铣削加工中的切削力监测技术

高速铣削钛合金的切削力和切削温度切削力和切削温度试验在五坐标高速加工中心上进行，采用YOLO-YDXC-III切削三向力测试系统对铣削力进行测量，采用夹丝半人工热电偶方法对铣削温度进行测量。

试验用刀具为Walter WMG40硬质合金机夹刀片，工件材料为钛合金TA15，热处理状态为退火。

采用单因素试验，考察不同铣削速度下切削力和切削温度的变化规律。

其他切削条件为：轴向切深ap=6mm，径向切深ae=1mm，每齿进给量fz=0.1mm/z。

为典型的铣削力信号图以及后刀面磨损VB＝0.15mm 时的切削力与铣削速度关系曲线。

铣削力的方向定义为：进给方向为X，铣刀径向切深方向为Y，刀具轴向为Z。

可以看到在此范围内，Fx和Fz变化不大，而Fy随切削速度的提高略有下降。

试验和理论表明：一方面随着切削速度的上升，两个因素会导致切削力的增加。

首先是由断续切削造成的切削力冲击和动态切削力的数值会增加；其次，材料的应变硬化程度严重，导致剪切区变形抗力增加。

另外一方面，切削速度上升导致的切削温度上升也会使被加工材料软化，使切削力减小。

所以，切削速度对切削力的影响，要看这两方面综合作用的结果。

当刀具后刀面磨损达到一定程度时，随着切削速度的增加，由温度升高所导致的材料软化影响占主导地位，其作用超过动态切削力增加和应变硬化增加两方面的影响，所以总的铣削力呈下降趋势。

典型的铣削温度热电势信号及50～550m/min 切削速度范围内的切削温度与铣削速度的关系。

切削温度随铣削速度增加有一直上升的趋势，但是在不同的速度范围内，切削温度上升的程度是不同的。

在较低的速度范围内，温度随切削速度而上升的趋势较快，而在较高的速度范围内，温度随切削速度而上升的趋势变缓。

这一现象产生的原因在于，随着切削速度的增加，传入切屑的热量比例增加，更多的热量被切屑带走；而传入工件和刀具的热量的比例减小，相应的刀具和工件的温度升高也不明显。

高速铣削钛合金的刀具磨损钛合金高速铣削刀具磨损机理和刀具耐用度是生产过程中较受关注的问题。

数控机床铣削切削力的模拟与实测方法摘要：数控机床在现代制造业中发挥着重要作用，铣削切削力的模拟与实测是数控机床加工研究的关键问题之一。

本文将介绍数控机床铣削切削力的模拟与实测方法，包括力学模型的建立、数值仿真和实验测试等方面的内容，以期为相关研究提供参考。

一、引言数控机床作为现代制造业的重要工具，其高精度、高效率的特点受到广泛关注。

而铣削切削力在数控铣床加工过程中起着决定性作用，对加工质量和机床性能具有重要影响。

因此，模拟和实测数控机床铣削切削力成为加工研究的重要内容之一。

二、模拟方法1. 力学模型的建立铣削切削力的模拟首先要建立合适的力学模型。

常用的力学模型包括切削力系数模型和有限元模型两种。

切削力系数模型是通过实验获得相关参数后，根据经验公式计算切削力。

有限元模型则是将加工过程建模为一系列有限元素，通过数值分析计算切削力的分布和大小。

2. 数值仿真数值仿真是利用计算机软件模拟数控机床加工过程和切削力的计算。

常用的仿真软件有Deform、ABAQUS等。

数值仿真可以通过调整刀具几何参数、切削条件和材料性质等因素，预测不同情况下的切削力大小和分布情况，为工艺优化提供指导。

三、实测方法1. 切削力测量设备实测切削力是了解加工过程中切削力的真实情况的重要手段。

常用的切削力测量设备包括力传感器、力加载装置和数据采集系统。

力传感器可以精确测量切削力大小，力加载装置则提供切削力测量所需的切削环境。

数据采集系统可以记录和分析切削力的变化规律。

2. 实验测试方法实验测试是通过具体的切削加工试验获取切削力的实际数值。

实验测试中需要准确控制切削条件，包括切削速度、进给速度和切削深度等。

通过实验测试可以获得不同切削条件下的切削力数值，用于验证模拟结果的准确性。

四、研究进展与展望随着数控机床技术的不断发展，数控机床铣削切削力的模拟与实测方法也在不断改进和完善。

当前的研究重点主要集中在提高模拟精度和实验测试的准确性，并进一步优化数控机床的切削性能。

高速铣削系统动态测试及切削力分析高速铣削系统是一种高效、精度高、操作简单的加工方式，在各种工件的加工过程中得到了广泛应用。

对于高速铣削系统的性能测试，主要分为静态测试和动态测试两种方式。

其中，动态测试是一种更加全面、准确的测试方式，可以对系统在实际切削过程中的性能进行评估。

同时，对于高速铣削系统的切削力分析，也是一种评估系统性能和优化工艺的重要手段。

一、高速铣削系统动态测试高速铣削系统的动态测试主要是指在实际切削过程中对系统性能进行评估。

这种测试方式可以反映系统的动态响应能力、切削稳定性、切削效率等方面的性能。

1.测试方法动态测试通常会选择一些标准化的加工工件，模拟实际加工过程，通过对加工过程中的各项数据进行采集和分析，对系统整体性能进行评估。

主要测试指标包括功率、转速、进给、切削深度、切削轮廓精度等方面的参数。

2.测试结果分析通过对测试数据的分析，可以得出以下结果：1）系统的功率和转速对切削稳定性有着重要的影响。

在适当的功率和转速范围内，系统的稳定性和加工效率都能得到最大化的提升。

2）切削深度和进给速度对切削效率的影响比较显著。

合理的切削深度和进给速度可以提高系统的加工效率和加工精度。

3）切削轮廓精度的提升是系统性能优化的重要手段之一。

通过适当的刀具选择、加工参数设置和工艺优化，可以提高系统的加工精度和一致性。

二、高速铣削系统切削力分析高速铣削系统的切削力分析可以为系统的性能评估和工艺优化提供重要参考。

切削力的大小和方向会直接影响系统的稳定性、切削效率和工件表面质量等方面。

1.切削力的来源切削力主要分为三个来源：1）弹性变形力：即由于被加工材料的弹性变形所产生的力，主要来自于材料的弹性模量、剪切模量等参数。

2）切削力：即由于刀具对材料切削所产生的力，与刀具刃口的形状、角度、材料等有关。

3）摩擦力：即由于切削面和加工物体表面之间的摩擦力所产生的力，主要受到机床和工件表面质量的影响。

2.切削力的分析方法切削力的分析方法主要有两种：1）理论计算法：通过对切削过程中各种力学参数的计算，得出切削力大小和方向的数值。

铣削加工中的切削力铣削加工是机械制造领域中常见的加工方式之一，而铣削加工中的切削力则是影响加工质量的重要因素之一。

本文将从切削力的概念、影响切削力的因素、切削力的测量和切削力的控制等方面进行分析。

一、切削力的概念切削力指铣刀在加工过程中对工件作用的力。

在铣削加工中，切削力的大小会影响工件的表面质量、加工精度和刀具的使用寿命等方面。

切削力的大小受到多种因素的影响，如切削条件、材料力学性质、铣刀几何参数和铣刀的运动状态等。

二、影响切削力的因素1.切削参数切削参数包括切削速度、进给速度和切削深度。

在相同切削条件下，当切削速度增加或进给速度增加，切削力也会增加。

而当切削深度增加时，切削力的变化则较为复杂，通常会出现先增加后减小的趋势。

2.材料力学性质材料力学性质对切削力的影响很大，如硬度、切削性和韧性等。

当切削硬度增加时，切削力也会增加。

而当材料的切削性和韧性提高时，切削力则会减小。

3.铣刀几何参数铣刀的几何参数对切削力的影响也很大。

如铣刀的齿数、刃角和刃磨度等参数均会对切削力产生影响。

当铣刀齿数增加时，每个齿的切削深度和切削速度就会减小，因此切削力也会减小。

而当刃角增大时，切削力则会增大。

4.铣刀的运动状态铣刀的运动状态也会对切削力产生影响。

如切削液的使用和冷却剂的使用等均可以影响铣刀的运动状态，从而影响切削力的大小。

三、切削力的测量在铣削加工中，测量切削力对于保证加工质量和刀具的使用寿命有着重要作用。

目前常用的切削力测量方法有间隙传感器法、压电传感器法和片式传感器法等。

间隙传感器法是指将铣刀的副切口设置成斜向切口，然后在铣削过程中测量副切口的间隙变化来计算切削力大小。

这种方法需要将铣刀进行加工和改造，因此应用较少。

压电传感器法是指将压电传感器安装在夹具上并接收由工件产生的力来计算切削力的大小。

这种方法不需要对铣刀进行改造，测量精度较高，但会受到振动干扰的影响。

片式传感器法是指将张力传感器安装在夹具上，测量夹具或工件受力的大小来计算切削力的大小。

第28卷第4期增刊2007年4月仪器仪表学报Chinese Jour nal of Scientific Instr u2me ntVol128No14Apr12007铣削加工过程监测和优化智能系统开发郑金兴,张铭钧,孟庆鑫(哈尔滨工程大学大学机电学院　哈尔滨　150001)摘　要:提出和开发了数控铣削加工在线监测和优化智能系统。

在相应硬件和基于LabVIEW平台开发的应用软件的基础上,实现了切削力和切削振动的实时监控。

利用例子群优化理论,对铣削过程进行了恒切削力控制,优化了数控程序中的切削速度和进给量。

关键词:铣削加工;切削力;切削振动;监控;优化Development of an intelligent system f or mon itor ing an doptimizat ion f or CNC millingZheng Ji nxi ng,Zhang Mingjun,Meng Qingxi n(College of Mec ha nica l and Elect rical E ngineer ing,H a rbi n E ngineer ing University,H a rbin150001,China)Abstract:An i nt elli gent syst em for on2line monit ori ng a nd opt imizat ion for CNC milling was presented a nd developed in t his paper.Ba sed on bot h hardware and LabV IEW soft ware platform,cut ti ng force a nd vi bration duri ng cut ti ng could be mea sured on2line.The opti mization t echnique i s ba se d on particles warm opti mization, PSO is used to realize co nst ant cut ti ng force cont rol under opti mized cut ti ng speed and f eedrat e i n CNC codes. K ey w or ds:milling process;cut ti ng force;cutt ing vi brat ion;monit ori ng;opti mizat io n1　引 言实现加工设备工况监测、故障诊断和加工过程智能优化与控制已成为现代加工设备必不可少的组成部分。

铣削加工与锯切加工工艺的切削力分析铣削的加工方式有顺铣和逆铣两种加工方式。

逆铣是刀具旋转方向与进给走刀方向相反，顺铣则是刀具旋转方向与进给走刀方向相同，按ISO3003/I标准规定，所有切削运动方向U与速度方向Uf均以刀具相对工件为准，当U与Uf间的夹角φ＜90°为逆铣如下图a，而φ＞90°为顺铣如下图b顺铣的平均切削厚度较大，切削时刀尖切入工件时的切削深度最大，切屑由厚变薄，切削变形小，可减少切削功率的消耗，由于φ＞90°垂直铣削分力把工件压向工作台，铣削比较平稳，加工出的表面粗糙度较高。

因此刀具的耐用度也高。

但顺铣加工表面较硬的工件时，刀尖扎入工件时（刀具刀尖强度最低），刀尖的寿命较低。

因加工高温合金材料时，工件表面的加工表面硬化比较严重，因此在加工高温合金材料时往往建议进行逆铣加工。

逆铣时，刀尖从零开始切入工件，切屑由薄变厚，由于开始加工时，切削深度为零，刀尖切入点工件材料处的金属表面首先产生压缩变形，因此容易产生打滑现象，使得刀尖后面与工件接触产生磨损，刀尖扎入工件厚，切削深度由小变大切削阻力也会急剧变大，从而造成逆铣的切削力比顺铣的切削力大（据统计大约切削力大3倍左右）。

铣削切削力分析（因要与锯切切削力对比按直齿圆柱铣刀）：切削深度ap在直齿圆柱铣削时等于切削宽度aw，因铣刀在加工过程中有多个齿同时工作，因此切削总宽度（总深度）为：---(1)π带入切削力理论公式得到：（N）---（2）考虑高速加工时，刀具切削力下降的问题，所以上述切削力根据加工铝合金（铜合金）时的切削系数和指数得出如下公式：（）（N） ---（3）Fz-主切削力（N）Ap-切削深度（mm）Ae-切削宽度（mm）Af-吃刀深度（mm）Z-参与加工齿数D0-刀盘直径（mm）铣削功率： kw ---（4）u-切削速度m/s锯切加工切削力分析：锯切的主运动是带锯条的直线移动，进给运动为带锯条扎入工件表面的运动。

切削力测量技术现状及其发展趋势分析分析了目前切削力测量技术的现状及存在问题，根据现代切削加工高速、高精度和强力切削的特点，提出了切削力测量技术新的要求及发展趋势。

标签：切削力；测量技术；现状；发展趋势1 切削力测量技术现状分析切削力测量系统一般由三部分构成：由测力仪、数据采集系统和PC机三部分组成，如图1所示。

测力仪（测力传感器）通常安装在刀架（车削）或机床工作台上（铣削），负责拾取切削力信号，将力信号转换为弱电信号；数据采集系统对此弱电信号进行调理和采集，使其变为可用的数字信号；PC机通过一定的软件平台，将切削力信号显示出来，并对其进行数据处理和分析。

1.1 切削测力仪1.1.1 应变式测力仪应变式测力仪由弹性元件、电阻应变片及相应的测量转换电路组成，其工作原理如图2所示。

把电阻应变片贴在弹性元件表面，并连接成某种形式的电桥电路，当弹性元件受到力的作用而产生变形时，电阻应变片便随之产生变形，从而引起其电阻阻值的变化ΔR，即应变片电阻值的变化ΔR造成电桥不平衡，使电桥输出发生变化ΔU，通过标定建立输出电压与力之间的关系。

使用时根据输出电压反算切削力的大小。

应变式测力具有灵活性大、适应性广、性能稳定等优点，而且配套仪表（如静态应变仪、动态应变仪等已标准化，因而得到广泛应用。

但是其测量原理决定了测量精度和动态特性主要取决于弹性元件的结构，如何有效解决灵敏度和刚度之间的矛盾，是提高应变式测力仪测量精度和动态特性的关键。

1.1.2 压电式测力仪压电式测力仪是以压电晶体为力传感元件的切削测力仪，当石英晶体在外力作用下发生变形时，在它的某些表面上出现异号极化电荷。

这种没有电场的作用、只是由于应变或应力在晶体内产生电极化的现象称为压电效应。

通过测量产生电荷量即可以达到测量切削力的目的。

从动态测力的观点出发，压电式测力仪是一种比较理想的测力传感器，具有灵敏度高、受力变形小等优点。

然而压电式测力传感器仍然存在一系列缺点：如由于电荷泄漏而不能测试静态力、固有频率的提高受装配接触刚度的限制、维护极不方便、价格昂贵，因此在使用上受到很大的限制。