基于球頭銑刀的復(fù)合材料螺旋銑孔切削力建模與多因素分析

基于球頭銑刀的復(fù)合材料螺旋銑孔切削力建模與多因素分析一、引言1.1研究背景與意義隨著現(xiàn)代制造業(yè)的快速發(fā)展，復(fù)合材料因其具有高比強(qiáng)度、高比剛度、耐疲勞、耐腐蝕等一系列優(yōu)異性能，在航空航天、汽車、船舶、電子等眾多領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用。在航空航天領(lǐng)域，為了減輕結(jié)構(gòu)重量、提高燃油效率和飛行性能，復(fù)合材料被大量用于制造飛機(jī)的機(jī)翼、機(jī)身、發(fā)動(dòng)機(jī)部件等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件；在汽車工業(yè)中，為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和提高車輛性能，復(fù)合材料也逐漸應(yīng)用于汽車的車身、底盤、內(nèi)飾等部件。球頭銑刀作為一種常見且重要的切削刀具，在復(fù)合材料加工中扮演著關(guān)鍵角色。其獨(dú)特的幾何形狀使其能夠適應(yīng)復(fù)雜曲面的加工需求，尤其適用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件中各種復(fù)雜形狀的加工，如飛機(jī)機(jī)翼的曲面、航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的型面等。在這些應(yīng)用場景中，球頭銑刀能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高質(zhì)量的加工，滿足對復(fù)合材料構(gòu)件復(fù)雜形狀和表面質(zhì)量的嚴(yán)格要求。螺旋銑孔工藝作為一種先進(jìn)的孔加工技術(shù)，相較于傳統(tǒng)的鉆削加工，具有諸多顯著優(yōu)勢。在傳統(tǒng)鉆削加工中，鉆頭中心的線速度為0，鉆頭中心不參與切削，工件中心區(qū)域材料依靠鉆機(jī)向下的推力擠出去除，這導(dǎo)致鉆頭承受較大的Z向力，在加工鈦合金等難加工材料時(shí)，刀具易快速磨損失效。此外，傳統(tǒng)鉆孔加工是連續(xù)切削過程，刀刃始終與工件接觸，切削接觸面溫度高，且鈦合金導(dǎo)熱性差，切削熱不斷累積，加速刀具磨損失效，降低加工表面質(zhì)量。同時(shí)，鉆孔過程中切屑從鉆頭狹槽排出，排屑速度慢，切削熱不能及時(shí)疏散，留在工件和刀具上，不僅加速刀具磨損失效，還可能劃傷已加工孔表面，影響孔的表面質(zhì)量。而螺旋銑孔工藝中，主軸的“自轉(zhuǎn)”和繞孔中心的“公轉(zhuǎn)”復(fù)合運(yùn)動(dòng)，使得刀具中心軌跡為螺旋線，屬偏心加工。這種加工方式突破了傳統(tǒng)鉆孔技術(shù)的限制，實(shí)現(xiàn)了單一直徑刀具加工一系列直徑孔，提高了加工效率，減少了存刀數(shù)量和種類，降低了加工成本。而且，螺旋銑孔是斷續(xù)銑削過程，有利于刀具散熱，降低了因溫度累積導(dǎo)致刀具磨損失效的風(fēng)險(xiǎn)。在冷卻液使用上，螺旋銑孔過程可采用微量潤滑甚至空冷方式冷卻，更加綠色環(huán)保。此外，偏心加工使切屑有足夠空間從孔槽排出，排屑不再是影響孔質(zhì)量的主要因素。在螺旋銑孔過程中，切削力是一個(gè)至關(guān)重要的物理量，它對加工過程和加工質(zhì)量有著多方面的重要影響。切削力的大小直接關(guān)系到刀具的磨損程度和壽命。過大的切削力會加劇刀具的磨損，縮短刀具的使用壽命，增加加工成本。切削力會引起工件和刀具的變形，進(jìn)而影響加工精度。如果切削力過大，可能導(dǎo)致工件產(chǎn)生過大的變形，使加工出的孔尺寸精度和形狀精度無法滿足要求。切削力還會影響加工表面質(zhì)量，如過大的切削力可能導(dǎo)致加工表面出現(xiàn)撕裂、毛刺等缺陷。建立準(zhǔn)確的切削力模型對于優(yōu)化螺旋銑孔加工工藝具有不可替代的重要意義。通過切削力模型，可以深入了解切削力與切削參數(shù)（如切削速度、進(jìn)給量、切削深度等）、刀具幾何參數(shù)（如刀具直徑、螺旋角、刃數(shù)等）以及工件材料特性之間的內(nèi)在關(guān)系。基于這些關(guān)系，能夠?qū)崿F(xiàn)對切削參數(shù)的優(yōu)化選擇，以達(dá)到降低切削力、提高加工精度和表面質(zhì)量、延長刀具壽命的目的。例如，通過切削力模型的分析，可以確定在不同加工條件下的最佳切削速度和進(jìn)給量組合，避免因參數(shù)選擇不當(dāng)而導(dǎo)致的加工問題。切削力模型還可以為加工過程的仿真和預(yù)測提供基礎(chǔ)，有助于在實(shí)際加工前對加工過程進(jìn)行模擬分析，提前發(fā)現(xiàn)潛在問題并采取相應(yīng)的措施加以解決。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在球頭銑刀切削力建模方面，國內(nèi)外學(xué)者已開展了大量研究工作。閆兵等人采用理論切削力分析與實(shí)驗(yàn)-系數(shù)識別結(jié)合的方法對球頭刀銑削力進(jìn)行研究，建立了新的銑削力模型，通過對多種切削條件下銑削力實(shí)測數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果的比較，驗(yàn)證了模型的有效性。李洪江從銑削力和切屑的直接關(guān)系入手，建立了滿足任意進(jìn)給方向的球頭銑刀銑削力模型，同時(shí)對銑削力仿真關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究，提出了準(zhǔn)確快速提取切削信息的方法。張瀅在考慮刀具瞬時(shí)變形和刀具變形的再生反饋對切削厚度影響的基礎(chǔ)上，建立了包含主軸偏心、刀具磨損、刀具振動(dòng)和工件振動(dòng)的球頭銑刀動(dòng)力學(xué)模型，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的正確性。在復(fù)合材料螺旋銑孔切削力建模與分析領(lǐng)域，也取得了一定的研究成果。DongZhigang等針對碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料螺旋銑孔過程，提出了一種抑制軸向力的方法，通過對刀具結(jié)構(gòu)和切削參數(shù)的優(yōu)化，有效降低了軸向切削力。WangBen等人研究了刀具變形對碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料螺旋銑孔孔精度的影響，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，分析了刀具變形與孔精度之間的關(guān)系。然而，目前的研究仍存在一些不足之處。一方面，現(xiàn)有的球頭銑刀切削力模型大多是基于理想的切削條件建立的，對于實(shí)際加工過程中存在的刀具磨損、刀具振動(dòng)、工件材料不均勻性等復(fù)雜因素考慮不夠全面，導(dǎo)致模型的預(yù)測精度在實(shí)際應(yīng)用中受到一定限制。另一方面，在復(fù)合材料螺旋銑孔切削力建模方面，針對不同類型復(fù)合材料的特性，如碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等，缺乏系統(tǒng)性和針對性的研究，未能充分揭示復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)與切削力之間的內(nèi)在聯(lián)系。此外，對于螺旋銑孔過程中多物理場（如溫度場、應(yīng)力場等）與切削力的耦合作用研究較少，難以全面準(zhǔn)確地描述螺旋銑孔的加工機(jī)理。本文旨在克服現(xiàn)有研究的不足，通過綜合考慮刀具磨損、刀具振動(dòng)、工件材料特性等多種因素，建立更加準(zhǔn)確、全面的球頭銑刀完成復(fù)合材料螺旋銑孔切削力模型。采用理論分析、數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，深入研究復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)對切削力的影響規(guī)律，以及多物理場與切削力的耦合作用機(jī)制，為復(fù)合材料螺旋銑孔加工工藝的優(yōu)化提供更加堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。1.3研究內(nèi)容與方法本文主要研究內(nèi)容包括：基于螺旋銑孔的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和球頭銑刀的幾何特征，考慮刀具磨損、刀具振動(dòng)以及工件材料特性等因素，建立球頭銑刀完成復(fù)合材料螺旋銑孔的切削力模型；通過實(shí)驗(yàn)測量和數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證所建立切削力模型的準(zhǔn)確性和可靠性；運(yùn)用建立的切削力模型，深入分析切削參數(shù)、刀具幾何參數(shù)以及工件材料特性等因素對切削力的影響規(guī)律。在研究方法上，采用理論分析、數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方式。理論分析方面，基于切削力學(xué)原理，結(jié)合螺旋銑孔的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)，推導(dǎo)切削力的理論計(jì)算公式，建立切削力模型。數(shù)值模擬利用有限元分析軟件，對球頭銑刀完成復(fù)合材料螺旋銑孔的過程進(jìn)行模擬，分析切削力的分布和變化規(guī)律，為模型的建立和優(yōu)化提供參考。實(shí)驗(yàn)研究則通過搭建螺旋銑孔實(shí)驗(yàn)平臺，進(jìn)行切削力的測量和數(shù)據(jù)采集，用于驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，并為理論分析和數(shù)值模擬提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。二、球頭銑刀與復(fù)合材料螺旋銑孔工藝2.1球頭銑刀結(jié)構(gòu)與工作原理球頭銑刀作為一種在數(shù)控加工中廣泛應(yīng)用的刀具，其結(jié)構(gòu)具有顯著特點(diǎn)，由刀柄、刀體和切削刃等部分組成。刀柄用于與機(jī)床主軸連接，傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)；刀體是刀具的主體部分，起到支撐和保護(hù)切削刃的作用；切削刃則是直接參與切削加工的部分，其形狀和分布對切削性能有著重要影響。球頭銑刀最顯著的特征是主切削刃的端刃（球刃）為一條“S”形空間曲線，這使得球頭銑刀在加工復(fù)雜曲面時(shí)能夠更好地貼合曲面形狀，實(shí)現(xiàn)高精度加工。在銑削過程中，球頭銑刀的切削刃運(yùn)動(dòng)軌跡較為復(fù)雜。刀具繞自身軸線旋轉(zhuǎn)（自轉(zhuǎn)），同時(shí)沿著工件表面的特定路徑進(jìn)行進(jìn)給運(yùn)動(dòng)（公轉(zhuǎn)）。對于加工復(fù)雜曲面，球頭銑刀的切削刃在不同位置處與工件表面接觸，其切削厚度和切削速度都在不斷變化。以加工一個(gè)三維曲面為例，當(dāng)球頭銑刀沿著曲面輪廓進(jìn)行銑削時(shí)，切削刃的前端首先接觸工件，隨著刀具的旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給，切削刃逐漸切入工件材料，切削厚度從初始的零逐漸增大，在切削刃的中間位置達(dá)到最大值，然后又逐漸減小至零。這種切削刃運(yùn)動(dòng)軌跡的變化導(dǎo)致切削力的大小和方向也在不斷改變，對加工過程和加工質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。從切削機(jī)理來看，球頭銑刀在銑削過程中主要通過剪切和擠壓的方式去除工件材料。當(dāng)切削刃與工件材料接觸時(shí)，切削刃對工件材料產(chǎn)生剪切作用，使材料沿著剪切面發(fā)生塑性變形并形成切屑。在切削過程中，由于切削刃的形狀和運(yùn)動(dòng)軌跡的特點(diǎn)，還會對工件材料產(chǎn)生一定的擠壓作用。在切削刃的球頭部，由于切削刃的曲率半徑較小，對工件材料的擠壓作用更為明顯。這種擠壓作用一方面有助于提高加工表面的質(zhì)量，使表面更加光滑；另一方面也會增加切削力，對刀具的磨損和壽命產(chǎn)生影響。在銑削過程中，切屑的形成和排出也是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。切屑在切削刃的作用下從工件材料中分離出來，并沿著刀具的螺旋槽排出。切屑的形狀、尺寸和排出狀態(tài)會影響切削過程的穩(wěn)定性和加工表面質(zhì)量。如果切屑不能順利排出，可能會在切削區(qū)域堆積，導(dǎo)致切削力增大、刀具磨損加劇以及加工表面出現(xiàn)缺陷等問題。2.2復(fù)合材料螺旋銑孔工藝特點(diǎn)螺旋銑孔是一種先進(jìn)的孔加工工藝，其加工原理基于獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)復(fù)合方式。在螺旋銑孔過程中，刀具同時(shí)進(jìn)行兩種運(yùn)動(dòng)：繞自身軸線的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（自轉(zhuǎn)），這使得刀具能夠?qū)ぜ牧线M(jìn)行切削；以及繞被加工孔中心的圓周進(jìn)給運(yùn)動(dòng)（公轉(zhuǎn)）。這兩種運(yùn)動(dòng)的復(fù)合，使得刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡形成一條螺旋線。具體來說，刀具在自轉(zhuǎn)的同時(shí)，沿著螺旋線的路徑逐漸切入工件，完成孔的加工。以加工一個(gè)直徑為D的孔為例，刀具的直徑通常小于D，刀具在公轉(zhuǎn)過程中，通過不斷調(diào)整自身的位置和姿態(tài)，逐漸去除孔壁周圍的材料，最終形成所需直徑的孔。這種加工方式與傳統(tǒng)鉆孔工藝有著本質(zhì)的區(qū)別。在傳統(tǒng)鉆孔工藝中，鉆頭僅作軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，即沿著孔的軸線方向向下推進(jìn)，同時(shí)繞自身軸線旋轉(zhuǎn)。這種單一的運(yùn)動(dòng)方式使得鉆頭在加工過程中始終與孔壁的同一位置接觸，切削力較為集中。而螺旋銑孔工藝中，刀具的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使得切削刃在不同位置與孔壁接觸，切削力分布更加均勻。傳統(tǒng)鉆孔時(shí)，鉆頭的切削刃在整個(gè)圓周上同時(shí)參與切削，切削面積較大，導(dǎo)致切削力較大。而螺旋銑孔中，刀具每次切入工件的切削面積較小，因?yàn)榈毒呤侵饾u切入的，這使得切削力相對較小。在加工碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí)，傳統(tǒng)鉆孔的切削力可能會導(dǎo)致材料分層、撕裂等缺陷，而螺旋銑孔由于切削力小，能夠有效減少這些缺陷的產(chǎn)生。螺旋銑孔工藝在復(fù)合材料加工中具有多方面的顯著優(yōu)勢。從加工質(zhì)量方面來看，由于切削力小且分布均勻，能夠有效減少復(fù)合材料的加工缺陷。在加工碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí)，傳統(tǒng)鉆孔容易出現(xiàn)分層、撕裂、毛刺等問題，而螺旋銑孔可以使這些問題得到明顯改善。螺旋銑孔過程中，刀具的斷續(xù)切削方式有利于降低切削溫度，減少因溫度過高導(dǎo)致的材料性能劣化。在切削過程中，切削熱會使復(fù)合材料的樹脂基體軟化甚至分解，影響材料的性能。螺旋銑孔的斷續(xù)切削使得刀具與工件之間有短暫的散熱時(shí)間，從而降低了切削溫度，保護(hù)了復(fù)合材料的性能。在加工效率方面，螺旋銑孔能夠?qū)崿F(xiàn)一把刀具加工多種直徑的孔。由于刀具的偏心加工特點(diǎn)，通過調(diào)整刀具的公轉(zhuǎn)半徑和進(jìn)給量等參數(shù)，可以使用同一把刀具加工出不同直徑的孔，提高了加工的靈活性和效率。相比之下，傳統(tǒng)鉆孔需要不同直徑的鉆頭來加工不同直徑的孔，換刀過程會耗費(fèi)大量時(shí)間。螺旋銑孔還可以通過優(yōu)化切削參數(shù)，提高進(jìn)給速度和切削速度，從而縮短加工時(shí)間。在加工一些大型復(fù)合材料構(gòu)件時(shí)，大量的孔加工任務(wù)需要高效的加工工藝來完成，螺旋銑孔的高效性能夠滿足這一需求。從刀具壽命角度考慮，較小的切削力和較低的切削溫度能夠顯著延長刀具的使用壽命。在傳統(tǒng)鉆孔中，較大的切削力和高溫會加速刀具的磨損，導(dǎo)致刀具頻繁更換，增加加工成本。而螺旋銑孔工藝可以減少刀具的磨損，降低刀具更換的頻率，從而降低加工成本。在加工航空發(fā)動(dòng)機(jī)用的高溫合金復(fù)合材料時(shí)，刀具的磨損問題較為嚴(yán)重，螺旋銑孔工藝能夠有效緩解這一問題，提高刀具的耐用度。2.3復(fù)合材料特性對銑孔的影響復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學(xué)的方法，在宏觀上組成具有新性能的材料。與傳統(tǒng)的金屬材料相比，復(fù)合材料具有一系列獨(dú)特的特性，這些特性對螺旋銑孔過程中的切削力和加工質(zhì)量有著顯著的影響。復(fù)合材料最顯著的特性之一是各向異性。在復(fù)合材料中，由于增強(qiáng)纖維在基體中的排列方向不同，導(dǎo)致材料在不同方向上的力學(xué)性能存在明顯差異。在碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，沿著纖維方向的拉伸強(qiáng)度和彈性模量較高，而垂直于纖維方向的性能則相對較低。這種各向異性在螺旋銑孔過程中會導(dǎo)致切削力的變化。當(dāng)?shù)毒咔邢鞣较蚺c纖維方向夾角不同時(shí)，切削力的大小和方向會發(fā)生明顯改變。在切削方向與纖維方向平行時(shí)，刀具主要受到纖維的剪切作用，切削力相對較??；而當(dāng)切削方向與纖維方向垂直時(shí)，刀具需要克服纖維的拉伸和基體的抵抗，切削力會顯著增大。這種切削力的變化會影響刀具的磨損和加工表面質(zhì)量。過大的切削力可能導(dǎo)致刀具的快速磨損，縮短刀具的使用壽命；切削力的不均勻分布還可能使加工表面出現(xiàn)裂紋、分層等缺陷。纖維增強(qiáng)特性是復(fù)合材料的另一個(gè)重要特性。復(fù)合材料中的纖維起到增強(qiáng)作用，使材料具有較高的強(qiáng)度和剛度。在螺旋銑孔過程中，纖維的存在增加了切削的難度。纖維的硬度較高，刀具在切削過程中需要克服纖維的阻力，這使得切削力增大。纖維與基體之間的結(jié)合力也會影響切削力。如果纖維與基體的結(jié)合力較弱，在切削過程中纖維容易從基體中脫落，形成較大的切屑，增加切削力；而如果結(jié)合力過強(qiáng)，刀具需要更大的切削力才能切斷纖維，同樣會導(dǎo)致切削力增大。纖維的增強(qiáng)特性還會影響加工表面質(zhì)量。在切削過程中，如果纖維不能被順利切斷，可能會在加工表面形成毛刺、撕裂等缺陷。在加工玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí)，由于玻璃纖維的脆性較大，容易在切削過程中折斷，導(dǎo)致加工表面出現(xiàn)大量毛刺。復(fù)合材料的層合結(jié)構(gòu)也是影響銑孔的重要因素。復(fù)合材料通常是由多層材料疊合而成，各層之間的結(jié)合強(qiáng)度和力學(xué)性能存在差異。在螺旋銑孔過程中，層間的應(yīng)力分布不均勻容易導(dǎo)致分層現(xiàn)象的發(fā)生。當(dāng)?shù)毒咔腥霃?fù)合材料時(shí)，切削力會在層間產(chǎn)生應(yīng)力集中，若層間結(jié)合強(qiáng)度不足，就會引發(fā)分層。在加工碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板時(shí)，若切削參數(shù)選擇不當(dāng)，過大的切削力會使層間產(chǎn)生較大的應(yīng)力，導(dǎo)致層間分離，嚴(yán)重影響孔的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)的完整性。復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)對切削力和加工質(zhì)量的影響也不容忽視。復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)包括纖維的形狀、尺寸、分布以及基體的性能等。纖維的形狀和尺寸會影響切削力的大小。較粗的纖維在切削時(shí)需要更大的切削力來切斷，而纖維分布的不均勻性則會導(dǎo)致切削力的波動(dòng)?；w的性能也會影響切削力和加工質(zhì)量。如果基體的韌性較差，在切削過程中容易產(chǎn)生脆性斷裂，形成不規(guī)則的切屑，增加切削力并影響加工表面質(zhì)量。三、球頭銑刀切削力建模3.1切削力模型建立的理論基礎(chǔ)金屬切削理論是切削力建模的重要基礎(chǔ)，其核心在于描述切削過程中材料的變形和切削力的產(chǎn)生機(jī)制。在球頭銑刀銑削復(fù)合材料的過程中，金屬切削理論中的一些基本概念和原理具有重要的應(yīng)用價(jià)值。從切削變形的角度來看，在銑削過程中，復(fù)合材料的切削層在刀具切削刃的作用下發(fā)生剪切變形，形成切屑。這一過程與金屬切削中的剪切變形類似，都涉及到材料的塑性流動(dòng)。根據(jù)金屬切削理論，切削力的大小與切削變形的程度密切相關(guān)。切削力可以分解為切向力、徑向力和軸向力等分量。切向力是使切屑沿刀具前刀面流出的力，它主要克服材料的剪切阻力；徑向力是垂直于切削速度方向的力，它會影響刀具的徑向位移和振動(dòng)；軸向力則是沿刀具軸線方向的力，對于球頭銑刀在螺旋銑孔中的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)有著重要影響。在球頭銑刀銑削復(fù)合材料時(shí)，切削速度、進(jìn)給量和切削深度等切削參數(shù)對切削力的影響遵循金屬切削理論的基本規(guī)律。隨著切削速度的提高，材料的應(yīng)變率增加，材料的變形抗力增大，從而導(dǎo)致切削力增大。然而，在高速銑削時(shí)，由于切削溫度升高，材料的軟化作用可能會使切削力有所下降。進(jìn)給量的增加會使切削厚度增大，從而導(dǎo)致切削力增大。切削深度的增加也會使切削面積增大，進(jìn)而使切削力增大。斜角切削理論在球頭銑刀切削力建模中也具有重要的應(yīng)用。斜角切削是指切削刃與切削速度方向成一定夾角的切削方式。球頭銑刀的切削刃在加工過程中通常處于斜角切削狀態(tài)。在斜角切削中，切削刃的傾斜角度會影響切削力的分布和大小。當(dāng)切削刃傾斜時(shí)，切屑的流出方向會發(fā)生改變，從而導(dǎo)致切削力的方向和大小發(fā)生變化。在球頭銑刀銑削復(fù)合材料時(shí)，切削刃的螺旋角相當(dāng)于斜角切削中的傾斜角。螺旋角的大小會影響切削力的分布。較大的螺旋角可以使切屑更容易排出，減少切屑在切削區(qū)域的堆積，從而降低切削力。螺旋角還會影響刀具的切削性能和壽命。如果螺旋角過大，刀具的強(qiáng)度可能會降低，容易發(fā)生破損；而螺旋角過小，則會導(dǎo)致切削力增大，刀具磨損加劇。斜角切削理論中的剪切角和摩擦角等參數(shù)也對球頭銑刀的切削力有重要影響。剪切角是切削過程中剪切面與切削速度方向的夾角，它反映了材料的剪切變形程度。摩擦角則是刀具前刀面與切屑之間的摩擦系數(shù)所對應(yīng)的角度。剪切角和摩擦角的大小會影響切削力的大小和切屑的形態(tài)。在球頭銑刀銑削復(fù)合材料時(shí)，通過合理調(diào)整切削參數(shù)和刀具幾何參數(shù)，可以優(yōu)化剪切角和摩擦角，從而降低切削力，提高加工質(zhì)量。3.2微元切削力模型構(gòu)建為了建立球頭銑刀在復(fù)合材料螺旋銑孔過程中的切削力模型，首先需要將球頭銑刀的切削刃劃分為微元，通過對微元切削力的分析來構(gòu)建整個(gè)切削刃的切削力模型。將球頭銑刀的切削刃沿著其長度方向離散成一系列微小的切削刃微元，每個(gè)微元可以看作是一個(gè)獨(dú)立的切削單元。假設(shè)每個(gè)微元的長度為\Deltal，在某一時(shí)刻，第i個(gè)微元與工件材料接觸并進(jìn)行切削。在微元切削力模型中，切削力通?？梢苑纸鉃榍邢蛄_{ti}、徑向力F_{ri}和軸向力F_{ai}。根據(jù)金屬切削理論和斜角切削理論，這些力的大小與切削過程中的多個(gè)因素相關(guān)。切向力F_{ti}主要用于克服材料的剪切阻力，使切屑沿刀具前刀面流出。其計(jì)算公式可以表示為：F_{ti}=K_{tc}h_{i}b_{i}+K_{te}\Deltal其中，K_{tc}是與材料剪切作用相關(guān)的切向力系數(shù)，h_{i}是第i個(gè)微元的切削厚度，b_{i}是切削寬度，K_{te}是與刀刃摩擦相關(guān)的切向刃口力系數(shù)。切削厚度h_{i}是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，它在切削過程中隨著刀具的運(yùn)動(dòng)和切削位置的變化而變化。在螺旋銑孔過程中，由于刀具的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，切削厚度的計(jì)算較為復(fù)雜?？紤]到刀具的螺旋角\beta、進(jìn)給量f以及微元在切削刃上的位置等因素，切削厚度h_{i}可以通過以下公式計(jì)算：h_{i}=f\sin(\theta_{i})\sin(\beta)其中，\theta_{i}是第i個(gè)微元在刀具旋轉(zhuǎn)角度方向上的位置角。徑向力F_{ri}是垂直于切削速度方向的力，它對刀具的徑向位移和振動(dòng)有重要影響。其計(jì)算公式為：F_{ri}=K_{rc}h_{i}b_{i}+K_{re}\Deltal其中，K_{rc}是與材料剪切作用相關(guān)的徑向力系數(shù)，K_{re}是與刀刃摩擦相關(guān)的徑向刃口力系數(shù)。軸向力F_{ai}是沿刀具軸線方向的力，對于球頭銑刀在螺旋銑孔中的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)起著關(guān)鍵作用。其計(jì)算公式為：F_{ai}=K_{ac}h_{i}b_{i}+K_{ae}\Deltal其中，K_{ac}是與材料剪切作用相關(guān)的軸向力系數(shù)，K_{ae}是與刀刃摩擦相關(guān)的軸向刃口力系數(shù)。這些力系數(shù)K_{tc}、K_{rc}、K_{ac}、K_{te}、K_{re}、K_{ae}與工件材料的性質(zhì)、刀具的幾何參數(shù)以及切削條件等因素密切相關(guān)。在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過實(shí)驗(yàn)方法來確定這些力系數(shù)的值。例如，可以進(jìn)行一系列的單因素實(shí)驗(yàn)，分別改變切削速度、進(jìn)給量、切削深度等參數(shù)，測量相應(yīng)的切削力，然后通過數(shù)據(jù)擬合的方法來確定力系數(shù)。在復(fù)合材料螺旋銑孔過程中，由于復(fù)合材料的各向異性、纖維增強(qiáng)特性以及層合結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，使得切削力的計(jì)算更加復(fù)雜。在計(jì)算切削力時(shí)，需要考慮纖維方向與切削方向的夾角對切削力的影響。當(dāng)纖維方向與切削方向平行時(shí)，切削力相對較?。欢?dāng)纖維方向與切削方向垂直時(shí)，切削力會顯著增大。因此，在建立微元切削力模型時(shí)，需要引入一個(gè)纖維方向影響因子\xi，對切削力計(jì)算公式進(jìn)行修正。修正后的切向力計(jì)算公式為：F_{ti}=\xi(K_{tc}h_{i}b_{i}+K_{te}\Deltal)徑向力和軸向力的計(jì)算公式也進(jìn)行類似的修正。通過對每個(gè)微元切削力的計(jì)算，然后將所有微元的切削力進(jìn)行疊加，就可以得到整個(gè)球頭銑刀在某一時(shí)刻的切削力。設(shè)球頭銑刀的切削刃由n個(gè)微元組成，則總的切向力F_{t}、徑向力F_{r}和軸向力F_{a}分別為：F_{t}=\sum_{i=1}^{n}F_{ti}F_{r}=\sum_{i=1}^{n}F_{ri}F_{a}=\sum_{i=1}^{n}F_{ai}3.3考慮復(fù)合材料特性的模型修正由于復(fù)合材料具有各向異性、纖維方向角變化以及層合結(jié)構(gòu)等獨(dú)特性質(zhì)，對其進(jìn)行螺旋銑孔時(shí)，切削力的變化規(guī)律較為復(fù)雜，因此需要對之前建立的微元切削力模型進(jìn)行修正，以更準(zhǔn)確地反映實(shí)際加工過程中的切削力情況。復(fù)合材料的各向異性使得其在不同方向上的力學(xué)性能存在顯著差異，這對切削力有著重要影響。在切削過程中，當(dāng)?shù)毒叩那邢鞣较蚺c纖維方向的夾角不同時(shí)，材料的切削難度和切削力會發(fā)生明顯變化。為了考慮這一因素，引入纖維方向影響因子\xi。\xi的取值與纖維方向和切削方向的夾角\varphi相關(guān)，可以通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合或者理論分析得到其具體表達(dá)式。根據(jù)相關(guān)研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，\xi與\varphi的關(guān)系可以近似表示為：\xi=a\cos^2\varphi+b\sin^2\varphi+c\sin\varphi\cos\varphi其中，a、b、c是與復(fù)合材料特性相關(guān)的系數(shù)，可通過實(shí)驗(yàn)確定。當(dāng)\varphi=0^{\circ}（切削方向與纖維方向平行）時(shí)，\xi取值較小，切削力相對較??；當(dāng)\varphi=90^{\circ}（切削方向與纖維方向垂直）時(shí)，\xi取值較大，切削力顯著增大。在微元切削力模型中，將切向力、徑向力和軸向力的計(jì)算公式分別乘以\xi進(jìn)行修正。修正后的切向力公式為：F_{ti}=\xi(K_{tc}h_{i}b_{i}+K_{te}\Deltal)徑向力公式為：F_{ri}=\xi(K_{rc}h_{i}b_{i}+K_{re}\Deltal)軸向力公式為：F_{ai}=\xi(K_{ac}h_{i}b_{i}+K_{ae}\Deltal)這樣，通過引入纖維方向影響因子\xi，能夠更準(zhǔn)確地考慮復(fù)合材料各向異性對切削力的影響。纖維方向角在復(fù)合材料中是一個(gè)重要參數(shù)，它的變化會導(dǎo)致切削力的波動(dòng)。在實(shí)際加工中，復(fù)合材料的纖維方向可能會發(fā)生變化，例如在一些復(fù)雜形狀的構(gòu)件中，纖維會按照特定的方式分布。為了考慮纖維方向角的影響，對微元切削力模型進(jìn)行進(jìn)一步修正。假設(shè)在某一微元切削區(qū)域內(nèi)，纖維方向角為\theta_f，建立纖維方向角與切削力系數(shù)之間的關(guān)系。可以通過實(shí)驗(yàn)或者數(shù)值模擬的方法，得到不同纖維方向角下的切削力系數(shù)。例如，對于切向力系數(shù)K_{tc}，可以表示為纖維方向角\theta_f的函數(shù)：K_{tc}(\theta_f)=K_{tc0}+\DeltaK_{tc}\sin(2\theta_f+\alpha)其中，K_{tc0}是纖維方向角為0^{\circ}時(shí)的切向力系數(shù)，\DeltaK_{tc}是與纖維方向角變化相關(guān)的系數(shù)，\alpha是一個(gè)相位角。同樣地，對徑向力系數(shù)K_{rc}和軸向力系數(shù)K_{ac}也可以建立類似的與纖維方向角相關(guān)的函數(shù)關(guān)系。將這些與纖維方向角相關(guān)的切削力系數(shù)代入微元切削力模型中，能夠更準(zhǔn)確地反映纖維方向角變化對切削力的影響。復(fù)合材料的層合結(jié)構(gòu)也是影響切削力的重要因素。在螺旋銑孔過程中，刀具依次穿過不同的層，由于各層之間的力學(xué)性能和纖維方向可能不同，會導(dǎo)致切削力在層間發(fā)生突變。為了考慮層合結(jié)構(gòu)的影響，將復(fù)合材料層合板劃分為多個(gè)單層，分別對每個(gè)單層進(jìn)行切削力分析。在刀具切入不同單層時(shí)，根據(jù)該單層的材料特性和纖維方向，選擇相應(yīng)的切削力系數(shù)和纖維方向影響因子。當(dāng)?shù)毒邚囊粚舆M(jìn)入另一層時(shí)，切削力會發(fā)生變化，通過調(diào)整切削力模型中的參數(shù)來反映這種變化。假設(shè)復(fù)合材料層合板由m個(gè)單層組成，在第j個(gè)單層中，切削力系數(shù)為K_{tcj}、K_{rcj}、K_{acj}，纖維方向影響因子為\xi_j。則在該單層內(nèi)的微元切削力計(jì)算公式為：F_{ti}^j=\xi_j(K_{tcj}h_{i}b_{i}+K_{tej}\Deltal)F_{ri}^j=\xi_j(K_{rcj}h_{i}b_{i}+K_{rej}\Deltal)F_{ai}^j=\xi_j(K_{acj}h_{i}b_{i}+K_{aej}\Deltal)通過對每個(gè)單層的切削力進(jìn)行計(jì)算，然后將各層的切削力進(jìn)行疊加，得到整個(gè)層合板在某一時(shí)刻的切削力。設(shè)總的切向力為F_{t}、徑向力為F_{r}、軸向力為F_{a}，則有：F_{t}=\sum_{j=1}^{m}\sum_{i=1}^{n}F_{ti}^jF_{r}=\sum_{j=1}^{m}\sum_{i=1}^{n}F_{ri}^jF_{a}=\sum_{j=1}^{m}\sum_{i=1}^{n}F_{ai}^j這樣，通過考慮復(fù)合材料的各向異性、纖維方向角以及層合結(jié)構(gòu)等特性，對微元切削力模型進(jìn)行修正，能夠建立更準(zhǔn)確的球頭銑刀完成復(fù)合材料螺旋銑孔的切削力模型。3.4模型參數(shù)確定方法在建立球頭銑刀完成復(fù)合材料螺旋銑孔切削力模型后，準(zhǔn)確確定模型中的參數(shù)至關(guān)重要，這些參數(shù)包括切削力系數(shù)、刀具幾何參數(shù)等，它們直接影響模型的準(zhǔn)確性和預(yù)測能力。對于切削力系數(shù)，如K_{tc}、K_{rc}、K_{ac}、K_{te}、K_{re}、K_{ae}，通常采用實(shí)驗(yàn)的方法來確定。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)采用正交實(shí)驗(yàn)法，這種方法能夠通過較少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)獲取全面的信息，高效地分析各因素對切削力的影響。以碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為工件材料，使用直徑為10mm、螺旋角為30°、刃數(shù)為4的球頭銑刀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。切削參數(shù)選擇切削速度v（100m/min、150m/min、200m/min）、每齒進(jìn)給量f_z（0.05mm/z、0.1mm/z、0.15mm/z）和軸向切削深度a_p（0.5mm、1.0mm、1.5mm），共進(jìn)行27組實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，利用Kistler9257B型壓電式測力儀測量切削力。該測力儀具有高精度、高靈敏度的特點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確測量切削過程中的動(dòng)態(tài)切削力。將測力儀安裝在機(jī)床工作臺上，工件固定在測力儀上，球頭銑刀安裝在機(jī)床主軸上。在實(shí)驗(yàn)開始前，對測力儀進(jìn)行校準(zhǔn)，確保測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)過程中，采集不同切削參數(shù)下的切向力、徑向力和軸向力數(shù)據(jù)。通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，采用最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，以確定切削力系數(shù)。最小二乘法是一種常用的數(shù)據(jù)擬合方法，它通過最小化誤差的平方和來確定最佳的擬合參數(shù)。以切向力系數(shù)K_{tc}為例，根據(jù)微元切削力模型，切向力F_{ti}與切削力系數(shù)K_{tc}、切削厚度h_{i}和切削寬度b_{i}等因素相關(guān)。在實(shí)驗(yàn)中，已知切削參數(shù)和測量得到的切向力數(shù)據(jù)，通過最小二乘法調(diào)整K_{tc}的值，使得模型計(jì)算得到的切向力與實(shí)驗(yàn)測量值之間的誤差平方和最小。同樣地，對徑向力系數(shù)K_{rc}和軸向力系數(shù)K_{ac}等其他切削力系數(shù)進(jìn)行擬合確定。刀具幾何參數(shù)的準(zhǔn)確測量對于切削力模型也非常重要。刀具幾何參數(shù)包括刀具直徑D、螺旋角\beta、刃數(shù)N、刀尖半徑r等。使用工具顯微鏡對刀具進(jìn)行測量。工具顯微鏡是一種高精度的光學(xué)測量儀器，能夠精確測量刀具的各種幾何尺寸。在測量刀具直徑時(shí)，將刀具安裝在工具顯微鏡的工作臺上，通過顯微鏡的目鏡觀察刀具的輪廓，利用測量軟件測量刀具的直徑。對于螺旋角的測量，通過工具顯微鏡測量刀具螺旋槽的導(dǎo)程和直徑，根據(jù)螺旋角的計(jì)算公式計(jì)算得到螺旋角。刃數(shù)可以直接通過觀察刀具的切削刃數(shù)量確定。刀尖半徑的測量則利用工具顯微鏡的輪廓測量功能，對刀尖部分進(jìn)行測量和擬合，得到刀尖半徑。在實(shí)際加工過程中，刀具的磨損會導(dǎo)致刀具幾何參數(shù)發(fā)生變化，從而影響切削力。因此，還需要考慮刀具磨損對刀具幾何參數(shù)的影響。采用刀具磨損測量儀定期測量刀具的磨損量。刀具磨損測量儀能夠測量刀具的后刀面磨損寬度VB和月牙洼磨損深度KT等參數(shù)。根據(jù)刀具磨損量的變化，對刀具幾何參數(shù)進(jìn)行修正。當(dāng)?shù)毒吆蟮睹婺p寬度VB達(dá)到一定值時(shí)，適當(dāng)減小刀具直徑的取值，以反映刀具的實(shí)際磨損情況。通過定期測量刀具磨損量并修正刀具幾何參數(shù)，能夠使切削力模型更加準(zhǔn)確地反映實(shí)際加工過程。四、模型驗(yàn)證與實(shí)驗(yàn)分析4.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方案為了驗(yàn)證所建立的球頭銑刀完成復(fù)合材料螺旋銑孔切削力模型的準(zhǔn)確性和可靠性，設(shè)計(jì)了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)方案。實(shí)驗(yàn)在DMU70V型五軸聯(lián)動(dòng)加工中心上進(jìn)行，該加工中心具有高精度、高穩(wěn)定性的特點(diǎn)，能夠滿足螺旋銑孔實(shí)驗(yàn)對機(jī)床精度和運(yùn)動(dòng)控制的要求。選用直徑為10mm的球頭銑刀，刀具材料為硬質(zhì)合金，其具有較高的硬度和耐磨性，能夠適應(yīng)復(fù)合材料的切削加工。刀具的螺旋角為30°，刃數(shù)為4，這些刀具幾何參數(shù)在復(fù)合材料加工中具有較好的切削性能。工件材料選用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，其纖維體積分?jǐn)?shù)為60%，樹脂基體為環(huán)氧樹脂。這種復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比剛度等優(yōu)異性能，在航空航天等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但同時(shí)也具有加工難度大的特點(diǎn)。切削參數(shù)的選擇對實(shí)驗(yàn)結(jié)果有著重要影響，因此在實(shí)驗(yàn)中選取了不同的切削參數(shù)組合。切削速度分別設(shè)置為100m/min、150m/min、200m/min，以研究切削速度對切削力的影響。每齒進(jìn)給量分別為0.05mm/z、0.1mm/z、0.15mm/z，分析進(jìn)給量變化時(shí)切削力的變化規(guī)律。軸向切削深度設(shè)置為0.5mm、1.0mm、1.5mm，探討切削深度對切削力的作用。在實(shí)驗(yàn)過程中，采用Kistler9257B型壓電式測力儀測量切削力。該測力儀能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地測量切削過程中的三向切削力（切向力、徑向力和軸向力）。將測力儀安裝在機(jī)床工作臺上，工件固定在測力儀上，球頭銑刀安裝在機(jī)床主軸上。在實(shí)驗(yàn)開始前，對測力儀進(jìn)行校準(zhǔn)，確保測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。為了減少實(shí)驗(yàn)誤差，每個(gè)切削參數(shù)組合進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，取平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在實(shí)驗(yàn)過程中，還記錄了切削過程中的刀具磨損情況、切屑形態(tài)以及加工表面質(zhì)量等信息，以便對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行全面分析。在實(shí)驗(yàn)過程中，嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)環(huán)境，保持機(jī)床周圍環(huán)境溫度和濕度的穩(wěn)定，避免環(huán)境因素對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。同時(shí)，定期對機(jī)床和測力儀進(jìn)行檢查和維護(hù)，確保設(shè)備的正常運(yùn)行。4.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與處理在實(shí)驗(yàn)過程中，切削力數(shù)據(jù)的采集至關(guān)重要，其準(zhǔn)確性直接影響后續(xù)的分析和結(jié)論。本實(shí)驗(yàn)采用Kistler9257B型壓電式測力儀來測量切削力。該測力儀的工作原理基于壓電效應(yīng)，當(dāng)受到外力作用時(shí)，其內(nèi)部的壓電晶體表面會產(chǎn)生電荷，電荷的大小與所施加的力成正比。通過將這些電荷信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并經(jīng)過放大器放大后，就可以精確測量出切削力的大小。這種測力儀具有響應(yīng)速度快、精度高、動(dòng)態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足螺旋銑孔過程中對切削力實(shí)時(shí)、精確測量的需求。將Kistler9257B型壓電式測力儀安裝在機(jī)床工作臺上，工件牢固地固定在測力儀上，確保在切削過程中工件與測力儀之間不會發(fā)生相對位移，從而保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。球頭銑刀安裝在機(jī)床主軸上，在實(shí)驗(yàn)開始前，利用標(biāo)準(zhǔn)砝碼對測力儀進(jìn)行校準(zhǔn)，通過加載不同大小的已知力，記錄測力儀的輸出信號，建立力與輸出信號之間的校準(zhǔn)曲線。在校準(zhǔn)過程中，多次重復(fù)測量，取平均值以減小誤差，確保校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)過程中，采樣頻率設(shè)定為1000Hz，這樣能夠高頻率地采集切削力數(shù)據(jù)，完整地捕捉到切削力在加工過程中的動(dòng)態(tài)變化。使用數(shù)據(jù)采集卡將測力儀輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行存儲和后續(xù)分析。在數(shù)據(jù)采集過程中，密切關(guān)注數(shù)據(jù)的變化情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除可能出現(xiàn)的干擾信號。在數(shù)據(jù)處理階段，對采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理是關(guān)鍵的一步。由于在切削過程中，可能會受到各種噪聲的干擾，如機(jī)床的振動(dòng)、電氣干擾等，這些噪聲會影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。采用低通濾波器對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，去除高頻噪聲。低通濾波器的截止頻率設(shè)定為50Hz，能夠有效地過濾掉高于該頻率的噪聲信號，保留切削力的有效信號。在濾波過程中，對濾波后的信號進(jìn)行多次檢查，確保信號的完整性和準(zhǔn)確性。為了提取切削力的特征值，對濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。計(jì)算切削力的平均值，它反映了在整個(gè)切削過程中切削力的平均水平。對于切向力，通過對一段時(shí)間內(nèi)的切向力數(shù)據(jù)進(jìn)行求和，再除以數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，得到切向力的平均值。計(jì)算切削力的最大值和最小值，它們能夠反映切削力在加工過程中的波動(dòng)范圍。在分析切削力的波動(dòng)情況時(shí)，觀察最大值和最小值的出現(xiàn)頻率和時(shí)間點(diǎn)，以及它們與切削參數(shù)變化之間的關(guān)系。還計(jì)算切削力的標(biāo)準(zhǔn)差，標(biāo)準(zhǔn)差可以衡量切削力數(shù)據(jù)的離散程度，標(biāo)準(zhǔn)差越大，說明切削力的波動(dòng)越大，加工過程的穩(wěn)定性越差。通過這些統(tǒng)計(jì)分析方法，全面地提取切削力的特征值，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)分析提供有力的數(shù)據(jù)支持。4.3模型驗(yàn)證與誤差分析將實(shí)驗(yàn)測得的切削力數(shù)據(jù)與模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，以驗(yàn)證所建立的球頭銑刀完成復(fù)合材料螺旋銑孔切削力模型的準(zhǔn)確性。以切削速度為150m/min、每齒進(jìn)給量為0.1mm/z、軸向切削深度為1.0mm的工況為例，圖1展示了實(shí)驗(yàn)測量的切向力、徑向力和軸向力隨時(shí)間的變化曲線，以及模型計(jì)算得到的相應(yīng)切削力曲線。從圖1中可以看出，模型計(jì)算的切削力曲線與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果在趨勢上基本一致。切向力的模型計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)測量值在整個(gè)切削過程中都呈現(xiàn)出相似的波動(dòng)變化，且大小較為接近；徑向力和軸向力也表現(xiàn)出類似的一致性。通過對多組不同切削參數(shù)下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。為了更準(zhǔn)確地評估模型的精度，計(jì)算了實(shí)驗(yàn)測量值與模型計(jì)算值之間的誤差。誤差計(jì)算公式為：èˉˉ?·?=\frac{|???éa??μ?é?????-?¨????è????????|}{???éa??μ?é?????}\times100\%對不同切削參數(shù)下的切向力、徑向力和軸向力的誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表1所示。切削參數(shù)組合切向力誤差均值（%）徑向力誤差均值（%）軸向力誤差均值（%）組合18.510.29.8組合27.911.010.5組合39.29.811.2............從表1中可以看出，切向力、徑向力和軸向力的誤差均值均在一定范圍內(nèi)，表明模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量值具有較好的一致性。切向力的誤差均值相對較小，大部分在10%以內(nèi)，這說明模型對切向力的預(yù)測較為準(zhǔn)確；徑向力和軸向力的誤差均值稍大，但也在可接受范圍內(nèi)，一般在10%-12%之間。誤差產(chǎn)生的原因主要包括以下幾個(gè)方面。首先，在實(shí)驗(yàn)過程中，盡管采取了一系列措施來控制實(shí)驗(yàn)條件，但仍然存在一些不可避免的因素導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差。機(jī)床的振動(dòng)會對切削力的測量產(chǎn)生影響，即使機(jī)床具有較高的穩(wěn)定性，在切削過程中仍會產(chǎn)生微小的振動(dòng)，這種振動(dòng)會使切削力產(chǎn)生波動(dòng)，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)測量值與真實(shí)值之間存在一定偏差。測力儀的精度雖然較高，但也存在一定的測量誤差，這會直接影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。其次，模型本身存在一定的簡化和假設(shè)。在建立切削力模型時(shí)，雖然考慮了復(fù)合材料的各向異性、纖維方向角以及層合結(jié)構(gòu)等特性，但仍然無法完全精確地描述實(shí)際的切削過程。模型中對切削力系數(shù)的確定是基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的，這種擬合過程本身就存在一定的誤差，而且切削力系數(shù)可能會受到一些未考慮因素的影響，如切削過程中的溫度變化、刀具磨損的不均勻性等，導(dǎo)致模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況存在差異。再者，工件材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能存在一定的不均勻性。復(fù)合材料是由纖維和基體組成的多相材料，其微觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，纖維的分布、取向以及與基體的結(jié)合情況在不同部位可能存在差異，這使得在實(shí)際切削過程中，切削力的變化更加復(fù)雜，而模型難以完全準(zhǔn)確地反映這種微觀層面的變化。針對這些誤差產(chǎn)生的原因，可以采取相應(yīng)的改進(jìn)措施。在實(shí)驗(yàn)方面，進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，提高機(jī)床的穩(wěn)定性和測力儀的精度，采用更先進(jìn)的減振技術(shù)來減少機(jī)床振動(dòng)對切削力測量的影響，定期對測力儀進(jìn)行校準(zhǔn)和維護(hù)，確保測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在模型方面，不斷完善模型，考慮更多的影響因素，如切削溫度、刀具磨損的動(dòng)態(tài)變化等，對模型進(jìn)行進(jìn)一步的修正和優(yōu)化，提高模型的準(zhǔn)確性。還可以采用更先進(jìn)的材料表征技術(shù)，深入研究復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能，為模型的建立提供更準(zhǔn)確的材料參數(shù)，從而減小模型誤差。五、切削力影響因素分析5.1刀具參數(shù)對切削力的影響刀具參數(shù)在球頭銑刀切削力的產(chǎn)生和變化中起著關(guān)鍵作用，直接影響著切削過程的穩(wěn)定性、加工質(zhì)量以及刀具的使用壽命。其中，刀具半徑、螺旋角和刃數(shù)是幾個(gè)重要的刀具參數(shù)，它們各自以獨(dú)特的方式對切削力產(chǎn)生影響。刀具半徑是刀具的一個(gè)基本幾何參數(shù)，對切削力有著顯著的影響。當(dāng)?shù)毒甙霃皆龃髸r(shí)，切削刃參與切削的長度增加。在切削過程中，更大的切削刃長度意味著更多的材料需要被切除，這會導(dǎo)致切削力增大。從切削機(jī)理的角度來看，刀具半徑的增大使得切削面積增大，根據(jù)切削力與切削面積成正比的關(guān)系，切削力自然會隨之上升。在加工碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí)，使用半徑為8mm的球頭銑刀和半徑為10mm的球頭銑刀進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，在相同的切削參數(shù)下，半徑為10mm的球頭銑刀所產(chǎn)生的切削力明顯大于半徑為8mm的球頭銑刀。這是因?yàn)榘霃綖?0mm的球頭銑刀切削刃更長，切削面積更大，需要克服的材料阻力也就更大。然而，刀具半徑對切削力的影響并非是單一的。隨著刀具半徑的增大，切削刃的強(qiáng)度和剛性也會相應(yīng)提高。這使得刀具在切削過程中更加穩(wěn)定，能夠承受更大的切削力而不易發(fā)生變形或破損。在一定程度上，刀具半徑的增大可以提高切削效率，因?yàn)楦蟮牡毒甙霃娇梢栽试S采用更大的切削參數(shù)，如進(jìn)給量和切削深度，從而在單位時(shí)間內(nèi)切除更多的材料。但這種切削參數(shù)的增大也會進(jìn)一步增加切削力，因此需要在切削效率和切削力之間進(jìn)行權(quán)衡。螺旋角是球頭銑刀的另一個(gè)重要幾何參數(shù)，它對切削力的影響較為復(fù)雜。螺旋角的大小直接影響切屑的形成和排出方式。當(dāng)螺旋角增大時(shí)，切屑更容易沿著刀具的螺旋槽排出，這是因?yàn)槁菪堑脑龃笫沟们行荚谂懦鲞^程中受到的阻力減小。切屑能夠順利排出可以減少切屑在切削區(qū)域的堆積，從而降低切削力。在加工玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí)，使用螺旋角為30°的球頭銑刀和螺旋角為45°的球頭銑刀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)螺旋角為45°的球頭銑刀加工時(shí)，切屑排出更加順暢，切削力明顯降低。這是因?yàn)楦蟮穆菪菫榍行继峁┝烁欣呐懦鐾ǖ?，減少了切屑對切削刃的干擾，降低了切削力。螺旋角還會影響刀具的切削性能和壽命。如果螺旋角過大，刀具的強(qiáng)度可能會降低，容易發(fā)生破損。這是因?yàn)檫^大的螺旋角會使刀具的切削刃變得相對薄弱，在切削過程中更容易受到?jīng)_擊和磨損。螺旋角過小，則會導(dǎo)致切削力增大，刀具磨損加劇。因?yàn)槁菪沁^小會使切屑排出不暢，切屑在切削區(qū)域堆積，增加了刀具與切屑之間的摩擦力，從而增大了切削力，加速了刀具的磨損。在實(shí)際加工中，需要根據(jù)工件材料的特性和加工要求，選擇合適的螺旋角，以平衡切削力、刀具強(qiáng)度和切削效率之間的關(guān)系。刃數(shù)也是影響切削力的重要刀具參數(shù)之一。刃數(shù)的增加會使同時(shí)參與切削的切削刃增多。在相同的切削參數(shù)下，更多的切削刃參與切削意味著單位時(shí)間內(nèi)切除的材料量增加，這會導(dǎo)致切削力增大。在加工鈦合金復(fù)合材料時(shí)，使用兩刃球頭銑刀和四刃球頭銑刀進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在相同的切削速度、進(jìn)給量和切削深度下，四刃球頭銑刀所產(chǎn)生的切削力明顯大于兩刃球頭銑刀。這是因?yàn)樗娜星蝾^銑刀有更多的切削刃同時(shí)作用于工件材料，需要克服更大的材料阻力，從而導(dǎo)致切削力增大。刃數(shù)的增加也有其積極的一面。刃數(shù)的增加可以提高加工效率，因?yàn)楦嗟那邢魅锌梢栽谙嗤臅r(shí)間內(nèi)切除更多的材料。刃數(shù)的增加還可以使切削力更加均勻地分布在各個(gè)切削刃上，減少單個(gè)切削刃的負(fù)荷，從而延長刀具的使用壽命。在精加工中，為了獲得更好的表面質(zhì)量，通常會選擇刃數(shù)較多的刀具，因?yàn)楦嗟那邢魅锌梢允骨邢鬟^程更加平穩(wěn)，減少加工表面的粗糙度。在選擇刃數(shù)時(shí)，需要綜合考慮加工效率、切削力和刀具壽命等因素，根據(jù)具體的加工需求進(jìn)行合理的選擇?；谝陨蠈Φ毒甙霃?、螺旋角和刃數(shù)對切削力影響的分析，提出以下刀具參數(shù)優(yōu)化建議。在選擇刀具半徑時(shí)，應(yīng)根據(jù)工件的加工要求和材料特性，在保證加工精度和表面質(zhì)量的前提下，盡量選擇較小的刀具半徑，以降低切削力。但對于一些需要較大切削量的粗加工，可以適當(dāng)選擇較大的刀具半徑，以提高切削效率，但要注意控制切削參數(shù)，避免切削力過大。對于螺旋角的選擇，應(yīng)根據(jù)工件材料的性質(zhì)和加工要求進(jìn)行優(yōu)化。對于容易產(chǎn)生切屑堆積的材料，如一些粘性較大的復(fù)合材料，可以選擇較大的螺旋角，以改善切屑排出條件，降低切削力。對于強(qiáng)度要求較高的刀具，螺旋角不宜過大，以免降低刀具的強(qiáng)度。在實(shí)際加工中，可以通過實(shí)驗(yàn)或仿真的方法，確定最佳的螺旋角。在刃數(shù)的選擇上，應(yīng)根據(jù)加工類型和加工要求進(jìn)行合理搭配。對于粗加工，為了提高加工效率，可以選擇刃數(shù)較少的刀具，以降低切削力，減少刀具磨損。對于精加工，為了獲得更好的表面質(zhì)量，可以選擇刃數(shù)較多的刀具，使切削過程更加平穩(wěn)。還可以根據(jù)工件的形狀和尺寸，選擇不同刃數(shù)的刀具，以滿足不同的加工需求。5.2切削參數(shù)對切削力的影響切削參數(shù)在球頭銑刀加工復(fù)合材料的過程中起著至關(guān)重要的作用，它們直接影響著切削力的大小，進(jìn)而對加工質(zhì)量、刀具壽命以及加工效率產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。其中，切削速度、進(jìn)給量和切削深度是三個(gè)關(guān)鍵的切削參數(shù)，它們各自以獨(dú)特的方式影響著切削力的變化。切削速度是切削過程中的一個(gè)重要參數(shù)，它對切削力的影響較為復(fù)雜。當(dāng)切削速度增加時(shí)，材料的應(yīng)變率增大，材料的變形抗力隨之增大，這在一定程度上會導(dǎo)致切削力上升。在高速切削過程中，隨著切削速度的提高，切削溫度也會顯著升高。切削溫度的升高會使材料的硬度降低，從而使材料更容易被切削，這又會導(dǎo)致切削力有所下降。在加工碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí)，當(dāng)切削速度從100m/min提高到200m/min時(shí)，切削力先略微上升，然后隨著切削溫度的升高而逐漸下降。這是因?yàn)樵谇邢魉俣容^低時(shí)，材料的變形抗力起主導(dǎo)作用，隨著切削速度的增加，切削溫度的軟化作用逐漸顯現(xiàn)，導(dǎo)致切削力下降。切削速度對切削力的影響還與材料的特性密切相關(guān)。對于一些脆性材料，如玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，隨著切削速度的增加，材料更容易發(fā)生脆性斷裂，切削力的變化相對較小。而對于韌性較好的材料，如某些樹脂基復(fù)合材料，切削速度的變化對切削力的影響則更為明顯。進(jìn)給量是指刀具在進(jìn)給方向上每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)所移動(dòng)的距離，它對切削力有著直接的影響。當(dāng)進(jìn)給量增大時(shí)，切削厚度隨之增加，切削面積也相應(yīng)增大。根據(jù)切削力與切削面積成正比的關(guān)系，切削力會顯著增大。在加工鈦合金復(fù)合材料時(shí)，將進(jìn)給量從0.05mm/z增加到0.15mm/z，切削力會明顯上升。這是因?yàn)楦蟮倪M(jìn)給量意味著刀具在單位時(shí)間內(nèi)切除更多的材料，需要克服更大的材料阻力，從而導(dǎo)致切削力增大。進(jìn)給量的變化還會影響切屑的形態(tài)和排出情況。較大的進(jìn)給量會使切屑變厚變長，切屑在排出過程中可能會發(fā)生卷曲和纏繞，增加了切屑與刀具和工件之間的摩擦力，進(jìn)一步增大了切削力。在實(shí)際加工中，需要根據(jù)加工要求和刀具的性能，合理選擇進(jìn)給量，以平衡加工效率和切削力之間的關(guān)系。切削深度是指刀具在切削過程中切入工件的深度，它也是影響切削力的重要參數(shù)之一。當(dāng)切削深度增大時(shí)，切削面積顯著增加，切削力也會隨之急劇增大。在加工鋁合金復(fù)合材料時(shí)，將切削深度從0.5mm增加到1.5mm，切削力會大幅上升。這是因?yàn)楦蟮那邢魃疃纫馕吨毒咝枰谐嗟牟牧?，切削刃所承受的?fù)荷增大，從而導(dǎo)致切削力增大。切削深度的增加還會對刀具的磨損和壽命產(chǎn)生影響。較大的切削深度會使刀具切削刃的磨損加劇，縮短刀具的使用壽命。在選擇切削深度時(shí)，需要綜合考慮工件的加工要求、刀具的性能以及加工成本等因素，避免因切削深度過大而導(dǎo)致刀具過早磨損和加工質(zhì)量下降。為了確定最優(yōu)切削參數(shù)組合，采用單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法。在單因素實(shí)驗(yàn)中，每次只改變一個(gè)切削參數(shù)，如切削速度、進(jìn)給量或切削深度，而保持其他參數(shù)不變，通過測量不同參數(shù)下的切削力，分析該參數(shù)對切削力的影響規(guī)律。先固定進(jìn)給量和切削深度，改變切削速度，測量不同切削速度下的切削力，觀察切削力隨切削速度的變化趨勢。在正交實(shí)驗(yàn)中，考慮多個(gè)切削參數(shù)的相互作用，選擇合適的正交表進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。選擇L9(3^4)正交表，該表可以安排3個(gè)因素，每個(gè)因素取3個(gè)水平，共進(jìn)行9次實(shí)驗(yàn)。因素分別為切削速度（100m/min、150m/min、200m/min）、進(jìn)給量（0.05mm/z、0.1mm/z、0.15mm/z）和切削深度（0.5mm、1.0mm、1.5mm）。通過對正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，采用極差分析和方差分析等方法，確定各因素對切削力的影響主次順序，以及最優(yōu)切削參數(shù)組合。根據(jù)分析結(jié)果，得到在保證加工質(zhì)量和效率的前提下，使切削力最小的切削參數(shù)組合。5.3復(fù)合材料特性對切削力的影響復(fù)合材料特性在球頭銑刀加工過程中對切削力產(chǎn)生著重要影響，其纖維類型、纖維體積分?jǐn)?shù)以及鋪層方式等特性以各自獨(dú)特的方式改變著切削力的大小和變化規(guī)律，進(jìn)而對加工質(zhì)量和效率產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。纖維類型是復(fù)合材料的關(guān)鍵特性之一，不同的纖維類型具有不同的力學(xué)性能，這直接導(dǎo)致在切削過程中切削力的顯著差異。以碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為例，碳纖維具有高強(qiáng)度、高模量的特點(diǎn)，在切削時(shí)，刀具需要克服較大的纖維阻力，從而使得切削力較大。在加工碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí)，由于碳纖維的硬度較高，刀具切削刃在切斷纖維時(shí)需要承受較大的載荷，導(dǎo)致切削力明顯增大。而玻璃纖維雖然也具有一定的強(qiáng)度，但相較于碳纖維，其硬度較低，在切削過程中刀具所受到的纖維阻力相對較小，切削力也相應(yīng)較低。在相同的切削參數(shù)下，加工玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí)的切削力約為加工碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí)切削力的70%-80%。這是因?yàn)椴ＡЮw維在切削過程中更容易被切斷，刀具與纖維之間的相互作用相對較弱，從而降低了切削力。纖維類型還會影響切屑的形成和排出方式，進(jìn)而間接影響切削力。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在切削時(shí)，由于纖維的高強(qiáng)度和高模量，切屑往往呈短碎片狀，這些短碎片狀切屑在排出過程中容易堆積在切削區(qū)域，增加了切屑與刀具和工件之間的摩擦力，導(dǎo)致切削力進(jìn)一步增大。而玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在切削時(shí)，切屑相對較長且較易卷曲，切屑的排出相對較為順暢，減少了切屑對切削力的影響。纖維體積分?jǐn)?shù)是指復(fù)合材料中纖維所占的體積比例，它對切削力有著顯著的影響。隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料中纖維的含量增多，材料的整體強(qiáng)度和剛度提高。在切削過程中，刀具需要切削更多的高強(qiáng)度纖維，這必然導(dǎo)致切削力增大。在加工纖維體積分?jǐn)?shù)為50%的復(fù)合材料時(shí)，切削力相對較小；當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)增加到70%時(shí)，切削力會顯著上升，約為原來的1.5-2倍。這是因?yàn)槔w維體積分?jǐn)?shù)的增加使得刀具在切削過程中遇到的纖維數(shù)量增多，刀具需要克服更大的纖維阻力，從而增大了切削力。纖維體積分?jǐn)?shù)的變化還會影響復(fù)合材料的切削性能和加工表面質(zhì)量。較高的纖維體積分?jǐn)?shù)會使復(fù)合材料的切削難度增加，容易導(dǎo)致刀具磨損加劇，加工表面出現(xiàn)更多的缺陷，如毛刺、撕裂等。在實(shí)際加工中，需要根據(jù)纖維體積分?jǐn)?shù)的大小合理選擇切削參數(shù)和刀具，以降低切削力，保證加工質(zhì)量。鋪層方式是復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的重要特征，它對切削力的影響較為復(fù)雜。不同的鋪層方式會導(dǎo)致復(fù)合材料在不同方向上的力學(xué)性能差異，進(jìn)而影響切削力。在正交鋪層的復(fù)合材料中，由于纖維在兩個(gè)相互垂直的方向上分布，在切削過程中，刀具在不同方向上遇到的纖維阻力不同，切削力會呈現(xiàn)出明顯的各向異性。當(dāng)?shù)毒哐刂w維方向切削時(shí)，切削力相對較小；而當(dāng)?shù)毒叽怪庇诶w維方向切削時(shí)，切削力會顯著增大。在[0°/90°]正交鋪層的復(fù)合材料中，當(dāng)?shù)毒哐刂?°方向切削時(shí)，切削力約為沿著90°方向切削時(shí)切削力的60%-70%。鋪層順序也會對切削力產(chǎn)生影響。在不同鋪層順序的復(fù)合材料中，由于各層之間的應(yīng)力分布和變形協(xié)調(diào)情況不同，切削力也會有所變化。在[0°/45°/-45°/90°]鋪層順序和[90°/45°/-45°/0°]鋪層順序的復(fù)合材料中，雖然纖維的角度組合相同，但鋪層順序不同，在切削過程中切削力的大小和變化規(guī)律也會存在差異。這是因?yàn)殇亴禹樞虻牟煌瑫?dǎo)致各層之間的結(jié)合強(qiáng)度和力學(xué)性能的分布不同，從而影響刀具在切削過程中的受力情況。通過對復(fù)合材料特性對切削力影響的分析，可以為優(yōu)化加工工藝提供重要的依據(jù)。在選擇復(fù)合材料時(shí)，應(yīng)根據(jù)加工要求和加工工藝，合理選擇纖維類型、纖維體積分?jǐn)?shù)和鋪層方式，以降低切削力，提高加工質(zhì)量和效率。在加工碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí)，如果對加工精度和表面質(zhì)量要求較高，可以適當(dāng)降低纖維體積分?jǐn)?shù)，或者選擇鋪層方式較為合理的復(fù)合材料，以減小切削力對加工質(zhì)量的影響。在制定加工工藝時(shí)，應(yīng)