一种球头铣刀多轴铣削钛合金铣削力预测方法技术

本发明专利技术公开了一种球头铣刀多轴铣削钛合金铣削力预测方法，基于三轴球头铣刀的力学模型，建立考虑刀具倾斜角的对切入角和切出角的影响建立多轴铣削力模型，然后进行切削实验，根据测得不同进给速度下切削力，采用线性回归识别切削力系数，并仿真分析加工参数与刀具几何参数对切削力的影响，为优化多轴铣削加工工艺方法提供了一定的理论基础。

【技术实现步骤摘要】
一种球头铣刀多轴铣削钛合金铣削力预测方法
本专利技术涉及金属材料机加工领域，具体涉及一种球头铣刀多轴铣削钛合金铣削力预测方法。
技术介绍
铣削加工是零件表面成形的主要方法之一，随着数控技术持续不断的发展，被广泛的应用到复杂曲面的机械加工中。球头铣刀广泛应用于多轴精加工曲面由于其更好的适应性，并且刀具的方向对铣削加工过程和工件表面质量有显著影响。表面完整性好的零件对其疲劳性能，耐腐蚀性、稳定性和可靠性起着重要作用。钛合金的性能优异性使其广泛应用于在航空、航天等领域，但是，相对于其他材料，钛合金具有较差的切削加工性，在一定程度上影响其在航空航天制造业中的应用。钛合金难加工的主要影响因素有：切削温度高、切削散热差、粘刀现象严重等。而切削加工中的切削力对切削过程中的产生的热量，刀具的磨损，加工系统的振动起着决定性的作用，因此准确的预测切削力在切削加工中显得尤为重要。
技术实现思路
随着钛合金的广泛应用，国内外学者对钛合金的加工性进行了大量的研究，本专利技术基于三轴球头铣刀的力学模型，提出一种考虑刀具倾斜角的对切入角和切出角的影响建立多轴铣削力方法，然后根据平均切削力方法识别切削力系数，并仿真分析加工参数与刀具几何参数对切削力的影响，为优化多轴铣削加工工艺方法提供了一定的理论基础。本专利技术通过以下技术方案实现：一种球头铣刀多轴铣削钛合金铣削力预测方法，包括以下步骤：步骤1：通过分析球头铣刀的空间几何参数关系，在刀具坐标系下建立刀具参数的几何关系；步骤2：考虑刀具倾斜角的影响，通过传递矩阵建立工件坐标系与步骤1所述刀具坐标系的几何关系；步骤3：在考虑剪切力和犁切力双重效应的基础上建立球头铣刀铣削力模型，针对刀具每个切削微元受力分析，建立在刀具坐标系下刀具径向、轴向、切向力学方程；步骤4：根据刀具和和工件几何投影计算轴向切入角与切出角并对切削深度与径向切削宽度对切入角与切出角影响仿真分析；步骤5：通过近似运算确定刀具位置角ku与kl上下边界；步骤6：通过切削实验，根据测得不同进给速度下切削力，采用线性回归识别刀具与工件的切削力系数；步骤7：根据已建立球头铣刀切削力的铣削力模型，通过修改不同的切削参数，得到不同的切削力仿真图像，进而进行分析对比。优选地，具体包括如下步骤：步骤1：首先分析球头铣刀的空间几何参数关系，通过旋转机床坐标系Z轴旋转得到刀具坐标系(Xc，Yc，Zc)，Xc指向刀刃曲线的切线方向，原点为球头铣刀顶点；假设P点是切削刃上一点，C点是球头铣刀刀头球心，则直线PC与Z轴负方向之间的夹角k定义为点P的位置角或轴向切深角：其中R0为球头铣刀半径，R(z)为局部半径，通过下式所得：Xc轴与OP在XOY平面内的夹角ψ定义为P点滞后角，则在刀具坐标系下P点的坐标Zc可以表示为：Zc＝R0(1-cosk)(3)当点P在球头铣刀的第j个切削刃上时，其Y轴方向的角位置可以表示如下：径向滞为连接P点与(0,0,z)点的直线与切削刃底部的切线之间的夹角，滞后角ψ(v)取决于螺旋角，通过下式计算：式中：i0——铣刀球面部分与圆柱部分交界处的螺旋角；切深角φj(v)为螺旋槽j的切削刃上一点的角位移，从U轴开始测量，计算公式如下：φj(v)＝φ+(j-1)φp-ψ(v)(5)式中：φ——铣刀底部定点处的切深角；φp——刀具齿间角；步骤2：分别建立机床坐标系(X，Y，Z)、工件坐标系(Xw，Yw，Zw)和加工坐标系(FCN)，并定义铣刀轴线绕纵向进给轴Zc转过的角度为前倾角l，铣刀轴线绕进给轴Xw转过的角度为倾角t；其中，机床坐标系(X，Y，Z)作为全局坐标存在，工件坐标系(Xw，Yw，Zw)是一个固定的直角坐标系，加工坐标系(FCN)中F、C、N三个方向分别为进给方向、纵向进给方向、工件表面法线方向；根据上述定义的坐标系，通过传递矩阵T把刀具Xc，Yc，Zc坐标系中的切削力转换到Xw，Yw，Zw坐标系中，如式(7)所示：步骤31：在考虑剪切力和犁切力双重效应的基础上建立球头铣刀铣削力模型，每个边缘韧点上的微元切削力可以通过下式计算：式中，dS——切削刃微元；db——切屑厚度微元；tn——未切削处切削厚度；Kte，Kre，Kae——边缘效应系数；Kts，Krs，Kas——剪切效应系数；步骤32：将步骤31所述各参数带入切削力计算公式后可得到在坐标系C下：Xc，Yc，Zc下的个方向上的单元切削力：其中Txyz为坐标系变换矩阵如下：步骤33：通过刀具坐标系与工件坐标系的变换矩阵Tx，yz可以得到在工件坐标系下测得的切削力值：加和所有参与切削的切削刃单元受力，考虑不同切削刃的作用，得到在工件坐标系Xw，Yw，Zw下的球头铣刀总切削力()：步骤4：根据轴向切入角与切出角的具体位置，得到切入角与切出角的具体计算关系：当ae≤R时，当ae＞R时，其中，R是刀头半径；α是球头加工时铣刀倾斜角；ap是轴向切削深度；ae是径向切削深度；在直角三角形中，∠AOB能能从AB/计算得到，直线OA＝R-ap；直线AB是点B和工件表面垂直平面之间的距离，如图2(b)所示。球头铣刀加工过程中，刀具工件接触区是一个圆形曲面，半径为AB由下列式子计算得到：最后用式(19)与(20)带入到等式(16-18)中，即可以得到轴向切入角与切出角步骤5：通过以下公式运算确定A与点B点的极限轴向位置角ku与kl：由于径向切削深度ae相对于刀具直径来说非常小，因此切削力计算式中的ku与kl应该是两个恒定的数值，所以任意切削点的两个位置角边界值θmin与θmax可以估计计算如下：步骤6：以钛合金平板为铣削加工对象，以硬质合金球头铣刀为刀具，采用数控龙门铣床进行槽钛合金板，工件放置在测力仪上，两端用压块压紧固定，测力仪放置在铣床加工平台上，以六个不同的进给量(f1-f2-f3-f4-f5-f6)mm/tooth，主轴转速V(rpm)，轴向切深ap(mm)进行铣削实验；根据不同进给量测得铣削力数值，采用线性回归，识别出球头铣刀和钛合金下的切削力系数Ktc和Krc；步骤7：根据已建立球头铣刀切削力的铣削力模型，通过修改不同的切削参数，可以得到不同的切削力仿真图像，进而进行分析对比，进行参数优化。其中，所述步骤1中φp的计算公式下：式中：n——刀齿数。其中，步骤S2中的T由下式求解所得：其中，所述dS和db可以表示如下：tn计算方式如下式：tn＝txsin(k)sin(θj),klow＜k＜kup(11)其中，tx——进给量；k——任一点在球头的位置角；θj——是任一点角位置。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：1.针对多轴铣削钛合金的铣削力难以建模预测的难题，基于三轴球头铣刀的力学模型，建立考虑刀具倾斜角的对切入角和切出角的影响建立多轴铣削力模型，2.根据切削实验测得不同进给速度下切削力，采用线性回归识别切削力系数，并仿真分析加工参数与刀具几何参数对切削力的影响，为优化多轴铣削加工工艺方法提供了一定的理论基础。3.通过仿真分析切削参数和刀具的几何条件的切削力影响，发现进给速度对切削力有显著的影响，而刀具螺旋角影响最小，同时发现随着倾角的减小，铣削力变大。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为本专利技术球头铣刀几本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种球头铣刀多轴铣削钛合金铣削力预测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：通过分析球头铣刀的空间几何参数关系，在刀具坐标系下建立刀具参数的几何关系；步骤2：考虑刀具倾斜角的影响，通过传递矩阵建立工件坐标系与步骤1所述刀具坐标系的几何关系；步骤3：在考虑剪切力和犁切力双重效应的基础上建立球头铣刀铣削力模型，针对刀具每个切削微元受力分析，建立在刀具坐标系下刀具径向、轴向、切向力学方程；步骤4：根据刀具和和工件几何投影计算轴向切入角

【技术特征摘要】
1.一种球头铣刀多轴铣削钛合金铣削力预测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：通过分析球头铣刀的空间几何参数关系，在刀具坐标系下建立刀具参数的几何关系；步骤2：考虑刀具倾斜角的影响，通过传递矩阵建立工件坐标系与步骤1所述刀具坐标系的几何关系；步骤3：在考虑剪切力和犁切力双重效应的基础上建立球头铣刀铣削力模型，针对刀具每个切削微元受力分析，建立在刀具坐标系下刀具径向、轴向、切向力学方程；步骤4：根据刀具和和工件几何投影计算轴向切入角与切出角并对切削深度与径向切削宽度对切入角与切出角影响仿真分析；步骤5：通过近似运算确定刀具位置角ku与kl上下边界；步骤6：通过切削实验，根据测得不同进给速度下切削力，采用线性回归识别刀具与工件的切削力系数；步骤7：根据已建立球头铣刀切削力的铣削力模型，通过修改不同的切削参数，得到不同的切削力仿真图像，进而进行分析对比。2.如权利要求1所述的一种球头铣刀多轴铣削钛合金铣削力预测方法，其特征在于，具体包括如下步骤：步骤1：首先分析球头铣刀的空间几何参数关系，通过旋转机床坐标系Z轴旋转得到刀具坐标系(Xc，Yc，Zc)，Xc指向刀刃曲线的切线方向，原点为球头铣刀顶点；假设P点是切削刃上一点，C点是球头铣刀刀头球心，则直线PC与Z轴负方向之间的夹角k定义为点P的位置角或轴向切深角：其中R0为球头铣刀半径，R(z)为局部半径，通过下式所得：Xc轴与OP在XOY平面内的夹角ψ定义为P点滞后角，则在刀具坐标系下P点的坐标Zc可以表示为：Zc＝R0(1-cosk)(3)当点P在球头铣刀的第j个切削刃上时，其Y轴方向的角位置可以表示如下：径向滞为连接P点与(0,0,z)点的直线与切削刃底部的切线之间的夹角，滞后角ψ(v)取决于螺旋角，通过下式计算：式中：i0——铣刀球面部分与圆柱部分交界处的螺旋角；切深角φj(v)为螺旋槽j的切削刃上一点的角位移，从U轴开始测量，计算公式如下：φj(v)＝φ+(j-1)φp-ψ(v)(5)式中：φ——铣刀底部定点处的切深角；φp——刀具齿间角；步骤2：分别建立机床坐标系(X，Y，Z)、工件坐标系(Xw，Yw，Zw)和加工坐标系(FCN)，并定义铣刀轴线绕纵向进给轴Zc转过的角度为前倾角l，铣刀轴线绕进给轴Xw转过的角度为倾角t；其中，机床坐标系(X，Y，Z)作为全局坐标存在，工件坐标系(Xw，Yw，Zw)是一个固定的直角坐标系，加工坐标系(FCN)中F、C、N三个方向分别为进给方向、纵向进给方向、工件表面法线方向；根据上述定义的坐标系，通过传递矩阵T把刀具Xc，Yc，Zc坐标系中的切削力转换到Xw，Yw，Zw坐标系中，如式(7)所示：步骤31：在考虑剪切力和犁切力双重效应的基础上建立球头铣刀铣削力模型，每个边缘韧点上的微元切削力可以通过下式计算：式中，dS——切削刃微元；db——切屑厚度微元；tn——未切削处切削厚度；Kte，Kre，Kae——边缘效应系数；Kts，Krs，Kas——剪切效应系数；步骤32：将步骤31所述各参数带入切削力计算公式后可得到在坐标系C下：Xc，Yc，Zc下的个方向上的单元切削力：其中Txyz为坐标系变换矩阵如下：步骤33：通过刀具坐标系与工件坐标系的变换矩阵T’xyz可以得到在工件坐标系下测得的切削力值：加和所有参与切削的切削刃单元受力，考虑不同切削刃的作用，得到在工件坐标系Xw，Yw，Zw下的球头...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宝光，王伟，李玲，邱保强，沈辉，李宗周，张娟娟，刘图远，张永康，邵劲力，胡宗文，
申请(专利权)人：上海复合材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31