一种超精密动态切削加工过程的三维形貌仿真方法技术

本发明专利技术公开一种超精密动态切削加工过程的三维形貌仿真方法，通过按照仿真离散时间间隔获取当前时刻的进给量作为当前进给量，并根据当前进给量和刀具的刀尖圆弧半径构建加工件的理论形貌轮廓，并计算加工件在侧向塑流影响下的轮廓高度作为实际轮廓高度，以对理论形貌轮廓进行调整，构建加工件的实际形貌轮廓，充分考虑切削力根据切削面积变化不恒定的问题，以提升加工件三维形貌仿真的准确性。以提升加工件三维形貌仿真的准确性。以提升加工件三维形貌仿真的准确性。

【技术实现步骤摘要】
一种超精密动态切削加工过程的三维形貌仿真方法


[0001]本专利技术属于超精密加工
，具体涉及一种超精密动态切削加工过程的三维形貌仿真方法。

技术介绍

[0002]在超精密加工领域，加工件表面形貌仿真结果的准确性，直接影响到对加工件切削加工参数的设定，而切削加工参数的设定直接决定了加工件的加工精度。由技术水平和认知程度的局限，早期对加工件切削加工参数的设定主要集中在二维轮廓参数的测量和评价。随着模拟技术、测量技术和计算机技术的发展，对加工表面形貌进行仿真时加入了新的加工参数，如切削加工刀具几何形状、最小切削厚度、塑性测流以及弹性恢复等，可以进一步提升仿真结果的准确性。但在超精密动态切削过程中，切削加工刀具的切削力会根据切削面积发生变化，并不是恒定的力，切削力的变化会进一步导致切削加工刀具轨迹的变化，影响三维形貌。现有的仿真方法并没有考虑到这一点，影响了三维形貌仿真的准确性。

技术实现思路

[0003]本专利技术要解决的技术问题是目前对加工件进行三维仿真的方法没有考虑到切削加工刀具在超精密动态切削过程中，切削力会根据切削面积发生变化并不恒定，影响了三维形貌仿真的准确性。因此，本专利技术提供一种超精密动态切削加工过程的三维形貌仿真方法，综合考虑切削加工刀具几何形状、最小切削厚度、塑性测流以及弹性恢复等加工参数，并在此基础上根据切削力的动态变化实时调整加工参数，提升加工件三维形貌仿真的准确性。
[0004]本专利技术通过下述技术方案实现：
[0005]一种超精密动态切削加工过程的三维形貌仿真方法，包括：
[0006]获取加工件的几何模型，并根据所述获取对刀具预先设置好的每一转的进给量作为预设进给量；
[0007]根据所述加工件的几何模型建立加工件表面粗糙度与所述预设进给量间的几何关系，确定刀具的刀尖圆弧半径；
[0008]按照仿真离散时间间隔获取当前时刻的进给量作为当前进给量，并根据所述当前进给量和所述刀具的刀尖圆弧半径构建加工件的理论形貌轮廓；
[0009]计算所述加工件在侧向塑流影响下的轮廓高度作为实际轮廓高度；
[0010]获取加工件表面粗糙度，并基于所述实际轮廓高度对所述理论形貌轮廓进行调整，构建加工件的实际形貌轮廓。
[0011]进一步地，所述根据所述当前进给量和所述刀具的刀尖圆弧半径构建加工件的理论形貌轮廓，包括：
[0012]根据0值和所述预设进给量确定进给量范围，并将所述进给量范围的中间值作为进给量分割值；
[0013]当当前进给量大于零且小于所述进给量分割值，则通过第一理论形貌轮廓构建公式对所述刀尖圆弧半径和所述当前进给量进行计算，构建加工件的理论形貌轮廓；
[0014]当当前进给量大于所述进给量分割值且小于所述预设进给量，则通过第二理论形貌轮廓构建公式对所述刀尖圆弧半径和所述当前进给量进行计算，构建加工件的理论形貌轮廓；
[0015]所述第一理论形貌轮廓构建公式和所述第二理论形貌轮廓构建公式具体为：
[0016][0017]其中，z(x)表示加工件的理论表面轮廓，r
e
表示切削加工刀具的刀尖圆弧半径，x表示当前进给量，f表示每一转的进给量。
[0018]进一步地，所述实际轮廓高度计算公式具体为：
[0019]R
p
＝k1lnχ+k2[0020]其中，R
p
表示实际轮廓高度，k1和k2表示轮廓高度与侧向塑流的实验系数、χ表示侧向塑流的流变系数。
[0021]进一步地，所述一种超精密动态切削加工过程的三维形貌仿真方法还包括：
[0022]获取加工件的材料塑性形变量和材料弹性形变量，基于所述材料塑性形变量和所述材料弹性形变量计算侧向塑流的流变系数；
[0023]所述流变系数的计算公式为：
[0024][0025]其中，ε
e
表示加工件的材料弹性形变量，ε
p
表示加工件的材料塑性形变量，E表示加工件的材料弹性模量，θ表示划痕测试的半顶角，cotθ表示加工件的塑性形变量，表示切削过程中金属的平均流动应力，e表示有应变梯度强化的平均流动应力和没有应变梯度强化的平均流动应力的比值。
[0026]进一步地，所述一种超精密动态切削加工过程的三维形貌仿真方法还包括：
[0027]计算刀具的平均切削力，并通过金属的平均流动应力计算公式计算得到切削过程中金属的平均流动应力；
[0028]所述平均流动应力计算公式具体为：其中，
[0029][0030]其中，表示刀具的平均切削力，F
y
表示径向切削力，β
n
表示摩擦角，表示刀具的法向剪切角，α
n
表示刀具的法向前角，t表示未变形切削厚度，w表示切削深度，即未变形切削厚度与变形切削厚度之和；
[0031]所述摩擦角其中，F
z
表示轴向切削力。
[0032]进一步地，所述一种超精密动态切削加工过程的三维形貌仿真方法还包括：
[0033]获取动态切削过程中加工件每分钟的有效去除面积；
[0034]获取加工件的去除面积与轴向切削力的相关系数作为轴向切削力相关系数，基于所述有效去除面积和所述轴向切削力相关系数计算轴向切削力；
[0035]获取加工件的去除面积与径向切削力的相关系数作为径向切削力相关系数，基于所述有效去除面积和所述径向切削力相关系数计算径向切削力；
[0036]其中，计算所述轴向切削力的公式为：
[0037]F
z
＝λ
c1
*S
c
，其中，F
z
表示轴向切削力，λ
c1
表示轴向切削力相关系数，S
c
表示加工件的有效去除面积；
[0038]计算所述径向切削力的公式为：
[0039]F
y
＝λ
c2
*S
c
，其中，F
y
表示径向切削力，λ
c2
表示径向切削力相关系数，S
c
表示加工件的有效去除面积。
[0040]进一步地，所述获取动态切削过程中加工件每分钟的有效去除面积，包括：
[0041]获取主轴每分钟的转速、刀具每一转的进给量、加工件切削位置的圆弧半径和切削深度，通过加工件有效去除面积计算公式计算得到加工件每分钟的有效去除面积；
[0042]所述加工件有效去除面积计算公式具体为S
c
＝n*π*D*f*w，其中，S
c
表示加工件每分钟的有效去除面积，n表示主轴每分钟的转速，D表示加工件切削位置的圆弧半径，f表示刀具每一转的进给量，w表示切削深度。
[0043]进一步地，所述获取加工件表面粗糙度，并基于所述实际轮廓高度对所述理论形貌轮廓进行调整，构建加工件的实际形貌轮廓，包括：
[0044]调用实际形貌轮廓计本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超精密动态切削加工过程的三维形貌仿真方法，其特征在于，包括：获取加工件的几何模型，并获取对刀具预先设置好的每一转的进给量作为预设进给量；根据所述加工件的几何模型建立加工件表面粗糙度与所述预设进给量间的几何关系，确定刀具的刀尖圆弧半径；按照仿真离散时间间隔获取当前时刻的进给量作为当前进给量，并根据所述当前进给量和所述刀具的刀尖圆弧半径构建加工件的理论形貌轮廓；计算所述加工件在侧向塑流影响下的轮廓高度作为实际轮廓高度；获取加工件表面粗糙度，并基于所述实际轮廓高度对所述理论形貌轮廓进行调整，构建加工件的实际形貌轮廓。2.根据权利要求1所述的一种超精密动态切削加工过程的三维形貌仿真方法，其特征在于，所述根据所述当前进给量和所述刀具的刀尖圆弧半径构建加工件的理论形貌轮廓，包括：根据0值和所述预设进给量确定进给量范围，并将所述进给量范围的中间值作为进给量分割值；当当前进给量大于零且小于所述进给量分割值，则通过第一理论形貌轮廓构建公式对所述刀尖圆弧半径和所述当前进给量进行计算，构建加工件的理论形貌轮廓；当当前进给量大于所述进给量分割值且小于所述预设进给量，则通过第二理论形貌轮廓构建公式对所述刀尖圆弧半径和所述当前进给量进行计算，构建加工件的理论形貌轮廓；所述第一理论形貌轮廓构建公式和所述第二理论形貌轮廓构建公式具体为：其中，z(x)表示加工件的理论表面轮廓,r
e
表示切削加工刀具的刀尖圆弧半径，x表示当前进给量，f表示每一转的进给量。3.根据权利要求1所述的一种超精密动态切削加工过程的三维形貌仿真方法，其特征在于，所述实际轮廓高度计算公式具体为：R
p
＝k1lnχ+k2其中，R
p
表示实际轮廓高度，k1和k2表示轮廓高度与侧向塑流的实验系数、χ表示侧向塑流的流变系数。4.根据权利要求3所述的一种超精密动态切削加工过程的三维形貌仿真方法，其特征在于，所述一种超精密动态切削加工过程的三维形貌仿真方法还包括：获取加工件的材料塑性形变量和材料弹性形变量，基于所述材料塑性形变量和所述材料弹性形变量计算侧向塑流的流变系数；所述流变系数的计算公式为：
其中，ε
e
表示加工件的材料弹性形变量，ε
p
表示加工件的材料塑性形变量，E表示加工件的材料弹性模量，θ表示划痕测试的半顶角，cotθ表示加工件的塑性形变量，表示切削过程中金属的平均流动应力，e表示有应变梯度强化的平均流动应力和没有应变梯度强化的平均流动应力的比值。5.根据权利要求4所述的一种超精密动态切削加工过程的三维形貌仿真方法，其特征在于，所述一种超精密动态切削加工过程的三维形貌仿真方法还包括：计算刀具的平均切削力，并通过金属的平均流动应力计算公式计算得到切削过程中金属的平均流动应力；所述平均流动应力计算公式具体为：其中，其中，表示刀具的平均切削力，F
y
表示径向切削力，β
n
表示摩擦角，表示刀具的法向剪切角，α
n
表示刀具的法向前角，t表示未变形切削厚度，w表示切削深度，即未变形切削厚度与变形切削厚度之和；所述摩擦角其中，F
z
表示轴向切削力。6.根据权利要求5所述的一种超精密动态切削加工过程的三维形貌仿真方法，其特征在于，所述一种超精密动态切削加工过程的三维形貌仿真方法还包括：获取动态切削过程中加工件每分钟的有...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙守利，阳红，付思源，刘有海，张敏，戴晓静，杨光伟，尹承真，姜忠，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院机械制造工艺研究所，
类型：发明
国别省市：