一种考虑刀具齿间角、螺旋角及偏心的铣削力预测方法技术

本发明专利技术属于金属加工过程中的切削力预测相关技术领域，其公开了一种考虑刀具齿间角、螺旋角及偏心的铣削力预测方法，其包括以下步骤：(1)确定工件物理参数、刀具几何参数及工艺加工参数；(2)将刀具参与切削的区域划分为多段切削微元，并计算任意时刻切削微元的刀具角度位置；(3)计算切削微元的实际每齿进给和瞬时动态切厚；(4)计算剪切流动应力及剪切力系数和刃口力系数；(5)计算切削微元在刀具切向、径向及轴向的切削微元力，并通过笛卡尔坐标系转换到机床坐标系的X轴、Y轴及Z轴上；(6)对每条切削刃上起到切削作用的所有切削微元力进行积分求和，以得到任意时刻的三向铣削动态切削力。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑刀具齿间角、螺旋角及偏心的铣削力预测方法
本专利技术属于金属加工过程中的铣削力预测相关
，更具体地，涉及一种考虑刀具齿间角、螺旋角及偏心的铣削力预测方法。
技术介绍
立铣加工主要是利用刀具底刃和圆周侧刃来去除待加工零件表面多余的材料，由于其去除材料效率高而被广泛应用在航空航天等高端领域的零部件制造中。为了满足零部件对加工效率和加工精度的要求，具有特殊结构的铣刀(如仿形刀、变齿距铣刀)等逐渐被应用于工业生产中。其中，变齿距铣刀具有减弱切削颤振、改善加工表面质量、延长刀具使用寿命和提高加工效率的作用，而铣削力是研究刀具磨损、切削颤振和加工质量的基本依据，因此，能够高效精确预测变齿距铣刀的铣削力对铣削工艺至关重要。目前，本领域相关技术人员已经做了一些研究，如文献“Budak,E.,Y.Altintas,andE.J.A.Armarego."Predictionofmillingforcecoefficientsfromorthogonalcuttingdata."JournalofManufacturingScienceandEngineering118.2(1996):216-224.”公开了采用大量的正交车削实验建立切削数据库，然后对模型中的剪切角、摩擦角和剪切应力进行标定，该方法需要进行大量的切削实验，实验成本高，而且刀具几何形状一旦发生改变就需要重新进行标定；又如文献“Wan,Min,etal."Aunifiedinstantaneouscuttingforcemodelforflatendmillswithvariablegeometries."JournalofMaterialsProcessingTechnology214.3(2014):641-650.”公开了一种平底铣刀通用铣削力建模方法，该方法采用两组铣削实验对剪切角、摩擦角和剪切应力等物理参数进行标定，虽然实验次数和实验成本降低，但仍然存在重新实验标定过程。综上所述，现有的切削力预测方法大都将切削力系数中所包含的剪切角、摩擦角和剪切应力等物理参数采用实验标定方法获得，刀具几何形状参数如刀具齿间角和螺旋角的改变需要重新进行实验标定，成本较高，效率较低。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种考虑刀具齿间角、螺旋角及偏心的铣削力预测方法，其基于铣削加工的特点，针对铣削力的预测进行了设计。所述铣削力预测方法同时考虑了刀具齿间角、刀具螺旋角及刀具偏心，首先将铣刀沿轴向划分为一系列切削微元，然后基于非等宽剪切区域模型计算主剪切区域内应变、应变率和温度的分布，接着代入Johnson-Cook流动应力模型计算剪切平面的剪切应力，采用基于微元等效平面方法计算剪切角、摩擦角和切屑流角，代入直角-斜角转化公式来计算剪切力系数和切削微元剪切力；同时采用滑移线场模型计算切削微元刃口与工件的微元摩擦力，通过叠加切削微元剪切力与刃口力并进行笛卡尔坐标系转换以得到机床坐标系下的铣削微元力，最后对加工过程中所有起切削作用的切削微元铣削力进行积分求和即可得到任意时刻的铣削三向力，该铣削力预测方法避免因刀具参数改变而需要重新实验标定的问题，其降低了成本，提高了效率，且具有较高的准确性。为实现上述目的，本专利技术提供了一种考虑刀具齿间角、螺旋角及偏心的铣削力预测方法，其包括以下步骤：(1)确定工件物理参数、刀具几何参数及工艺加工参数，所述刀具几何参数包括螺旋角及齿间角；所述工艺加工参数包括偏心距离及偏心角度；(2)将刀具参与切削的区域划分为多段切削微元，并计算任意时刻切削微元的刀具角度位置；(3)在考虑刀具齿间角、刀具螺旋角及刀具偏心的情况下，计算切削微元的实际每齿进给和瞬时动态切厚；(4)计算剪切流动应力及剪切力系数和刃口力系数；(5)计算切削微元在刀具切向、径向及轴向的切削微元力，并通过笛卡尔坐标系转换将切削微元在刀具切向、径向及轴向的切削微元力转化到机床坐标系的X轴、Y轴及Z轴上；(6)对每条切削刃上起到切削作用的所有切削微元力进行积分求和，以得到任意时刻的三向铣削动态切削力。进一步的，任意时刻切削微元的刀具角度位置由以下公式计算获得：式中n为主轴转速；φ0为参考切削刃i＝1在刀具底部的初始角度位置；ψi,j＝jdztanβi/R为切削微元[i,j]相对于刀具底部的径向滞后角，βi为第i条切削刃的螺旋角；φpi表示为在刀具底部第i条切削刃与第i-1条切削刃间的齿间角。进一步的，切削微元的实际每齿进给由以下公式联合计算获得：式中，βi为第i条切削刃的螺旋角，fz为名义进给，N为切削刃数，φpi,j为切削微元[i,j]与切削微元[i-1,j]的齿间角。进一步的，所述偏心距离及所述偏心角度是采用激光位移传感器检测得到的。进一步的，切削微元在刀具偏心下的实际瞬时动态切厚由以下公式联合计算获得：式中Ri,j和R分别为切削微元[i,j]的实际有效切削半径和刀具半径，mi,j表示当前切削微元[i,j]切削的是之前第mi,j个切削微元留下的材料。进一步的，所述剪切流动应力是采用基于非等宽剪切区域模型和Johnson-Cook流动应力模型计算获得的。进一步的，所述剪切力系数是采用基于微元等效平面法和直角-斜角转换公式来计算获得的。进一步的，所述刃口力系数是基于滑移线场分析模型计算获得的。进一步的，所述切削微元在刀具切向、径向及轴向的切削微元力是采用主剪切区域剪切力与第三摩擦区域刃口力叠加的方法计算获得的。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，本专利技术提供的考虑刀具齿间角、螺旋角及偏心的铣削力预测方法，其同时考虑了刀具齿间角、刀具螺旋角及刀具偏心，首先将铣刀沿轴向划分为一系列切削微元，然后基于非等宽剪切区域模型计算主剪切区域内应变、应变率和温度的分布，接着代入Johnson-Cook流动应力模型计算剪切平面的剪切应力，采用基于微元等效平面方法计算剪切角、摩擦角和切屑流角，代入直角-斜角转化公式来计算剪切力系数和切削微元剪切力；同时采用滑移线场模型计算第三摩擦区域切削微元刃口与工件的微元摩擦力，通过叠加切削微元剪切力与刃口力并进行笛卡尔坐标系转换以得到机床坐标系下的铣削微元力，最后对加工过程中所有起切削作用的切削微元铣削力进行积分求和即可得到任意时刻的铣削三向力，该铣削力预测方法避免因刀具参数改变而需要重新实验标定的问题，其降低了成本，提高了效率，且具有较高的准确性。附图说明图1是本专利技术较佳实施方式提供的考虑刀具齿间角、螺旋角及偏心的铣削力预测方法的流程示意图。图2是图1中的考虑刀具齿间角、螺旋角及偏心的铣削力预测方法涉及的铣削示意图。图3是采用图1中的考虑刀具齿间角、螺旋角及偏心的铣削力预测方法对变齿间角及变螺旋角刀具的铣削力的预测值与实验值的对比示意图。图4是采用图1中的考虑刀具齿间角、螺旋角及偏心的铣削力预测方法对变齿间角刀具的铣削力的预测值与实验值的对比示意图。图5是采用图1中的考虑刀具齿间角、螺旋角及偏心的铣削力预测方法对变螺旋角刀具的铣削力的预测值与实验值的对比示意图。图6是采用图1中的考虑刀具齿间角、螺旋角及偏心的铣削力预测方法对常规刀具的铣削力的预测值与实验值的对比示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种考虑刀具齿间角、螺旋角及偏心的铣削力预测方法，其包括以下步骤：(1)确定工件物理参数、刀具几何参数及工艺加工参数，所述刀具几何参数包括螺旋角及齿间角；所述工艺加工参数包括偏心距离及偏心角度；(2)将刀具参与切削的区域划分为多段切削微元，并计算任意时刻切削微元的刀具角度位置；(3)在考虑刀具齿间角、刀具螺旋角及刀具偏心的情况下，计算切削微元的实际每齿进给和瞬时动态切厚；(4)计算剪切流动应力及剪切力系数和刃口力系数；(5)计算切削微元在刀具切向、径向及轴向的切削微元力，并通过笛卡尔坐标系转换将切削微元在刀具切向、径向及轴向的切削微元力转化到机床坐标系的X轴、Y轴及Z轴上；(6)对每条切削刃上起到切削作用的所有切削微元力进行积分求和，以得到任意时刻的三向铣削动态切削力。

【技术特征摘要】
1.一种考虑刀具齿间角、螺旋角及偏心的铣削力预测方法，其包括以下步骤：(1)确定工件物理参数、刀具几何参数及工艺加工参数，所述刀具几何参数包括螺旋角及齿间角；所述工艺加工参数包括偏心距离及偏心角度；(2)将刀具参与切削的区域划分为多段切削微元，并计算任意时刻切削微元的刀具角度位置；(3)在考虑刀具齿间角、刀具螺旋角及刀具偏心的情况下，计算切削微元的实际每齿进给和瞬时动态切厚；(4)计算剪切流动应力及剪切力系数和刃口力系数；(5)计算切削微元在刀具切向、径向及轴向的切削微元力，并通过笛卡尔坐标系转换将切削微元在刀具切向、径向及轴向的切削微元力转化到机床坐标系的X轴、Y轴及Z轴上；(6)对每条切削刃上起到切削作用的所有切削微元力进行积分求和，以得到任意时刻的三向铣削动态切削力。2.如权利要求1所述的考虑刀具齿间角、螺旋角及偏心的铣削力预测方法，其特征在于：任意时刻切削微元的刀具角度位置由以下公式计算获得：式中n为主轴转速；φ0为参考切削刃i＝1在刀具底部的初始角度位置；ψi,j＝jdztanβi/R为切削微元[i,j]相对于刀具底部的径向滞后角，βi为第i条切削刃的螺旋角；φpi表示为在刀具底部第i条切削刃与第i-1条切削刃间的齿间角。3.如权利要求2所述的考虑刀具齿间角、螺旋角及偏心的铣削力预测方法，其特征在于：切削微元的实际每齿进给由以下公式联合计算获得：

【专利技术属性】
技术研发人员：张小俭，陈丁，丁汉，解亚昆，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42