基于刀具角度与切削用量参数变化的车削力预测方法技术

本发明专利技术公开的一种基于刀具角度与切削用量参数变化的车削力预测方法，利用测力仪，测得一次车削中沿坐标系坐标轴分布的切削力，通过变换标系，计算出该切削力在变换后的坐标系中的三向车削力系数，再根据该车削力系数，计算得到预测的车削力，以实现对同种材质的刀具在同样的切削润滑条件下，加工材质相同和具有相同热处理状态的工件，在任意刀具角度参数和切削用量参数时的三向车削力的预测。本发明专利技术预测车削力的方法所需的切削实验工作量少，所获得的切削力模型具有较宽的使用范围，其预测精度可满足实际需要，便于推广应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于机械制造
，涉及一种车削力的预测方法，特别涉及一种基于刀具角度与切削用量参数变化的车削力预测方法。
技术介绍
在零件的切削加工中，切削力不仅对刀具的磨损、耐用度和被加工零件的表面质量有很大影响，而且影响到机床的性能和切削效率。因此，预估切削力对刀具刃磨、切削参数的合理选取和机床设计具有重要意义。车削力受多种因素的影响，如刀具角度、刀具材料、切削用量条件、切削液、被加工材料的材质及其热处理条件等，这些影响因素中，有些因素可以定量表达，有些因素只能定性描述。因此，建立准确、通用的车削力模型具有一定的难度。目前使用的车削力预报模型主要有以下四种：1)基于实验数据的完全经验模型。这种模型需要做大量的切削实验，一般通过指数曲线拟合方法找到切削力与切削用量参数之间的关系，因此只能适用于切削用量参数变化，而刀具角度参数、刀具材料、工件材料和润滑条件等一定的特定切削条件下的车削力预测，其通用性较差。2)基于切削机理和材料本构关系的物理模型。这种模型主要考虑主剪切区的材料屈服流动特性及刀具前刀面与切屑之间的摩擦行为，需要做大量实验以建立材料在高温、高应变环境下的材料本构模型，实验难度大，而且只适用于固定刀具和被加工材料及固定切削条件范围(刀具角度参数、刀具-->材料、工件材料、润滑条件等一定)。另外，刀具与切屑之间的摩擦行为很复杂，需要做许多简化处理，影响建模精度。该模型主要用于有限元法预测切削力，使用起来也不方便，需要操作者具备较好的有限元法知识。3)单位切削力模型。单位切削力模型是指单位切削面积上的主切削力，这种模型是通过切削实验测出主切削力，然后用主切削力除以切削面积，得到单位切削力。使用时，再用切削面积乘以单位切削力，得到主切削力。这种模型的局限性在于仅适用于不同切削用量参数的主切削力预测；当刀具角度参数发生变化时，单位切削力模型需要重新建立。4)基于人工智能的切削力预测模型。主要有神经网络模型、灰色系统模型等。这种模型可以考虑多种定量和定性因素，利用该方法要建立具有一定通用性的切削力模型，必须做大量的典型切削实验，以提供足够多的训练模型用样本。这种模型的缺陷是建立具有一定通用性的切削力模型所需的实验数据工作量太大，其适用范围主要在其切削条件范围内。对于神经元网络模型来说，其模型的有效性还取决于神经网络的拓扑结构，且通用性越高，训练神经网络模型效率较低，需要花费大量的训练时间。综上所述，现有的车削力预测方法，需要做大量的切削实验，才能获得在一定范围内使用的车削力预测模型；而且预测模型的精度要求越好、使用范围要求越宽，需要做的切削实验量越大，导致建立该预测模型的难度也越大。另外，现有的车削力预测模型还主要适用于切削用量参数变化的情况。众所周知，切削实验需要耗费大量的人力和物力，尤其对于一些采用贵重材料和稀有材料制作的工件，不允许做大量的切削实验来预测其切削力，因此采用常规的方法几乎难以实现。
技术实现思路
-->本专利技术的目的是提供一种基于刀具角度与切削用量参数变化的车削力预测方法，该预测方法通过很少的实验次数即可建立切削力预测模型，所建立的预测模型具有较宽的使用范围。本专利技术所采用的技术方案是，一种基于刀具角度与切削用量参数变化的车削力预测方法，通过一次车削实验得到的数据，来进行不同刀具角度、不同切削用量参数时的车削力预测，该方法按以下步骤进行：步骤1：用车刀1车削工件2，以车刀1的刀尖为坐标原点，建立三维坐标系UVW，利用三向测力仪，测出沿该三维坐标系UVW的坐标轴分布的三向车削力值Fu、Fv、Fw，车刀1的刀具角度参数为前角γ0、刃倾角λs、实际主偏角Kr和实际副偏角Kr′，切削用量参数为切削深度t和进给量f；步骤2：根据步骤1建立的三维坐标系UVW，保持坐标系原点与V轴不变，将U轴和W轴构成的平面绕V轴顺时针转动实际主偏角Kr的余角的角度，建立三维坐标系U1V1W1；步骤3：根据步骤2建立的三维坐标系U1V1W1，保持坐标系原点与U1轴不变，将V1轴和W1轴构成的平面绕U1轴顺时针转动刃倾角λs的角度，建立三维坐标系U2V2W2；步骤4：根据步骤3建立的三维坐标系U2V2W2，保持坐标系原点与W2轴不变，将V2轴和U2轴构成的平面绕W2轴顺时针转动前角γ0的角度，建立三维坐标系U3V3W3；步骤5：根据步骤1测得的三向切削力Fu、Fv和Fw，通过下式将该三向切削力Fu、Fv和Fw转换为步骤4建立的三维坐标系U3V3W3中的三向切削力Fu3、Fv3和Fw3：-->...

【技术保护点】
一种基于刀具角度与切削用量参数变化的车削力预测方法，通过一次车削实验得到的数据，来进行不同刀具角度、不同切削用量参数时的车削力预测，其特征在于，该方法按以下步骤进行：　步骤１：用车刀（１）车削工件（２），以车刀（１）的刀尖为坐标原点，建立三维坐标系ＵＶＷ，利用三向测力仪，测出沿该三维坐标系ＵＶＷ的坐标轴分布的三向车削力值Ｆ↓［ｕ］、Ｆ↓［ｖ］、Ｆ↓［ｗ］，车刀（１）的刀具角度参数为前角γ↓［０］、刃倾角λ↓［ｓ］、实际主偏角Ｋ↓［ｒ］和实际副偏角Ｋ′↓［ｒ］，切削用量参数为切削深度ｔ和进给量ｆ；　步骤２：根据步骤１建立的三维坐标系ＵＶＷ，保持坐标系原点与Ｖ轴不变，将Ｕ轴和Ｗ轴构成的平面绕Ｖ轴顺时针转动实际主偏角Ｋ↓［ｒ］的余角的角度，建立三维坐标系Ｕ↓［１］Ｖ↓［１］Ｗ↓［１］；　步骤３：根据步骤２建立的三维坐标系Ｕ↓［１］Ｖ↓［１］Ｗ↓［１］，保持坐标系原点与Ｕ↓［１］轴不变，将Ｖ↓［１］轴和Ｗ↓［１］轴构成的平面绕Ｕ↓［１］轴顺时针转动刃倾角λ↓［ｓ］的角度，建立三维坐标系Ｕ↓［２］Ｖ↓［２］Ｗ↓［２］；　步骤４：根据步骤３建立的三维坐标系Ｕ↓［２］Ｖ↓［２］Ｗ↓［２］，保持坐标系原点与Ｗ↓［２］轴不变，将Ｖ↓［２］轴和Ｕ↓［２］轴构成的平面绕Ｗ↓［２］轴顺时针转动前角γ↓［０］的角度，建立三维坐标系Ｕ↓［３］Ｖ↓［３］Ｗ↓［３］；　步骤５：根据步骤１测得的三向切削力Ｆ↓［ｕ］、Ｆ↓［ｖ］和Ｆ↓［ｗ］，通过下式将该三向切削力Ｆ↓［ｕ］、Ｆ↓［ｖ］和Ｆ↓［ｗ］转换为步骤４建立的三维坐标系Ｕ↓［３］Ｖ↓［３］Ｗ↓［３］中的三向切削力Ｆ↓［ｕ３］、Ｆ↓［ｖ３］和Ｆ↓［ｗ３］；　＊＊＊（１）　式中，Ｔ为由三维坐标系ＵＶＷ到三维坐标系Ｕ↓［３］Ｖ↓［３］Ｗ↓［３］的坐标转换矩阵；　步骤６：根据步骤５得到的三向切削力Ｆ↓［ｕ３］、Ｆ↓［ｖ３］和Ｆ↓［ｗ３］，按照下述公式计算三向切削力系数Ｋ↓［ｕ３］、Ｋ↓［ｖ３］、Ｋ↓［ｗ３］：　＊＊＊　（２）　式中，Ｓ为车刀前刀面上的有效切削面积；　步骤７：车削力预测计算　根据步骤６得到的三向切削力系数Ｋ↓［ｕ３］、Ｋ↓［ｖ３］、Ｋ↓［ｗ３］，通过下式预测计算出任意给定刀具角度和切削用量参数的车刀（１）切削工件（２）时，在三维坐标系ＵＶＷ下的三向车削力Ｆ↓［ｕ］、Ｆ↓［ｖ］、Ｆ↓［ｗ］：　＊＊＊。...

【技术特征摘要】
1.一种基于刀具角度与切削用量参数变化的车削力预测方法，通过一次车削实验得到的数据，来进行不同刀具角度、不同切削用量参数时的车削力预测，其特征在于，该方法按以下步骤进行：步骤1：用车刀(1)车削工件(2)，以车刀(1)的刀尖为坐标原点，建立三维坐标系UVW，利用三向测力仪，测出沿该三维坐标系UVW的坐标轴分布的三向车削力值Fu、Fv、Fw，车刀(1)的刀具角度参数为前角γ0、刃倾角λs、实际主偏角Kr和实际副偏角，切削用量参数为切削深度t和进给量f；步骤2：根据步骤1建立的三维坐标系UVW，保持坐标系原点与V轴不变，将U轴和W轴构成的平面绕V轴顺时针转动实际主偏角Kr的余角...

【专利技术属性】
技术研发人员：张广鹏，刘军海，李少英，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]