切削刃位置与剪切应力关联的微钻切削力建模方法技术

本发明专利技术涉及一种切削刃位置与剪切应力关联的微钻切削力建模方法，属于机械加工技术领域。该方法首先获取材料相关属性和刀具参数，再通过Johnson

【技术实现步骤摘要】
切削刃位置与剪切应力关联的微钻切削力建模方法


[0001]本专利技术属于机械加工
，涉及微钻切削力建模方法，特别涉及一种考虑切削刃位置对工件材料剪切应力影响的微钻切削力建模方法。

技术介绍

[0002]在微钻削过程中，由于钻头的切削刃沿刀具径向排布，切削刃上不同位置切削速度以及刀具前角不同，导致工件材料的剪切应力不恒定，进而影响钻削力的预测。因此在钻削力建模过程中要考虑切削位置对切削力系数的影响。
[0003]文献1“Anand R.S.,Patra K.,Steiner M.,Biermann D..Mechanistic modeling of micro
‑
drilling cutting forces[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2017,88:241
–
254.”公开了一种适用于微钻削过程中的切削力模型，该模型首先利用微钻削实验数据实现切削刃平均剪切力系数与摩擦力系数的标定，然后使用标定系数建立钻削力预测模型。但这种方法为经验方法，无法揭示钻削力生成机理，且该模型没有考虑切削刃不同位置剪切应力的变化。
[0004]文献2“Sambhav K.,Tandon P.,Kapoor S.G.,Dhande S.G..Mathematical modeling of cutting forces in microdrilling[J].Journal of Manufacturing Science and Engineering
‑
transactions of The ASME,2013,135:014501.”公开了一种适用于微钻削刀具的主切削刃切削力模型，该方法将主切削刃沿刀具径向离散为一系列正交切削微单元，并基于滑移线对不同微单元求解切削力，进而建立了主切削刃轴向力计算模型，最后根据实验结果进行修正。但这种方法忽略了切削刃位置对剪切应力的影响。
[0005]以上文献的典型特点是：在微钻切削力建模时，均没有考虑切削位置不同导致的剪切应力和切削力系数变化。

技术实现思路

[0006]要解决的技术问题
[0007]为了克服现有方法微钻切削力建模方法的不足，本专利技术提供一种考虑切削刃位置对工件材料剪切应力影响的微钻切削力建模方法。该方法首先获取材料相关属性和刀具参数，再通过Johnson
‑
Cook本构模型，建立剪切应力与刀具前角、剪切角、摩擦角、切削速度间的方程式，接着求解得到剪切应力的数值，最后根据剪切应力分别求得主切削刃和横刃产生的切削力，最终得到总切削力。
[0008]预期的技术效果：本专利技术提供的考虑切削刃位置工件材料剪切应力影响的切削力建模方法考虑了不同切削位置的工件材料属性与切削力系数变化，实现微钻削过程切削力的准确预测。
[0009]技术方案
[0010]一种切削刃位置与剪切应力关联的微钻切削力建模方法，其特征在于步骤如下：
[0011]步骤1：测量刀具参数，将主切削刃沿刀具径向等分成N个长度为p的正交切削微单
元，第j个微单元刀具有效前角α
j
通过下式计算：
[0012][0013]h＝0.5f sin k
t
[0014]h
lim,j
＝r
e
(1+sinα)
[0015][0016]式中α是微单元名义前角，r
j
是微单元至刀具圆心的距离，w是横刃半径，h
R
是螺旋角，k
t
是半峰角，h是切削厚度，f是进给量，h
lim,j
是临界未变形切削厚度；
[0017]步骤2：材料剪切应力τ
j
通过下式计算：
[0018][0019][0020][0021][0022]式中A、B、C、m、n均为Johnson
‑
Cook材料本构模型参数，β
j
为摩擦角，V
j
是微单元切削速度，o是主轴转速，γ是剪切能量转化为温度的百分比，T
m
是材料熔点，C
p
是材料比热熔，ρ是材料密度，T
r
是室温，λ
s,j
是剪切面上的热量分配系数，φ
j
是剪切角，K
w
是热导率；
[0023]步骤3：第j个微单元处的切向剪切力系数K
tc,j
、径向剪切力系数K
rc,j
、切向犁切力系数K
te,j
、径向犁切力系数K
re,j
通过下式计算：
[0024][0025][0026][0027][0028]式中参数θ0取为14
°
；
[0029]步骤4：第j个微单元的切削力通过下式计算：
[0030][0031]b
j
＝pcosi
j
/sink
t
[0032]dF
t,j
＝K
tc,j
b
j
h+K
te,j
b
j
[0033]dF
r,j
＝K
rc,j
b
j
h+K
re,j
b
j
[0034]式中i
j
是倾斜角，b
j
是切削宽度，dF
t,j
是微单元切向切削力，dF
r,j
是微单元径向切削力；
[0035]步骤5：将第j个微单元的切削力转化至机床坐标系z方向：
[0036][0037]式中dF
z,j
是微单元z方向切削力；
[0038]步骤6：主切削刃总钻削力F1通过下式计算：
[0039]F1＝2∑dF
z,j
[0040]步骤7：将横刃分为第二切削刃以及挤压区，将第二切削刃划分为M个正交切削微单元，第s个微单元的刀具有效前角α
s
通过下式计算：
[0041][0042]式中是横刃斜角；
[0043]步骤8：通过步骤4计算第s个微单元的切削力dF
t,s
，第二切削刃总轴向力F2通过下式计算：
[0044]F2＝2∑dF
t,s
[0045]步骤9：联立求解下列方程：
[0046][0047]式中ψ是楔体夹角，δ是滑移线旋转角度，挤压区轴向力F3通过下式计算：
[0048][0049]步骤10：则最终总轴向切削力F通过下式计算：
[0050]F＝F1+F2+F3。
[0051]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，当本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种切削刃位置与剪切应力关联的微钻切削力建模方法，其特征在于步骤如下：步骤1：测量刀具参数，将主切削刃沿刀具径向等分成N个长度为p的正交切削微单元，第j个微单元刀具有效前角α
j
通过下式计算：h＝0.5f sin k
t
h
lim,j
＝r
e
(1+sinα)式中α是微单元名义前角，r
j
是微单元至刀具圆心的距离，w是横刃半径，h
R
是螺旋角，k
t
是半峰角，h是切削厚度，f是进给量，h
lim,j
是临界未变形切削厚度；步骤2：材料剪切应力τ
j
通过下式计算：通过下式计算：通过下式计算：通过下式计算：式中A、B、C、m、n均为Johnson
‑
Cook材料本构模型参数，β
j
为摩擦角，V
j
是微单元切削速度，o是主轴转速，γ是剪切能量转化为温度的百分比，T
m
是材料熔点，C
p
是材料比热熔，ρ是材料密度，T
r
是室温，λ
s,j
是剪切面上的热量分配系数，φ
j
是剪切角，K
w
是热导率；步骤3：第j个微单元处的切向剪切力系数K
tc,j
、径向剪切力系数K
rc,j
、切向犁切力系数K
te,j
、径向犁切力系数K
re,j
通过下式计算：通过下式计算：通过下式计算：通过下式计算：式中参数θ0取为14
°
；步骤4：第j个微单元的切削力通过下式计算：
b
j

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