导　　师： 谢晋;钟柏松

学科专业： H02

授予学位： 硕士

作　　者： ;

机构地区： 华南理工大学

摘　　要： 在铣削加工过程中，刀具状态会影响到工件的加工质量。实时监测刀具状态可及时发现并预测刀具的提前失效，从而可采取相应措施减少经济损失。偏心、磨损、破损、挠曲、颤振等是刀具状态的一些组成因素，这些因素的信号特征存在相互干扰现象。在判决刀具是否失效之前，有必要预先区分和辨识刀具的各种不同状态因素。切削力和与其相关的主轴电流、电机功率等是常用的刀具状态监测信号。磨损是常见的加工过程刀具失效形式，而偏心是刀具固有的一种现象，两者对切削力及其相关信号的作用存在相似之处。四刃立铣刀是一种常用的周铣刀，其相邻两刃在几何外形上的夹角为90o，因而各刃铣削力之间可能存在正交现象。基于这种特殊性，本论文以四刃立铣刀为对象，研究刀具偏心和磨损在其切削力信号中的不同表现，以及辨识刀具偏心距和磨损程度的方法。刀具在参与切削前只存在偏心现象，在切削过程中才出现了磨损。根据刀具偏心和磨损的几何外形，推导出了四刃立铣刀在仅有偏心、既有偏心又有磨损等情况下的切削力数学表示式。将无磨损时的切削力分解为理想刀具的公称铣削力和偏心引起的偏心铣削力，公称铣削力是以刀刃频率为基频的周期信号，而偏心铣削力是以主轴旋转频率为基频的周期信号。基于两者的数学表示式做傅里叶变换的三角函数展开式分析，发现偏心铣削力的偶数次谐波幅值为0，即铣削合力的主轴频率成分的一次谐波和三次谐波与偏心相关，与切削用量无关，二次谐波成分与偏心和切削用量均无关，四次谐波成分与切削用量相关，与偏心无关。此外，还发现无磨损时的铣削合力的一次谐波（即：主轴频率成分）幅值与轴向背吃刀量、偏心距、浸入角等相关，而四次谐波（即：刀刃频率成分）的幅值与轴向背吃刀量、每齿进给量、浸入角等相关，用两者的比值可简单方便地计算出偏心距。用Matlab软件对无偏心无磨损、仅有偏心、既有偏心又有磨损等三种刀具状态下的模拟铣削力做仿真频谱分析。仿真结果显示：主轴频率的一次谐波成分主要由偏心引起，与切削用量无关，与磨损相关，当多刃磨损或单刃磨损量较大时，磨损对该谐波成分的幅值影响较大。二次谐波成分只与磨损相关，与切削用量和偏心无关。四次谐波成分主要与切削用量相关，与偏心无关，与磨损的相关性弱。仿真结果与理论分析结果吻合。铣削力一次谐波的幅值变化可用于辨识刀具偏心程度，一次谐波与四次谐波的幅值之比摒除了切削用量的影响，用于估算刀具的偏心距。而铣削力的二次谐波与四次谐波的幅值之比摒除了切削用量和偏心的影响，用作辨识刀具磨损严重程度的指标。在理论和仿真分析结论的基础上，进行了铣削测力实验。采用不同的四刃立铣刀、不同的切削用量铣削#45钢和T10钢材料，以进给方向或径向背吃刀量方向的主铣削分力替代铣削合力，用FFT的方法得到其幅频谱，并用理论和仿真分析推导出的辨识方法做刀具偏心估算和磨损程度分析。实验结果表明：切削力的四次谐波幅值与切削用量近似成正比例关系，这说明四次谐波幅值与切削用量近似成正比关系。在刀具第一次切削时，切削力的二次谐波幅值均远小于其他谐波，近似为0，这说明在刀具磨损程度很轻的情况下，切削力的二次谐波成分近似为0。在刀具的前几次切削中，所估算出的刀具偏心距值变化不大，这说明本研究提出的偏心距估算方法有效。在刀具的前几次切削中，随切削次数的增加，二次谐波幅值与四次谐波幅值的比值总体呈增大的趋势，在4560r/min和6330r/min等高主轴转速情况下，二次谐波幅值与四次谐波幅值的比值变化很大，因在高主轴转速下，刀具磨损程度比较严重，这些说明本研究提出的刀具磨损严重程度辨识方法存在有效性。本研究揭示了四刃立铣刀的刀具偏心、刀具磨损和切削用量对切削力一～四次谐波的不同影响，提出了一种新的刀具偏心距的估算方法和刀具磨损程度的辨识方法，研究结论可用于四刃立铣刀的加工过程状态监测。

关 键 词： 四刃立铣刀 偏心距 磨损 频谱 切削力

分 类 号： [TG54]

领　　域： [金属学及工艺]