一种考虑刃口效应的倒棱圆形车刀切削力精确预测方法技术

本发明专利技术提供一种考虑刃口效应的倒棱圆形车刀切削力精确预测方法，将切削刃离散化处理，把未变形切削区域划分为两个部分，分别计算每个切削区域中每个切削刃微元的未变形切屑厚度；计算每个切削刃微元的剪切力系数；设刃口力系数与剪切应力和倒棱长度成线性关系，利用试验数据，推导针对圆形车刀的刃口力系数线性常数项的标定方程，计算刃口力系数；计算每个切屑刃微元的切削力，并沿着切屑刃积分，得到整体的切削力。本发明专利技术通过将圆形车刀离散为多个微元，分析每个微元的局部参数，考虑倒棱刃口的刃口力，预测每个切削刃微元的切削力并沿着切削刃积分得到整体的切削力，从而为圆形倒棱车刀的高效高精加工过程控制提供指导。

An accurate prediction method for cutting force of chamfering circular turning tool considering edge effect

The present invention provides accurate prediction method considering the edge effect of chamfering circular cutter cutting force, the cutting edge discretization, the undeformed chip area is divided into two parts, respectively, calculated for each cutting edge element of each cutting area of the undeformed chip thickness; shear force coefficient calculation of each cutting edge element design; blade force coefficient and shear stress and chamfer length of a linear relationship between the use of test data, calibration equations for circular cutter blade linear constant force coefficient, calculation of blade force coefficient; cutting force calculation of each cutting edge element, and along the cutting edge points, cutting force overall. The circular cutter for a plurality of discrete element analysis, local parameters of each element, considering the chamfered edge cutting force, cutting force prediction of each element along the cutting edge and cutting edge points of cutting force of the whole, so as to provide guidance for high precision machining circular chamfering tool control.

【技术实现步骤摘要】
一种考虑刃口效应的倒棱圆形车刀切削力精确预测方法
本专利技术属于金属高效高精切削加工
，具体涉及一种考虑刃口效应的倒棱圆形车刀切削力精确预测方法。
技术介绍
对于金属切削加工而言，切削力是后续研究切削热、刀具磨损以及表面完整性的基础，在切削加工中处于至关重要的地位。目前，在车削领域中，对于常规的菱形车刀和三角形车刀的研究以及圆形刀具刃口的研究已经比较成熟，但是圆形车刀由于其复杂的切削域形状，研究还不多，尤其是对于倒棱刃口的刀具而言。圆形陶瓷车刀在高速切削工况下的应用越来越普遍，它具有高抗磨损的特性。倒棱刃口的刀具由于其强度在高速切削硬化材料的情况下也是普遍应用的。不只在车削中，在铣削的过程中，圆形倒棱刀的应用也很普遍。具体而言，圆形倒棱车刀由于其抗磨损、强度高的特点，在切削加工中应用广泛，但是又由于形状的复杂性，对于其切削力的预测还需要加强，以便于更好地服务于加工过程预测。目前，有学者已经提出了一些切削力预测的相关研究方法，例如李炳林(“Analyticalpredictionofcuttingforcesinorthogonalcuttingusingunequaldivisionshear-zonemodel”，2011，54(5-8):431-443)在研究中提出了通过不等分剪切模型预测剪切区的应变、应力和温度的分布，进而计算出主剪切面的剪切应力。AbdelmoneimME(“Tooledgeroundnessandstablebuild-upformationinfinishmachining”，1974，6(4):1258-1267.)提出了关于圆形刃口的刃口力系数分析模型，但是这并不适用于倒棱刃口，尤其是对于几何关系较为复杂的圆形车刀，因而如今对于圆形车刀的切削力预测不够全面，这直接降低了对圆形车刀车削过程的检测，降低了对零件质量的可预测性。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：提供一种考虑刃口效应的倒棱圆形车刀切削力精确预测方法。本专利技术为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种考虑刃口效应的倒棱圆形车刀切削力精确预测方法，其特征在于：它包括以下步骤：S1、参数输入：输入车削加工切削参数、圆形车刀几何参数和性能参数，包括刀具半径r、前角αn、切削深度d、切削速度V、每齿进给f；S2、将切削刃离散化处理，把未变形切削区域划分为两个部分，分别计算每个切削区域中每个切削刃微元的未变形切屑厚度；S3、通过已有公式和文献参数与圆形车刀的几何形状相结合，计算每个切削刃微元的剪切力系数；S4、设刃口力系数与剪切应力和倒棱长度成线性关系，利用试验数据，推导针对圆形车刀的刃口力系数线性常数项的标定方程，计算刃口力系数；S5、计算每个切屑刃微元的切削力，并沿着切屑刃积分，得到整体的切削力。按上述方案，所述的S2中，通过切削域起始点的浸入角φst、切削域终止点的浸入角φex和切削域分区点的浸入角φmid将未变形切削区域划分为两个部分，得到第j个微元对应的未变形切屑厚度hj为：其中fc＝fcos(αn)，式中，；为第j个微元对应的浸入角；la为沿着进给方向，切入点到刀具中心的距离；fc为每齿进给量在前刀面的投影；；为切削刃微元与相邻刀具中心位置的夹角；ap为切削深度；为法向前角，通过坐标变换计算得到。按上述方案，所述的S3剪切力系数由以下公式计算得到：式中，Ktc、Kfc、Krc分别是切削速度方向、径向、切向的切削力系数；为剪切应力，利用不等分剪切模型求得；为法向剪切角，为法向摩擦角，通过最小能量法则的方程迭代求得；全局切屑流方向通过假设微元之间的相互作用力之和为0求得；为每个切削刃微元对应的刃倾角，为法向前角，通过坐标变换计算得到；为第j个微元的切屑流角。按上述方案，所述的S4针对圆形车刀的刃口力系数线性常数项的标定方程如下：其中dj是切削刃微元的切削宽度；dφs为切削刃离散化时的角度微元；xt、xf、xr分别是切削速度方向、径向、切向的刃口力系数中的线性常数项；是第j个切削刃微元的主偏角；C1-C6为中间参数；Fx已知、Fy已知、Fz已知为试验数据中已知的正交坐标系中x、y、z方向的整体切削力；得到刃口力系数为：式中，Kte、Kfe、Kre分别为切削速度方向、径向、切向的刃口力系数，l为倒棱刃口的长度。按上述方案，所述的S5先计算每个切屑刃微元受到的切削力：将力分量转换到正交坐标系中：最后沿着切削刃积分，求得整体的切削力：式中，Ftj、分别为作用在微元j上的切削速度方向、径向、切向的切削力分量；为作用在微元j上的切削力在正交坐标系中的力分量；Fq为作用于整个车刀上的切削力在正交坐标系中的力分量。按上述方案，所述的圆形车刀为陶瓷刀具。本专利技术的有益效果为：通过将圆形车刀离散为多个微元，分析每个微元的局部参数，考虑倒棱刃口的刃口力，预测每个切削刃微元的切削力并沿着切削刃积分得到整体的切削力，从而为圆形倒棱车刀的高效高精加工过程控制提供指导。附图说明图1为本专利技术一实施例的方法流程图。图2为本专利技术中切削加工工程示意图。图3为切削域在前刀面视角的划分情况。图4为切削刃微元在前刀面视角的划分情况。图5a和图5b为三维图形下切削刃微元局部角度参数的示意图。图6为有限元软件Advantedge验证刃口力模型的结果图。图7a、b、c和图8a、b、c为理论预测结果和实测结果的对比图。图中：1-工件，2-刀柄，3-前刀面，4-参考面，5-第一切削区域，6-第二切削区域，7-刀具。具体实施方式下面结合具体实例和附图对本专利技术做进一步说明。本专利技术应用于圆形车刀对工件的切削加工，如图2所示，1为工件，2为刀柄，3为前刀面，4为参考面，车削棒料时刀具沿工件1轴向进给。本专利技术提供一种考虑刃口效应的倒棱圆形车刀切削力精确预测方法，如图1所示，它包括以下步骤：S1、参数输入：输入车削加工切削参数、圆形车刀几何参数和性能参数，包括刀具半径r、前角αn、切削深度d、切削速度V、每齿进给f；另外还可以包括工件的材料性能参数。S2、如图3所示，相邻两个刀具7的位置错开部分就是工件旋转一圈被削去的材料，即切削域，将切削刃离散化处理，把未变形切削区域划分为两个部分，即第一切削区域5和第二切削区域6，点A为工件1和刀具7接触的起始点，即切削域起始点。图4描述了切削刃微元在前刀面视角的划分情况，如图中所示，切削刃微元对应的浸入角为表示的是划分微元的角度增量。通过图中的几何关系可以计算出第j个切削刃微元对应的切宽和局部未变形切屑厚度。通过切削域起始点的浸入角φst、切削域终止点的浸入角φex和切削域分区点的浸入角φmid将未变形切削区域划分为两个部分，得到第j个微元对应的未变形切屑厚度hj为：其中fc＝fcos(αn)，式中，为第j个微元对应的浸入角；la为沿着进给方向，切入点到刀具中心的距离；fc为每齿进给量在前刀面的投影；为切削刃微元与相邻刀具中心位置的夹角；ap为切削深度；为法向前角，通过坐标变换计算得到。S3、通过已有公式和文献参数与圆形车刀的特殊几何形状相结合，计算每个切削刃微元的剪切力系数。剪切力系数由以下公式计算得到：式中，Ktc、Kfc、Krc分别是切削速度方向、径向、切向的切削力系数；为剪切应力，利用不等分剪切模型求得；为法向剪切角本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种考虑刃口效应的倒棱圆形车刀切削力精确预测方法，其特征在于：它包括以下步骤：S1、参数输入：输入车削加工切削参数、圆形车刀几何参数和性能参数，包括刀具半径r、前角αn、切削深度d、切削速度V、每齿进给f；S2、将切削刃离散化处理，把未变形切削区域划分为两个部分，分别计算每个切削区域中每个切削刃微元的未变形切屑厚度；S3、通过已有公式和文献参数与圆形车刀的几何形状相结合，计算每个切削刃微元的剪切力系数；S4、设刃口力系数与剪切应力和倒棱长度成线性关系，利用试验数据，推导针对圆形车刀的刃口力系数线性常数项的标定方程，计算刃口力系数；S5、计算每个切屑刃微元的切削力，并沿着切屑刃积分，得到整体的切削力。

【技术特征摘要】
1.一种考虑刃口效应的倒棱圆形车刀切削力精确预测方法，其特征在于：它包括以下步骤：S1、参数输入：输入车削加工切削参数、圆形车刀几何参数和性能参数，包括刀具半径r、前角αn、切削深度d、切削速度V、每齿进给f；S2、将切削刃离散化处理，把未变形切削区域划分为两个部分，分别计算每个切削区域中每个切削刃微元的未变形切屑厚度；S3、通过已有公式和文献参数与圆形车刀的几何形状相结合，计算每个切削刃微元的剪切力系数；S4、设刃口力系数与剪切应力和倒棱长度成线性关系，利用试验数据，推导针对圆形车刀的刃口力系数线性常数项的标定方程，计算刃口力系数；S5、计算每个切屑刃微元的切削力，并沿着切屑刃积分，得到整体的切削力。2.根据权利要求1所述的一种考虑刃口效应的倒棱圆形车刀切削力精确预测方法，其特征在于：所述的S2中，通过切削域起始点的浸入角φst、切削域终止点的浸入角φex和切削域分区点的浸入角φmid将未变形切削区域划分为两个部分，得到第j个微元对应的未变形切屑厚度hj为：其中fc＝fcos(αn)，式中，；为第j个微元对应的浸入角；la为沿着进给方向，切入点到刀具中心的距离；fc为每齿进给量在前刀面的投影；；为切削刃微元与相邻刀具中心位置的夹角；ap为切削深度；为法向前角，通过坐标变换计算得到。3.根据权利要求2所述的一种考虑刃口效应的倒棱圆形车刀切削力精确预测方法，其特征在于：所述的S3剪切力系数由以下公式计算得到：式中，Ktc、Kfc、Krc分别是切...

【专利技术属性】
技术研发人员：庄可佳，翁剑，李益兵，朱大虎，闫飞，杜百岗，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42