车削物理仿真工件表面质量模型的研究
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技术综合
图1 静态切削工件表面形貌
1 动态车削表面质量模型的建立
- 影响表面质量的确定性因素与不确定因素
- 在切削加工过程中，影响工件表面形貌的主要因素有：刀具刀尖部分的几何形状、刀具与工件之间的相对运动即刀具的进给运动以及切削振动产生的刀具与工件之间的相对位移等运动。在理想稳态切削过程状态下，刀具刀尖由于进给运动在工件表面上形成重叠痕迹，形成工件的已加工表面，因此刀具进给量f与刀具圆弧半径r
b是影响表面粗糙度的主要因素。因在切削过程中刀具进给量f与刀具圆弧半径rb为确定值，故属确定性影响因素。工件表面形貌如图1所示。- 这时工件表面的微观不平度也称为理论粗糙度R
1为 R1=rb-(rb2-f2/4)½(1)
图2 动态切削工件表面形貌- 在实际加工的切削过程中，特别是在动态切削状态下，由于切削振动的存在，使刀具与工件发生了相对运动，影响了工件的表面形貌特征。因此工件的表面形貌除要考虑理论粗糙度外，还要考虑动态切削的各项特征与相关因素的影响。此时由于工件微观硬度不均匀、刀具磨损及机床主轴旋转精度误差等因素的存在，使切削过程产生力的波动，刀具偏离理想切削位置而形成动态切削状态下的工件表面质量。这些干扰因素具有随机性和不确定性的特点，是影响工件表面质量的又一重要方面。其微观表面形状特征如图2所示。
- 在切削加工过程中，影响工件表面形貌的主要因素有：刀具刀尖部分的几何形状、刀具与工件之间的相对运动即刀具的进给运动以及切削振动产生的刀具与工件之间的相对位移等运动。在理想稳态切削过程状态下，刀具刀尖由于进给运动在工件表面上形成重叠痕迹，形成工件的已加工表面，因此刀具进给量f与刀具圆弧半径r
- 切削振动与工件表面质量之间的关系
- 对于外圆车削，刀刃以切削速度和进给量为参数的螺旋线轨迹进行切削运动，同时伴随以刀具与工件之间的相对位移。在刀具的进给方向上，相邻两个切削刀刃所在圆弧的交点的高度就可作为衡量工件表面粗糙度的微观不平度高度的参数，该参数由两相邻刀刃轨迹的交点纵坐标inty和刀刃圆弧深度disp决定。其中圆弧深度为刀具与工件相对振动量对参考线的纵坐标数值，而inty值则由计算两相邻圆弧所在圆的交点坐标确定。
- 表面质量模型
- 根据以上分析，在进给方向上的微观不平度的平均高度R
a为 Ra=nS i=1intyin(2)式中：n为进给方向上刀刃圆弧数量：intyi则是上文提到的两相邻切削圆弧交点的纵坐标值。 - 根据以上分析，在进给方向上的微观不平度的平均高度R
2 车削工件表面质量仿真系统的实现过程
图3 车削物理仿真系统表面质量模型的实现过程
a的数值。
3 关于表面质量模型的说明
4 结论
- 为建立车削表面质量仿真模型，除应考虑进给量和刀刃圆弧形状外，工件与刀具之间的相对振动也是影响工件表面质量的重要因素。
- 适当减小进给量，增加刀尖圆弧半径及降低车削过程中的相对振动都能达到提高表面质量的目的。
- 综合考虑各种造成相对振动的干扰因素将会提高仿真模型的质量，增强模型与实际的拟合程度。
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