考虑刀具跳动影响的微细铣削加工切削力仿真预测方法技术

本发明专利技术公开一种考虑刀具跳动影响的微细铣削加工切削力仿真预测方法，针对微铣刀切削刃次摆线运动轨迹计算，在刀具坐标系和加工过程几何模型基础上，充分考虑刀具轴线径向偏移和刀具轴线倾斜，基于实际刀具次摆线运动轨迹对不同位置的切削刃建立理论瞬时未变形切屑厚度模型；基于微铣刀侧刃剪切效应、微铣刀侧刃耕犁效应和微铣刀底部切削效应分别在剪切效应主导切削区域和耕犁效应主导切削区域内建立切削力预测模型。充分考虑了刀具跳动、切削刃尺寸效应和底刃切削效应的影响，提高微细铣削加工过程切削力预测精度的同时为切削加工参数合理优化提供有力支撑。

Cutting Force Prediction Method for Micro Milling Considering Tool Runout

【技术实现步骤摘要】
考虑刀具跳动影响的微细铣削加工切削力仿真预测方法
本专利技术属于微细切削加工制造仿真
，尤其涉及一种考虑刀具跳动影响的微细铣削加工切削力仿真预测方法。
技术介绍
随着我国航空航天、生物医疗、国防科技、新兴电子科技和能源环保等领域不断发展，对起主导作用的以结构复杂及尺度微小为特征的精密关键零件产品微细铣削加工的需求日益迫切。微细铣削加工过程中的切削力仿真预测是工艺参数合理优化的前提和基础，对企业而言，借助微细铣削加工切削力仿真，可以降低试验成本，并缩短新产品的研发时间，因此微细铣削加工切削力的仿真预测研究一直受到学界和相关制造企业的关注。目前，铣削加工中切削力建模一般分为两种基本铣削机制，第一种铣削机制基于切削力完全取决于铣削加工过程中剪切效应的假设，第二种铣削机制基于可将剪切和耕犁效应结合看作取决于切屑载荷的函数。相对于宏观铣削加工而言，微细铣削加工过程因切削刃尺寸效应和最小切屑厚度等特点具有其特殊性，基于切削刃尺寸效应，剪切区域和耕犁区域内的切削力理论模型被提出。切削刃运动轨迹对瞬时未变形切屑厚度的影响是建立切削力理论预测模型的关键问题；目前，与切屑厚度模型有关的研究内容主要集中于微铣刀轴向偏移跳动，忽略了刀具轴线倾斜跳动及其所引起的微铣刀切入角和切出角动态变化对切削刃次摆线运动轨迹的影响；并且，现有的研究仅限于立铣刀侧刃切削效应，忽略了底部切削刃效应对于切削力理论建模的影响，导致预测精度较低。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题为了解决现有技术的上述问题，本专利技术提供了一种考虑刀具跳动影响的微细铣削加工切削力仿真预测方法。充分考虑了刀具跳动、切削刃尺寸效应和底刃切削效应的影响，提高微细铣削加工过程切削力预测精度的同时为切削加工参数合理优化提供有力支撑。(二)技术方案为了达到上述目的，本专利技术采用的主要技术方案包括：一种考虑刀具跳动影响的微细铣削加工切削力仿真预测方法，包括以下步骤：步骤S1、识别预先设定的刀具跳动参数，并依据刀具跳动参数，确定微细铣削加工过程中切削刃次摆线运动轨迹偏移量；刀具跳动参数依据微细铣削加工过程中刀具径向跳动和刀具倾斜跳动的空间几何关系确定。步骤S2、将切削刃运动轨迹偏移量输入理论瞬时未变形切屑厚度模型，输出微细铣削加工过程中理论瞬时未变形切屑厚度；然后依据理论瞬时未变形切屑厚度和最小切屑厚度，确定微细铣削加工的实际瞬时未变形切屑厚度；理论瞬时未变形切屑厚度模型是在刀具坐标系下基于考虑刀具跳动影响的次摆线运动轨迹构建的。步骤S3、判断实际瞬时未变形切屑厚度是否大于最小切削厚度，若大于，将实际瞬时未变形切屑厚度输入第一切削力预测模型，输出微细铣削加工的切削力；若小于，将实际瞬时未变形切屑厚度输入第二切削力预测模型，输出微细铣削加工的切削力；第一切削力预测模型是基于刀具侧刃切削效应和刀具底刃切削效应构建的；第二切削力预测模型是基于刀具侧刃耕犁效应和刀具底刃切削效应构建的。作为本专利技术方法的一种改进，步骤S1中，刀具跳动参数包括偏心距ρ、偏心距的位置角α、倾斜角τ和倾斜角的位置角偏心距ρ为不考虑刀具跳动的刀具中心线与考虑刀具径向跳动的刀具中心线的径向偏移值；偏心距的位置角α为不考虑刀具跳动的刀具中心到刀齿的矢量与刀具径向偏移矢量的夹角；倾斜角τ为刀具轴线与卡具系统轴线之间的夹角；倾斜角的位置角为刀具倾斜矢量与刀具径向偏移矢量的夹角。作为本专利技术方法的一种改进，步骤S1中，依据刀具跳动参数，确定微细铣削加工过程中切削刃次摆线运动轨迹偏移量，具体包括：根据刀具跳动参数，确定刀具实际切削半径R(z)为：根据刀具跳动参数和刀具实际切削半径R(z)，确定切削刃次摆线运动轨迹偏移量为：其中，R为刀具半径，L为刀具安装后刀具的悬伸长度，z为轴向方向，j为当前切削区域内第j个刀齿，Nz为刀具齿数，λs为平头立铣刀螺旋角，作为本专利技术方法的一种改进，步骤S2中，理论瞬时未变形切屑厚度模型的构建，包括：ⅰ、根据切削刃次摆线运动轨迹偏移量，计算第(j-1)个刀刃上相关切削刃微元所对应的时间值t′。F(t′)＝ftt+[R(z)-R]sin(α0+ωt-ztanλs/R+2πj/Nz)+Rsinψ(t)-ftt′-[R(z)-R]sin(α0+ωt′-ztanλs/R+2(j-1)π/Nz)-Rsinψ(t′)-tanψ(t)[R(z)-R]cos(α0+ωt-ztanλs/R+2πj/Nz)-Rtanψ(t)cosψ(t)+tanψ(t)[R(z)-R]cos(α0+ωt′-ztanλs/R+2(j-1)π/Nz)+Rtanψ(t)cosψ(t′)＝0采用Newton-Raphson迭代方法求解上述与时间t′相关的非线性方程；其中，t为第j个刀刃上相关切削刃微元所对应的时间值。ⅱ、根据切削刃次摆线运动轨迹偏移量和t′，确定预先定义的点P和点Q的坐标值。点Q的坐标值为：点P的坐标值为：点P为第j个刀刃次摆线运动轨迹上的任意点，点Q为第(j-1)个刀刃次摆线运动轨迹与直线OP的交点；点O为第j个刀刃上相关切削刃微元的中心点。ⅲ、计算微细铣削加工过程中理论瞬时未变形切屑厚度hc。作为本专利技术方法的一种改进，步骤S2中，依据理论瞬时未变形切屑厚度和最小切屑厚度，确定微细铣削加工的实际瞬时未变形切屑厚度，具体包括：当理论瞬时未变形切屑厚度hc在最小切屑厚度hmin以下时，实际瞬时未变形切屑厚度hc,i,j(t)＝(1-Pe)hc,i,j(t)；当理论瞬时未变形切屑厚度hc大于最小切屑厚度hmin时，实际瞬时未变形切屑厚度hc,i,j(t)＝hc,i,j(t)；其中，pe＝0.6228-0.0022XR，pe为工件加工材料中弹性恢复的固定比例常数值，XR为流变性系数。作为本专利技术方法的一种改进，步骤S3中，第一切削力预测模型的构建具体包括：ⅰ、计算微细铣削加工过程中作用于刀具侧刃上的总切削力计算切削微元上与刀具侧刃有关的切向切削力分量dFt,F,i,j(t)，径向切削力分量dFr,F,i,j(t)和轴向切削力分量dFa,F,i,j(t)：计算微细铣削加工过程中作用于刀具侧刃上的总切削力：其中，Ktc、Krc和Kac分别表示与微铣削未变形切削厚度有关的位于切向、径向和轴向的剪切铣削力系数，其单位为N/mm2；Kte、Kre和Kae分别表示与微铣削未变形切削厚度有关的位于切向、径向和轴向的耕犁铣削力系数，其单位为N/mm2；hc,i,j(t)表示t时刻位于第j个切削刃上第i个切削微元处的考虑刀具跳动影响的微铣削未变形切削厚度，其单位为mm；dz表示切削微元的轴向宽度，其单位为mm；ψen和ψex分别表示考虑刀具跳动的微铣削加工过程中的切入及切出角。ⅱ、计算微细铣削加工过程中作用于刀具底刃上的总切削力计算切削微元上与刀具底刃有关的切向切削力分量dFt,B,i,j(t)，径向切削力分量dFr,B,i,j(t)和轴向切削力分量dFa,B,i,j(t)：将dFt,B,i,j(t)、dFr,B,i,j(t)和dFa,B,i,j(t)转换到刀具坐标系下，计算微细铣削加工过程中作用于刀具底刃上的总切削力：其中，Ktb、Krb和Kab分别表示与刀具底部切削刃未变形切宽度有关的位于切向、径向和轴向的剪切切削力系数，其单位为N/mm2；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑刀具跳动影响的微细铣削加工切削力仿真预测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1、识别预先设定的刀具跳动参数，并依据所述刀具跳动参数，确定微细铣削加工过程中切削刃次摆线运动轨迹偏移量；所述刀具跳动参数依据微细铣削加工过程中刀具径向跳动和刀具倾斜跳动的空间几何关系确定；步骤S2、将所述切削刃运动轨迹偏移量输入理论瞬时未变形切屑厚度模型，输出微细铣削加工过程中理论瞬时未变形切屑厚度；然后依据所述理论瞬时未变形切屑厚度和最小切屑厚度，确定微细铣削加工的实际瞬时未变形切屑厚度；所述理论瞬时未变形切屑厚度模型是在刀具坐标系下基于考虑刀具跳动影响的次摆线运动轨迹构建的；步骤S3、判断所述实际瞬时未变形切屑厚度是否大于最小切削厚度，若大于，将所述实际瞬时未变形切屑厚度输入第一切削力预测模型，输出微细铣削加工的切削力；若小于，将所述实际瞬时未变形切屑厚度输入第二切削力预测模型，输出微细铣削加工的切削力；所述第一切削力预测模型是基于刀具侧刃切削效应和刀具底刃切削效应构建的；所述第二切削力预测模型是基于刀具侧刃耕犁效应和刀具底刃切削效应构建的。

【技术特征摘要】
1.一种考虑刀具跳动影响的微细铣削加工切削力仿真预测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1、识别预先设定的刀具跳动参数，并依据所述刀具跳动参数，确定微细铣削加工过程中切削刃次摆线运动轨迹偏移量；所述刀具跳动参数依据微细铣削加工过程中刀具径向跳动和刀具倾斜跳动的空间几何关系确定；步骤S2、将所述切削刃运动轨迹偏移量输入理论瞬时未变形切屑厚度模型，输出微细铣削加工过程中理论瞬时未变形切屑厚度；然后依据所述理论瞬时未变形切屑厚度和最小切屑厚度，确定微细铣削加工的实际瞬时未变形切屑厚度；所述理论瞬时未变形切屑厚度模型是在刀具坐标系下基于考虑刀具跳动影响的次摆线运动轨迹构建的；步骤S3、判断所述实际瞬时未变形切屑厚度是否大于最小切削厚度，若大于，将所述实际瞬时未变形切屑厚度输入第一切削力预测模型，输出微细铣削加工的切削力；若小于，将所述实际瞬时未变形切屑厚度输入第二切削力预测模型，输出微细铣削加工的切削力；所述第一切削力预测模型是基于刀具侧刃切削效应和刀具底刃切削效应构建的；所述第二切削力预测模型是基于刀具侧刃耕犁效应和刀具底刃切削效应构建的。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，所述刀具跳动参数包括偏心距ρ、偏心距的位置角α、倾斜角τ和倾斜角的位置角所述偏心距ρ为不考虑刀具跳动的刀具中心线与考虑刀具径向跳动的刀具中心线的径向偏移值；所述偏心距的位置角α为不考虑刀具跳动的刀具中心到刀齿的矢量与刀具径向偏移矢量的夹角；所述倾斜角τ为刀具轴线与卡具系统轴线之间的夹角；所述倾斜角的位置角为刀具倾斜矢量与刀具径向偏移矢量的夹角。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S1中，依据刀具跳动参数，确定微细铣削加工过程中切削刃次摆线运动轨迹偏移量，具体包括：根据刀具跳动参数，确定刀具实际切削半径R(z)为：根据刀具跳动参数和刀具实际切削半径R(z)，确定切削刃次摆线运动轨迹偏移量为：其中，R为刀具半径，L为刀具安装后刀具的悬伸长度，z为轴向方向，j为当前切削区域内第j个刀齿，Nz为刀具齿数，λs为平头立铣刀螺旋角，4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S2中，所述理论瞬时未变形切屑厚度模型的构建，包括：i、根据所述切削刃次摆线运动轨迹偏移量，计算第(j-1)个刀刃上相关切削刃微元所对应的时间值t′；F(t′)＝ftt+[R(z)-R]sin(α0+ωt-ztanλs/R+2πj/Nz)+Rsinψ(t)-ftt′-[R(z)-R]sin(α0+ωt′-ztanλs/R+2(j-1)π/Nz)-Rsinψ(t′)-tanψ(t)[R(z)-R]cos(α0+ωt-ztanλs/R+2πj/Nz)-Rtanψ(t)cosψ(t)+tanψ(t)[R(z)-R]cos(α0+ωt′-ztanλs/R+2(j-1)π/Nz)+Rtanψ(t)cosψ(t′)＝0采用Newton-Raphson迭代方法求解上述与时间t′相关的非线性方程；其中，t为第j个刀刃上相关切削刃微元所对应的时间值；ii、根据所述切削刃次摆线运动轨迹偏移量和t′，确定预先定义的点P和点Q的坐标值；点Q的坐标值为：点P的坐标值为：所述点P为第j个刀刃次摆线运动轨迹上的任意点，所述点Q为第(j-1)个刀刃次摆线运动轨迹与直线OP的交点；点O为第j个刀刃上相关...

【专利技术属性】
技术研发人员：张雪薇，于天彪，孙雪，王钊，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21