一种普通立铣刀圆弧段切削力系数辨识方法技术

本发明专利技术公开了一种普通立铣刀圆弧段切削力系数辨识方法，属于机械机加工技术领域。所述方法包括：建立加工坐标系，对于选定的普通立铣刀，在不同加工参数的组合下进行不少于5组槽铣实验，分别记录下每组槽铣实验得到的三向平均铣削力，将实验数据带入给定算式求解出六项切削力系数的表达式，从而完成整个系数辨识过程。本发明专利技术采用以局部半径为变量的多项式来构建切削力系数表达式，准确描述铣刀圆弧段切削力系数随轴向高度不断变化的特性，对于实现铣削力预测和加工仿真具有重要意义。本发明专利技术适用于球头铣刀、圆鼻铣刀圆弧段的切削力系数辨识。

【技术实现步骤摘要】
一种普通立铣刀圆弧段切削力系数辨识方法
本专利技术涉及一种普通立铣刀圆弧段切削力系数辨识方法，特别适用于球头铣刀、圆鼻铣刀圆弧段的切削力系数辨识，对实现铣削力预测和加工仿真具有重要意义，本专利技术属于机械机加工

技术介绍
构建铣削力预测模型是实现加工仿真的基础，而铣削力计算的准确性主要依赖于切削力系数的辨识精度。对于带有圆弧段的普通立铣刀，包括球头铣刀和圆鼻铣刀，随着轴向高度不同，刀具的局部半径会发生改变，由此导致刀具圆弧段的切削力系数出现随轴向高度不断变化的特性，工程实践中常用三次多项式来表示这种变化，此时，多项式变量的选取以及系数辨识方法的构建显得尤为重要。文献1“HuangT,ZhangX,DingH.Decoupledchipthicknesscalculationmodelforcuttingforcepredictioninfive-axisball-endmilling[J].InternationalJournalofAdvancedManufacturingTechnology,2013,69(5-8):1203-1217.”公开了一种球头铣刀切削力系数的辨识方法，其主要通过构建以轴向浸润角为变量的多项式来描述切削力系数随轴向高度的变化，并通过仿真铣削力与实测铣削力的对比，验证了该方法的有效性。然而，该方法仅对球头铣刀有效，无法应用于圆鼻铣刀的切削力系数辨识当中。文献2“GeG,WuB,ZhangD,etal.Mechanisticidentificationofcuttingforcecoefficientsinbull-nosemillingprocess[J].ChineseJournalofAeronautics,2013,26(3):823-830.”公开了一种圆鼻铣刀切削力系数的辨识方法，该方法以轴向高度为变量的多项式来构建系数表达式。然而，该方法只在实验切深范围内有效，并不能得到整个刀具圆弧段的切削力系数。
技术实现思路
为了准确描述铣刀圆弧段切削力系数随轴向高度不断变化的特性，提高铣削力模型的预测精度，本专利技术提供了一种普通立铣刀圆弧段切削力系数辨识方法。本专利技术是通过如下技术方案实现的。一种普通立铣刀圆弧段切削力系数辨识方法，其特征在于该方法包括如下步骤：1)选定普通立铣刀的刀具半径R0、圆角半径r、刀齿数Nf和螺旋角β，确定工件材料，设定加工坐标系O-XYZ，其中原点O位于刀尖点，X轴对应刀具进给方向，Z轴沿着刀轴矢量竖直向上，Y轴根据右手定则确定，在不同主轴转速n、轴向切削深度ap、每齿进给量ft的加工参数组合下进行M组槽铣实验，并且M≥5，记录每组槽铣实验得到的沿三个坐标轴方向的平均铣削力和其中m＝1,2,…,M；其中，槽铣实验的实施步骤为：将长方体工件固定在三向测力仪上，并将三向测力仪固定在机床的工作台上；按照对应的加工参数使刀具沿直线从工件的一侧运动到另一侧，完成一次走刀；用三向测力仪记录走刀过程中产生的X、Y、Z三个方向的瞬时铣削力，分别求和取平均，得到X、Y、Z三个方向的平均铣削力和2)根据下式计算出15个过渡参数K1,K2,…,K15：将此方程简写为其中，[a]是一个常数矩阵，i＝0,1,2,3；然后，利用计算出的15个过渡参数，得到六个切削力系数的表达式：其中，Ktc、Krc、Kac为三个剪切力系数，Kte、Kre、Kae为三个犁切力系数，R(z)为刀具圆弧段沿Z轴方向高度为z时的局部半径，表示为：上述技术方案中，步骤2)所述常数矩阵的各元素由下式计算得到：a3m-2,3i+1＝C3A1ift/φp；a3m-2,3i+2＝(C2-C1)A2ift/φp；a3m-2,3i+3＝(C2-C1)A3ift/φp；a3m-2,13＝-C4B1/φp；a3m-2,14＝C5B2/φp；a3m-2,15＝C5B3/φp；a3m-1,3i+1＝(C1-C2)A1ift/φp；a3m-1,3i+2＝C3A2ift/φp；a3m-1,3i+3＝C3A3ift/φp；a3m-1,13＝-C5B1/φp；a3m-1,14＝-C4B2/φp；a3m-1,15＝-C4B3/φp；a3m,3i+1＝0；a3m,3i+2＝-C5A3ift/φp；a3m,3i+3＝C5A2ift/φp；a3m,13＝0；a3m,14＝2C1B3/φp；a3m,15＝-2C1B2/φp；其中，φp为刀具的齿距角，表示为：φp＝2π/Nf；A1i、A2i、A3i、B1、B2、B3、C1、C2、C3、C4、C5由下式计算得到：C1＝(φex-φst)/2；C2＝(sin2φex-sin2φst)/4；C3＝(cos2φex-cos2φst)/4；C4＝sinφex-sinφst；C5＝cosφex-cosφst；其中，κ(z)为轴向浸润角，表示为：κ(z)＝arccos(1-z/r)；R′(z)表示R(z)对z求一阶导数；φst和φex分别为刀具的切入角和切出角，在槽铣实验中φst＝0且φex＝π。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点及突出性技术效果：本专利技术充分考虑了普通立铣刀圆弧段切削力系数随轴向高度变化的特性，通过以局部半径为变量的三次多项式构建系数表达式，计算结果与现有技术相比更为准确，特别适用于球头铣刀、圆鼻铣刀圆弧段的切削力系数辨识，具有广阔的应用前景。同时，对于铣削力预测和加工仿真具有重要意义。附图说明图1是带有圆弧段的普通立铣刀几何特征示意图。图2是球头铣刀切削力仿真与实测结果对比图。图3是圆鼻铣刀切削力仿真与实测结果对比图。附图标记：1—球头铣刀；2—圆鼻铣刀。具体实施方式下面结合附图及实施例对本专利技术做进一步的说明。图1为带有圆弧段的普通立铣刀几何特征示意图，P为刀具圆弧段切削刃上的任意一点，P点的轴向高度为z，则其对应的轴向浸润角和局部半径分别为R(z)和κ(z)。通过对比刀具半径R0和圆角半径r的大小，对普通立铣刀的刀具类型进行区分，当r＝R0时为球头铣刀；当0<r<R0时为圆鼻铣刀。本专利技术提供的一种普通立铣刀圆弧段切削力系数辨识方法首先建立加工坐标系；然后，对于选定的普通立铣刀，在不同加工参数的组合下进行不少于5组槽铣实验，分别记录下每组槽铣实验得到的三向平均铣削力；最后，将实验数据带入给定算式求解出六项切削力系数的表达式，进而完成整个系数辨识过程。本专利技术充分考虑了普通立铣刀圆弧段切削力系数随轴向高度变化的特性，通过以局部半径为变量的三次多项式构建系数表达式，计算结果与现有技术相比更为准确，特别适用于球头铣刀、圆鼻铣刀圆弧段的切削力系数辨识，具有广阔的应用前景。同时，对于铣削力预测和加工仿真具有重要意义。其具体实施步骤如下：1)选定普通立铣刀的刀具半径R0、圆角半径r、刀齿数Nf和螺旋角β，确定工件材料，设定加工坐标系O-XYZ，其中原点O位于刀尖点，X轴对应刀具进给方向，Z轴沿着刀轴矢量竖直向上，Y轴根据右手定则确定，在不同主轴转速n、轴向切削深度ap、每齿进给量ft的加工参数组合下进行M组槽铣实验，并且M≥5，记录每组槽铣实验得到的沿三个坐标轴方向的平均铣削力和其中m＝1,2,…,M；其中，槽铣实验的实施步骤为：将长方体工件固定在三向测力仪上本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种普通立铣刀圆弧段切削力系数辨识方法，其特征在于该方法包括如下步骤：1)选定普通立铣刀的刀具半径R0、圆角半径r、刀齿数Nf和螺旋角β，确定工件材料，设定加工坐标系O‑XYZ，其中原点O位于刀尖点，X轴对应刀具进给方向，Z轴沿着刀轴矢量竖直向上，Y轴根据右手定则确定，在不同主轴转速n、轴向切削深度ap、每齿进给量ft的加工参数组合下进行M组槽铣实验，并且M≥5，记录每组槽铣实验得到的沿三个坐标轴方向的平均铣削力

【技术特征摘要】
1.一种普通立铣刀圆弧段切削力系数辨识方法，其特征在于该方法包括如下步骤：1)选定普通立铣刀的刀具半径R0、圆角半径r、刀齿数Nf和螺旋角β，确定工件材料，设定加工坐标系O-XYZ，其中原点O位于刀尖点，X轴对应刀具进给方向，Z轴沿着刀轴矢量竖直向上，Y轴根据右手定则确定，在不同主轴转速n、轴向切削深度ap、每齿进给量ft的加工参数组合下进行M组槽铣实验，并且M≥5，记录每组槽铣实验得到的沿三个坐标轴方向的平均铣削力和其中m＝1,2,…,M；2)根据下式计算出15个过渡参数K1,K2,…,K15：将此方程简写为其中，[a]是一个常数矩阵，i＝0,1,2,3；然后，利用计算出的15个过渡参数，得到六个切削力系数的表达式：其中，Ktc、Krc、Kac为三个剪切力系数，Kte、Kre、Kae为三个犁切力系数，R(z)为刀具圆弧段沿Z轴方向高度为z时的局部半径，表示为：2.根据权利要求1所述的一种普通立铣刀圆弧段切削力系数辨识方法，其特征在于，所述步骤1)中的槽铣实验包括如下步骤：1)将长方体工件固定在三向测力仪上，并将三向测力仪固定在机床的工作台上；2)按照对应的加工参数使刀具沿直线从工件的一侧运动到另一侧，完成一次走刀；3)三向测力仪记录走刀过程中产生的X、Y、Z三个方向的瞬时铣削力，分别求和取平均，得到X、Y、Z三个方向的平均铣削力。3.根据权利要求1所述的一种普通立铣刀圆弧段切削力系数辨识方法，其特征在于，所述步骤2)中常数矩阵的各元素由下式计算得到：a3m-2,3i+1＝C3A1ift/φp；a3m-2,3i+2＝(C2-C1)A2ift/φp；a3m-2...

【专利技术属性】
技术研发人员：王立平，佀昊，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11