reduce the life of the machine tool. According to the influence of the tool posture of the ball-end milling cutter affecting on the flutter generated during the machining process, the milling dynamics model under the influence of the tool posture was built. The milling dynamic model was solved by the third-order Newton-Hermite interpolation fully discrete method, and the state transition matrix of the system was obtained. The Floquet theory was used to judge the milling stability of the milling cutter under different tool postures, and the tool posture stability prediction map of the ball-end milling cutter was constructed. The experiment determines that the horizontal upward cutting method has the best stability and the lowest surface roughness of the workpiece, which could verify the validity of the stability prediction map.
- ball end mill /
- tool posture /
- tool path /
- stability prediction

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图 1 铣削动力学模型

Figure 1. Milling dynamics model

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图 2 机床结构示意图

Figure 2. Machine tool structure diagram

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图 3 刀具坐标与进给坐标的关系

Figure 3. Relationship between tool coordinates and feed coordinates

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图 4 球头铣刀走刀方式

Figure 4. Cutting method of ball-end milling cutter

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图 5 球头铣刀刀轴倾角

Figure 5. Ball-end milling cutter shaft inclination

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图 6 切削力系数试验

Figure 6. Cutting force coefficient experiment

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图 7 刀具模态参数试验

Figure 7. Tool modal parameter experiment

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图 8 粗糙度测量试验

Figure 8. Roughness measurement experiments

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图 9 走刀方式对铣削稳定性的影响

Figure 9. Influence of cutting way on milling stability

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图 10 稳定性预测图

Figure 10. Stability prediction chart

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表 1 切削力系数

Table 1. Cutting force coefficients N/mm²

K_tc	K_rc	K_ac	K_te	K_re	K_ae
865.36	566.48	328.60	18.96	15.32	4.98

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表 2 刀具模态参数

Table 2. Tool modal parameters

方向	模态质量 /kg	固有频率 $ {\omega _{\text{n}}}/{\text{Hz}} $	阻尼比 $ \zeta $
X方向	0.1696	487.8662	0.6237
Y方向	0.1624	485.1536	0.6628

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表 3 预测结果和试验结果对比

Table 3. Comparison of predicted results with experimental results

序号	前倾角	侧倾角	预测结果	试验结果	试验结果图
1	0	5	不稳定	不稳定
2	0	10	稳定	稳定
3	5	15	稳定	稳定
4	10	0	不稳定	不稳定
5	10	20	稳定	稳定
6	15	0	不稳定	不稳定
7	15	10	不稳定	不稳定
8	20	15	稳定	稳定
9	20	20	稳定	稳定
10	25	10	不稳定	不稳定

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