[论文解读] Investigations of Process Damping Forces in Metal Cutting

Emily Stone, Suhail Ahmed+2 more|ArXiv.org|Aug 23, 2005

Advanced machining processes and optimization参考文献 8被引用 5

一句话总结

本研究通过有限元模拟隔离刀具振动与切屑负载变化的影响，探究金属切削过程中工艺阻尼力的作用。结果表明，由于后刀面接触产生的工艺阻尼与波长相对于刀具后刀面长度的关系呈非线性，对于短刀具，阻尼与切削速度成正比；对于长刀具，阻尼与切削速度成反比，凸显几何结构与动态效应在颤振稳定性中的影响。

ABSTRACT

Using finite element software developed for metal cutting by Third Wave Systems we investigate the forces involved in chatter, a self-sustained oscillation of the cutting tool. The phenomena is decomposed into a vibrating tool cutting a flat surface work piece, and motionless tool cutting a work piece with a wavy surface. While cutting the wavy surface, the shearplane was seen to oscillate in advance of the oscillation of the depth of cut, as were the cutting, thrust, and shear plane forces. The vibrating tool was used to investigate process damping through the interaction of the relief face of the tool and the workpiece. Crushing forces are isolated and compared to the contact length between the tool and workpiece. We found that the wavelength dependence of the forces depended on the relative size of the wavelength to the length of the relief face of the tool. The results indicate that the damping force from crushing will be proportional to the cutting speed for short tools, and inversely proportional for long tools.

研究动机与目标

• 隔离并分析在金属切削再生颤振过程中，刀具后刀面接触对工艺阻尼的贡献。
• 研究动态力（切削力、进给力和剪切面力）在振荡切削中对切屑厚度变化的响应机制。
• 确定刀具后刀面长度与振荡波长对压碎力和阻尼行为的影响。
• 建立影响工艺阻尼的几何与动力因素模型，以提升机械加工颤振稳定性的预测能力。

提出的方法

• 使用Third Wave Systems公司开发的AdvantEdge软件进行有限元模拟，采用自定义工件几何形状与振动刀具模块。
• 模拟正交切削过程，通过正弦变化的工件表面诱导周期性切屑厚度变化。
• 采用振动刀具模块模拟用户设定频率与振幅的刀具振荡，以研究后刀面接触力。
• 测量并分析主切削力、进给力与剪切面力相对于切屑厚度与接触长度在下行程阶段的变化。
• 将模拟得到的力与接触长度进行对比，评估其线性关系，并识别在脱离与初始接触阶段的偏差。
• 分析波长与刀具后刀面长度之比对阻尼力趋势的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在振荡切削过程中，切削力、进给力与剪切面力如何响应切屑厚度的周期性变化？
• RQ2 切屑厚度与动态力之间的相位关系为何？为何在模拟中力的响应领先于切屑厚度？
• RQ3 刀具后刀面尺寸与振荡波长的相对大小如何影响工艺阻尼力的大小与行为特征？
• RQ4 工艺阻尼力在多大程度上与刀具后刀面与工件之间的接触长度呈线性关系？
• RQ5 阻尼行为如何随切削速度变化？这对颤振稳定性有何影响？

主要发现

• 切削力与进给力在相位上领先切屑厚度变化约90度，这是由于在达到最大切屑厚度前，切屑变形已产生早期阻力所致。
• 剪切面力与剪切面长度同样领先于切屑厚度变化，表明动态变形效应先于几何变化发生。
• 对于短刀具，工艺阻尼力与切削速度成正比；对于长刀具，阻尼力与切削速度成反比，具体取决于波长与后刀面长度的相对关系。
• 在下行程中段，力与接触长度的关系近似线性，但在接触起始与结束阶段因脱离与初始接触效应出现偏差。
• 阻尼力对波长的依赖关系呈非单调性：当后刀面相对较长时，阻尼力随波长增加而增大；当后刀面较短时，阻尼力随波长增加而减小；在中间比例时，阻尼力关系不确定。
• 后刀面与波状表面之间的几何相互作用是工艺阻尼的主要影响因素，表明稳定性模型必须考虑这种非线性、频率相关的阻尼行为。