一种旋转超声振动铣磨的全域切削力建模方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种旋转超声振动铣磨的全域切削力建模方法与装置，通过开展加工过程中的刀具磨粒与工件材料相互作用运动学分析，获取满足切削区域振动分离的工艺参数匹配关系，建立断续切削特性的条件方程；根据超声振动辅助划痕试验，获取材料延/脆性去除模式转变的临界压入深度，建立切削区域的磨粒压入深度分布关系式，对切削区域不同位置的磨粒载荷累加，分别获得延/脆性域切削力模型，并根据临界压入深度和最大切厚对模型进行融合，获得旋转超声振动加工全域切削力模型。本发明专利技术能够更全面地反映旋转超声振动加工特性及去除机理，从而有效指导实际加工的切削力预测和工艺优化。

A global cutting force modeling method and device for rotary ultrasonic vibration milling

The invention provides a global cutting force modeling method and device for rotary ultrasonic vibration milling. Through kinematic analysis of the interaction between tool abrasive particles and workpiece materials in the process of machining, the matching relationship of technological parameters satisfying the vibration separation in the cutting area is obtained, and the conditional equation of intermittent cutting characteristics is established. The critical indentation depth of material ductility/brittleness removal mode transition is obtained by dynamic assisted scratch test, and the distribution formula of abrasive indentation depth in cutting area is established. Cutting force models in ductility/brittleness area are obtained by accumulating abrasive loads at different locations in cutting area. The models are fused according to the critical indentation depth and maximum shear thickness. The whole cutting force model of rotary ultrasonic vibration machining is obtained. The invention can reflect the characteristics and removal mechanism of rotary ultrasonic vibration processing more comprehensively, thereby effectively guiding the prediction of cutting force and process optimization in actual processing.

【技术实现步骤摘要】
一种旋转超声振动铣磨的全域切削力建模方法与装置
本专利技术涉及超声振动加工
，更具体地，涉及一种旋转超声振动铣磨的全域切削力建模方法与装置。
技术介绍
随着工业领域对装备服役性能要求的不断提高，复合材料、超高温陶瓷等先进材料得到广泛应用。同时，由于此类材料的高强度、高硬度特性，使得其加工过程易出现切削力大、加工损伤严重等诸多问题，传统切削加工工艺难以满足其制造需求。旋转超声振动铣磨加工是实现高性能材料高效低损伤加工的有效技术途径，然而目前对于这一技术的研究还很不充分。在实际加工过程中，大多依靠工程师经验选择切削参数，不能对切削力进行有效的预测和调控，制约了加工效能的进一步提升。因此，建立旋转超声振动铣磨的切削力模型，可以为难加工材料的高效、高质加工工艺优化提供重要理论支撑。目前，旋转超声振动铣磨加工切削力建模的方法主要分为经验拟合建模和理论分析建模。其中：经验拟合建模多采用优化算法，对切削力实验数据进行拟合获得切削力经验公式；理论分析建模方法则从加工机理入手，基于材料去除过程，如脆性断裂材料去除模式，进行切削力建模。但是，由于旋转超声振动加工过程较为复杂，且所涉及的工艺参数众多，切削力经验模型不能对不同工艺条件下的加工过程进行有效预测。而理论分析建模法仅基于单一的材料去除机理进行切削力建模，不能完全反映硬脆材料超声振动加工的切削特性，因此难以指导实际加工中的切削力控制和工艺优化。
技术实现思路
为了克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本专利技术提供一种旋转超声振动铣磨的全域切削力建模方法与装置，用以更精确的反映实际加工过程，从而更有效的进行加工过程的切削力预测和工艺优化指导。一方面，本专利技术提供一种旋转超声振动铣磨的全域切削力建模方法，包括：S1，通过分析目标旋转超声振动铣磨加工过程中切削区域的刀具磨粒与工件材料相互作用的运动学过程，建立断续切削特性条件方程，并获取满足断续切削特性的工艺参数匹配条件；S2，基于所述运动学过程、所述断续切削特性条件方程和所述工艺参数匹配条件，计算所述加工过程中的最大未变形切屑厚度；S3，基于维氏硬度压痕理论和延/脆性材料去除模式，以及所述切削区域中任一磨粒位点的最大压入深度，建立所述切削区域的磨粒压入深度分布式，并通过超声振动辅助划痕试验，获取所述工件材料对应的延/脆性去除模式临界压入深度；S4，基于单颗切削磨粒的所述磨粒位点的最大压入深度，以及单颗切削磨粒的压入深度与正向力的关系，计算所述切削区域中各位置点磨粒的平均正向切削力，并通过累加各位置点的所述磨粒的平均正向切削力，结合刀具锥角几何关系，建立所述目标旋转超声振动铣磨的延/脆性切削力模型；S5，基于所述磨粒压入深度分布式和所述延/脆性切削力模型，并通过比对所述最大未变形切屑厚度与所述延/脆性去除模式临界压入深度，建立所述目标旋转超声振动铣磨加工的全域切削力模型。另一方面，本专利技术提供一种旋转超声振动铣磨的全域切削力建模装置，包括：至少一个存储器、至少一个处理器、通信接口和总线；所述存储器、所述处理器和所述通信接口通过所述总线完成相互间的通信，所述通信接口用于所述建模装置与目标旋转超声振动铣磨的观测设备通信接口之间的信息传输；所述存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如上所述的旋转超声振动铣磨的全域切削力建模方法。本专利技术提供的一种旋转超声振动铣磨的全域切削力建模方法与装置，通过分析旋转超声铣磨加工中切削区域刀具磨粒与工件材料相互作用的运动学过程，建立满足断续切削特性的工艺参数匹配条件，能够更加准确地反映超声振动加工的工艺特性，为工艺参数优选和切削力建模提供理论基础。同时，结合工件材料在超声振动作用下的延/脆性去除模式转变机制，通过超声振动辅助划痕实验获得材料延/脆域临界压入深度，并根据加工过程中切削区域磨粒压入深度的分布情况，对不同去除模式的切削力模型进行融合，建立旋转超声振动加工的全域切削力模型，能够更加全面地反映工件材料在超声振动作用下的材料特性变化，可有效指导加工过程的切削力预测和工艺优化，具有理论指导和工程实用意义。附图说明图1为本专利技术实施例一种旋转超声振动铣磨的全域切削力建模方法的流程图；图2为根据本专利技术实施例一种旋转超声振动铣磨的全域切削力建模方法中获取工艺参数匹配条件的流程图；图3为根据本专利技术实施例一种旋转超声振动铣磨的全域切削力建模方法中基于断续切削特性条件获取工艺参数匹配条件的流程图；图4为根据本专利技术实施例一种旋转超声振动铣磨的全域切削力建模方法中建立磨粒压入深度分布式的流程图；图5为根据本专利技术实施例一种旋转超声振动铣磨的全域切削力建模方法中计算磨粒的平均正向切削力的流程图；图6为根据本专利技术实施例一种旋转超声振动铣磨的全域切削力建模方法中旋转超声振动加工运动特性分析示意图；图7为根据本专利技术实施例一种旋转超声振动铣磨的全域切削力建模方法中旋转超声振动加工断续切削特性分析示意图；图8为根据本专利技术实施例一种旋转超声振动铣磨的全域切削力建模方法中刀具锥面磨粒分布示意图；图9为根据本专利技术实施例一种旋转超声振动铣磨的全域切削力建模方法中单振动周期磨粒冲击压入轨迹示意图；图10为本专利技术实施例一种旋转超声振动铣磨的全域切削力建模装置的结构框图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。作为本专利技术实施例的一个方面，本实施例提供一种旋转超声振动铣磨的全域切削力建模方法，参考图1，为本专利技术实施例一种旋转超声振动铣磨的全域切削力建模方法的流程图，包括：S1，通过分析目标旋转超声振动铣磨加工过程中切削区域的刀具磨粒与工件材料相互作用的运动学过程，建立断续切削特性条件方程，并获取满足断续切削特性的工艺参数匹配条件。可以理解为，本步骤首先开展切削区域刀具磨粒与工件材料相互作用的运动学分析，获得旋转超声振动加工过程的断续切削特性的条件方程。考虑降低切削力和提高加工效率，需保证旋转超声振动铣磨加工中刀具切削区域的磨粒与工件材料处于高频压入和分离的切削状态，从而获取断续切削特性。在建立磨粒动态压入深度方程的基础上，求取满足断续切削特性的工艺参数(切削参数、超声振动参数、刀具参数)匹配关系式。S2，基于所述运动学过程、所述断续切削特性条件方程和所述工艺参数匹配条件，计算所述加工过程中的最大未变形切屑厚度。可以理解为，本步骤在根据以上步骤获取断续切削特性条件方程和工艺参数匹配条件的基础上，结合分析的运动学过程，计算加工中最大未变形切屑厚度hm如下：式中，vf为进给速度，S为主轴转速，ap为切深，θ为刀具锥角，R1为刀具底面直径，a为刀具周向相邻磨粒间距，Δt为相邻磨粒切入滞后时间。S3，基于维氏硬度压痕理论和延/脆性材料去除模式，以及所述切削区域中任一磨粒位点的最大压入深度，建立所述切削区域的磨粒压入深度分布式，并通过超声振动辅助划痕试验，获取所述工件材料对应的延/脆性去除模式临界压入深度。可以理解为，本步骤首先基于维氏硬本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种旋转超声振动铣磨的全域切削力建模方法，其特征在于，包括：S1，通过分析目标旋转超声振动铣磨加工过程中切削区域的刀具磨粒与工件材料相互作用的运动学过程，建立断续切削特性条件方程，并获取满足断续切削特性的工艺参数匹配条件；S2，基于所述运动学过程、所述断续切削特性条件方程和所述工艺参数匹配条件，计算所述加工过程中的最大未变形切屑厚度；S3，基于维氏硬度压痕理论和延/脆性材料去除模式，以及所述切削区域中任一磨粒位点的最大压入深度，建立所述切削区域的磨粒压入深度分布式，并通过超声振动辅助划痕试验，获取所述工件材料对应的延/脆性去除模式临界压入深度；S4，基于单颗切削磨粒的所述磨粒位点的最大压入深度，以及单颗切削磨粒的压入深度与正向力的关系，计算所述切削区域中各位置点磨粒的平均正向切削力，并通过累加各位置点的所述磨粒的平均正向切削力，结合刀具锥角几何关系，建立所述目标旋转超声振动铣磨的延/脆性切削力模型；S5，基于所述磨粒压入深度分布式和所述延/脆性切削力模型，并通过比对所述最大未变形切屑厚度与所述延/脆性去除模式临界压入深度，建立所述目标旋转超声振动铣磨加工的全域切削力模型。

【技术特征摘要】
1.一种旋转超声振动铣磨的全域切削力建模方法，其特征在于，包括：S1，通过分析目标旋转超声振动铣磨加工过程中切削区域的刀具磨粒与工件材料相互作用的运动学过程，建立断续切削特性条件方程，并获取满足断续切削特性的工艺参数匹配条件；S2，基于所述运动学过程、所述断续切削特性条件方程和所述工艺参数匹配条件，计算所述加工过程中的最大未变形切屑厚度；S3，基于维氏硬度压痕理论和延/脆性材料去除模式，以及所述切削区域中任一磨粒位点的最大压入深度，建立所述切削区域的磨粒压入深度分布式，并通过超声振动辅助划痕试验，获取所述工件材料对应的延/脆性去除模式临界压入深度；S4，基于单颗切削磨粒的所述磨粒位点的最大压入深度，以及单颗切削磨粒的压入深度与正向力的关系，计算所述切削区域中各位置点磨粒的平均正向切削力，并通过累加各位置点的所述磨粒的平均正向切削力，结合刀具锥角几何关系，建立所述目标旋转超声振动铣磨的延/脆性切削力模型；S5，基于所述磨粒压入深度分布式和所述延/脆性切削力模型，并通过比对所述最大未变形切屑厚度与所述延/脆性去除模式临界压入深度，建立所述目标旋转超声振动铣磨加工的全域切削力模型。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S1的步骤进一步包括：S11，通过分析所述切削区域中刀具磨粒的旋转运动、进给运动和超声振动，获取所述目标旋转超声振动铣磨中刀具磨粒的运动特性，并建立包含运动轨迹、运动速度和运动加速度的运动学方程；S12，基于所述刀具磨粒的运动特性和所述运动学方程，通过分析所述刀具磨粒与所述工件材料之间高频压入及分离的切削状态，获取断续切削特性，并基于所述断续切削特性，建立所述断续切削特性条件方程；S13，基于所述断续切削特性条件方程，通过求解建立的磨粒动态压入深度方程，获取所述满足断续切削特性的工艺参数匹配条件。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S13的步骤进一步包括：S131，在给定坐标系中，将所述超声振动分别沿各坐标轴进行分解，建立单颗磨粒从切入至切出所述工件材料的运动方程；S132，通过计算所述单颗磨粒在旋转方向上的相邻磨粒切入所述工件材料的相对滞后时间，建立所述相邻磨粒从切入至切出所述工件材料的运动方程；S133，分别从所述单颗磨粒和所述相邻磨粒对应的所述运动方程中，获取压入材料方向上的运动轨迹分量，并进行矢量叠加，获取所述磨粒动态压入深度方程；S134，以所述断续切削特性条件方程为约束，确定所述磨粒动态压入深度方程有实解的工艺参数匹配关系，作为所述满足断续切削特性的工艺参数匹配条件。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S3的步骤进一步包括：S31，基于维氏硬度压痕理论和延/脆性材料去除模式，分别确定所述加工过程中延/脆性去除模式的刀具前端磨粒最大压入深度；S32，通过对切削磨粒扫掠形状的假设，结合刀具前端磨粒最大压入深度取值，确定所述切...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁松梅，李真，李麒麟，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11