考虑刀具变形影响的微铣削切削力建模方法技术

本发明专利技术提供一种考虑刀具变形影响的微铣削切削力建模方法，该方法首先计算出发生弱刚度变形的铣刀上的切削刃的实时位置，并以此确定实际的刀尖切削运动方向与理论瞬时未变形切屑厚度；然后根据定义，计算得到在发生切削方向偏移时的实际前角、剪切角以及瞬时未变形切屑厚度；然后考虑金属死区以及材料堆积现象，计算得到此时的切削力，并采用迭代算法对铣削过程进行建模，即得到微铣削过程的切削力。本发明专利技术提供的弱刚度刀具微铣削过程切削力建模方法考虑了实际切削方向对切削参数实际值的影响，实现弱刚度刀具微铣削过程切削力的准确预测。准确预测。准确预测。

【技术实现步骤摘要】
考虑刀具变形影响的微铣削切削力建模方法


[0001]本专利技术涉及一种微铣削切削力建模方法，特别涉及一种适用于采用弱刚度刀具的微铣削过程的切削力建模方法。

技术介绍

[0002]微铣削刀具通常因为其自身的细长结构而具有较弱的刚度，在切削过程中极易发生严重变形。当刀具发生变形时，刀尖的实际运动轨迹将发生改变，导致实际切削方向偏离理论切削方向。然而，根据定义，前角、后角、剪切角、瞬时未变形切屑厚度等参数的确定都与切削方向相关。当切削方向发生偏离时，这些参数同步将发生改变，并对切削力产生影响。因此，在针对采用弱刚度刀具的微铣削过程的切削力建模过程中，需要考虑因实际切削方向变化导致的切削参数变化所带来的影响。
[0003]文献“T.M.Moges,K.A.Desai,P.V.M.Rao,Modeling of cutting force,tool deflection,and surface error in micro
‑
milling operation,The International Journal of Advanced Manufacturing Technology 98(2018)2865
–
2881.”公开了一种考虑刀具弱刚度变形的微铣削切削力建模方法。该方法将微铣刀视为悬臂梁，在计算了加工过程中的刀具变形后，根据相邻刀齿轨迹判断了瞬时未变形厚度，然后结合迭代算法对铣削过程进行了建模。
[0004]上述参考文献的典型特点是：在弱刚度铣刀加工过程中，仅仅考虑铣刀切削刃的位置变化影响，而忽略了切削方向的变化及其影响。微铣削过程中，铣刀变形程度相对其回转半径更大，切削方向变化将更为剧烈，并对切削力和切削过程产生严重影响，对现有方法的预测准确性产生干扰。

技术实现思路

[0005]要解决的技术问题
[0006]为了克服现有方法早对弱刚度刀具微铣削建模过程中忽略实际切削方向变化影响，无法准确对切削力进行建模的缺陷，本专利技术提供一种考虑实际切削方向变化及其影响的微铣削切削力预测方法。
[0007]技术方案
[0008]一种考虑刀具变形影响的微铣削切削力建模方法，其特征在于步骤如下：
[0009]步骤1：显微观测所用刀具的半径r，单位为毫米；切削刃刀尖钝圆的半径r
e
，单位为毫米；以及刀具设计前角α，单位为度；
[0010]步骤2：查阅材料手册和供应商数据，获取工件材料的剪切屈服强度τ，单位为兆帕；以及铣刀材料的杨氏模量，单位为兆帕；
[0011]步骤3：将所用刀具沿轴向等分为H个单元，对于第m单元，在时刻t＝t
i
，其因刀具变形而产生的位置变化量d
m
以及变形方向α
d
；
[0012]步骤4：以机床主轴轴心为原点，定义进给方向为x轴正方向，进给方向逆时针侧的
法向为y轴正方向，建立坐标系；令在时刻t＝t
i
，刀具旋转位置角为φ(t
i
)，单位为度；此时刻刀尖位置坐标(x(t
i
),y(t
i
))由下式计算得到：
[0013][0014]式中v
f
为铣刀的进给速度；
[0015]步骤5：令前一时刻t
i
‑1时的刀尖位置为(x(t
i
‑1),y(t
i
‑1))，通过下式计算时刻t
i
的切削方向偏移量φ
d
(t
i
)：
[0016][0017]步骤6：自刀尖位置(x(t
i
),y(t
i
))，沿刀具旋转位置角方向向刀心方向做射线，寻找所作射线与前一刀齿轨迹的交点，计算刀尖位置与交点之间距离，作为当前时刻t
i
的瞬时未变形切屑厚度h0；
[0018]步骤7：通过下式计算名义未变形切屑厚度h
n
：
[0019]h
n
＝h0+h
p
[0020]其中，h
p
为前一时刻产生的材料堆积高度；
[0021]步骤8：铣削过程的实际前角α
a
由下式计算得到：
[0022]α
a
＝α+φ
d
(t
i
)
[0023]步骤9：铣削过程的实际剪切角由下式计算得到：
[0024][0025]式中α
s
为等效前角，单位为度；β
s
为摩擦角，单位为度；
[0026]步骤10：剪切区域厚度h
s
和犁切区域厚度h
e
由下式确定：
[0027][0028]步骤11：通过下式计算切削力：
[0029][0030]其中F
t
为切向切削力，F
r
为法向切削力，单位为牛顿；ι为斜角切削倾斜角，单位为度，与铣削过程中铣刀螺旋角一致；B为切削宽度，单位为毫米；K
te
、K
re
、p
te
、p
re
、q
te
和q
re
为犁切力系数；
[0031]步骤12：对于具有K个刀齿的铣刀，共J个轴向分段参与切削的铣削过程，通过下式
计算铣刀受到的切削力：
[0032][0033]其中φ
i,j
(θ)为铣刀第k个刀齿的第j个轴向分段上切削刃的瞬时齿位角，单位为度；F
t,k,j
(φ
k,j
(θ))为铣刀第k个刀齿的第j个轴向分段上切削刃受到的切向切削力，F
r,k,j
(φ
k,j
(θ))为铣刀第k个刀齿的第j个轴向分段上切削刃受到的法向切削力；
[0034]步骤13：重复步骤3至步骤12进行循环迭代，直至两次相邻迭代铣刀变形量d
m
变化值小于给定允许误差值；
[0035]步骤14：进入下一时刻t＝t
i+1
，令i＝i+1，循环步骤3至步骤14，直至切削过程结束。
[0036]一种计算机系统，其特征在于包括：一个或多个处理器，计算机可读存储介质，用于存储一个或多个程序，其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现上述的方法。
[0037]一种计算机可读存储介质，其特征在于存储有计算机可执行指令，所述指令在被执行时用于实现上述的方法。
[0038]有益效果
[0039]本专利技术提供的一种考虑刀具变形影响的微铣削切削力建模方法，该方法首先在考虑刀具变形的情况下，采用坐标算法对铣削过程中切削刃处的瞬时未变形切屑厚度进行了建模，并计算出实际切削方向与理论切削方向之间的偏差；然后基于实际切削方向，依据定义，对本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑刀具变形影响的微铣削切削力建模方法，其特征在于步骤如下：步骤1：显微观测所用刀具的半径r，单位为毫米；切削刃刀尖钝圆的半径r
e
，单位为毫米；以及刀具设计前角α，单位为度；步骤2：查阅材料手册和供应商数据，获取工件材料的剪切屈服强度τ，单位为兆帕；以及铣刀材料的杨氏模量，单位为兆帕；步骤3：将所用刀具沿轴向等分为H个单元，对于第m单元，在时刻t＝t
i
，其因刀具变形而产生的位置变化量d
m
以及变形方向α
d
；步骤4：以机床主轴轴心为原点，定义进给方向为x轴正方向，进给方向逆时针侧的法向为y轴正方向，建立坐标系；令在时刻t＝t
i
，刀具旋转位置角为φ(t
i
)，单位为度；此时刻刀尖位置坐标(x(t
i
),y(t
i
))由下式计算得到：式中v
f
为铣刀的进给速度；步骤5：令前一时刻t
i
‑1时的刀尖位置为(x(t
i
‑1),y(t
i
‑1))，通过下式计算时刻t
i
的切削方向偏移量φ
d
(t
i
)：步骤6：自刀尖位置(x(t
i
),y(t
i
))，沿刀具旋转位置角方向向刀心方向做射线，寻找所作射线与前一刀齿轨迹的交点，计算刀尖位置与交点之间距离，作为当前时刻t
i
的瞬时未变形切屑厚度h0；步骤7：通过下式计算名义未变形切屑厚度h
n
：h
n
＝h0+h
p
其中，h
p
为前一时刻产生的材料堆积高度；步骤8：铣削过程的实际前角α
a
由下式计算得到：α
a
＝α+φ
d
...

【专利技术属性】
技术研发人员：万敏，温丹阳，张卫红，杨昀，令狐少聪，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：