振动作用下铣刀后刀面摩擦力和热传导的热力学熵值解算方法技术

本发明专利技术提出振动作用下铣刀后刀面摩擦力和热传导的热力学熵值解算方法，属于铣削过程中的摩擦热力学技术领域。包括以下步骤：S1.振动作用下刀齿后刀面摩擦力熵值模型；S2.振动作用下铣削过程中后刀面一维热传导熵产生的解算方法；S3.振动作用下铣削过程中后刀面一维热传导熵流的解算方法。解决现有技术中存在的没有考虑到铣削过程中振动对摩擦速度摩擦应力影响的技术问题。了铣削过程中刀具振动对瞬时铣削行为的影响，通过分析瞬时铣削行为进一步考虑了刀具振动对刀齿后刀面和加工过渡表面组成的摩擦体系的热力学行为的影响。表面组成的摩擦体系的热力学行为的影响。表面组成的摩擦体系的热力学行为的影响。

【技术实现步骤摘要】
振动作用下铣刀后刀面摩擦力和热传导的热力学熵值解算方法


[0001]本申请涉及铣刀后刀面摩擦力和热传导的热力学熵值解算方法，尤其涉及振动作用下铣刀后刀面摩擦力和热传导的热力学熵值解算方法，属于铣削过程中的摩擦热力学


技术介绍

[0002]高效铣削技术是在保证工件加工表面质量的前提下，具有更高的切削效率，其可以节约加工成本，目前在航空航天、汽车制造和模具加工等领域有着广泛的应用。但是由于整个铣削过程中刀具振动信号总在时刻变化，导致刀齿后刀面沿着工件坐标系的三个方向有不同的瞬时偏置距离，从而改变刀齿后刀面与工件加工过渡表面的接触关系使后刀面与加工过渡表面组成的摩擦体系的状态复杂多变，进而令后刀面瞬时磨损程度呈非线性变化。
[0003]摩擦体系的状态复杂多变的根本原因是摩擦体系的子过程如后刀面摩擦力引起的熵产生和热传导引起熵产生在整个切削过程中会随着刀齿切入和接触时间的变化而不断变化。现有的方法一般考虑的是将两个对模块进行对磨，采用平稳的摩擦变量进行解算相应的熵产生，但是实际上，铣削过程中存在着不可避免的铣削振动，会改变后刀面与加工过渡表面的瞬时接触关系，从而导致摩擦应力及摩擦速度等摩擦变量呈现非稳态变化；而且铣削是一个断续切削的过程，铣削中刀齿循环切入工件且单个刀齿与工件的接触时间不同相应热传导的熵产生也会不同。所以在解算摩擦力及热传导引起的熵产生时要是不考虑铣削振动情况和刀齿与工件的接触时间就无法准确表达摩擦体系的状态。
[0004]但是现有的技术并没有考虑到铣削过程中振动对摩擦速度摩擦应力的影响，这些摩擦体系中的变量不仅会影响由摩擦力引起的熵产生，还会进一步作用在摩擦界面，影响后刀面的热传导情况。

技术实现思路

[0005]在下文中给出了关于本专利技术的简要概述，以便提供关于本专利技术的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本专利技术的穷举性概述。它并不是意图确定本专利技术的关键或重要部分，也不是意图限定本专利技术的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
[0006]鉴于此，为解决现有技术中存在的没有考虑到铣削过程中振动对摩擦速度摩擦应力影响的技术问题，本专利技术提供振动作用下铣刀后刀面摩擦力和热传导的热力学熵值解算方法，本专利技术考虑了铣削过程中振动对摩擦体系中摩擦变量的影响，构建振动作用下刀齿后刀面摩擦力熵值模型，解算振动作用下刀齿后刀面由摩擦力与热传导引起的熵产生可以准确表达出真实铣削过程粘滞性流动过程和热传导过程的状态。
[0007]方案一、振动作用下铣刀后刀面摩擦力和热传导的热力学熵值解算方法，包括以
下步骤：
[0008]S1.振动作用下刀齿后刀面摩擦力熵值模型；
[0009]S2.振动作用下铣削过程中后刀面一维热传导熵产生的解算方法；
[0010]S3.振动作用下铣削过程中后刀面一维热传导熵流的解算方法。
[0011]优选的，振动作用下刀齿后刀面摩擦力熵值模型具体为：
[0012]对刀齿误差和振动综合作用下高进给铣刀的动态切削过程进行建模，仿真中各坐标系的转换模型为：
[0013]刀齿上任一点由刀齿坐标系转换为振动作用下切削坐标系中的转换关系为：
[0014][x
v y
v z
v 1]T
＝B2B1A1[x
i y
i z
i 1]T
ꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0015]其中，x
v
y
v
z
v
为振动作用下的铣刀切削坐标系，x
i
y
i
z
i
为刀齿坐标系；
[0016]A1为平移矩阵，B
1 B2为旋转矩阵：
[0017][0018][0019]其中，φ
i
为x
i
轴与x
c
轴的夹角，ψ
i
为y
v
轴与y
c
轴的夹角，ω
i
为x
i
轴与y
c
轴的夹角；
[0020]该点由振动作用下的切削坐标系转换到工件坐标系的转换关系为：
[0021][X
g Y
g Z
g 1]T
＝A3A2B4B3[x
v y
v z
v 1]T
ꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0022]其中，X
g
Y
g
Z
g
为工件坐标系，A
2 A3位平移矩阵、B3B4为旋转矩阵：
[0023][0024][0025]其中，δ
1(t)
、δ
2(t)
分别为铣刀姿态角δ
(t)
在平面x
d
‑
o
d
‑
y
d
、x
d
‑
o
d
‑
z
d
的投影角，a
e
为刀具铣削宽度，v
f
为刀具进给速度，a
p
为刀具铣削深度，r
i
为刀齿i刀尖点的回转半径，A
x
(t)、A
y
(t)、A
z
(t)分别为振动作用下的铣刀切削坐标系原点沿着x
d
、y
d
、z
d
方向的偏置距离，W和H分别为工件的宽和高；
[0026]刀齿上任一点通过刀齿坐标系转换到工件坐标系的转换关系为：
[0027][X
g Y
g Z
g 1]T
＝A3A2B4B3B2B1A1[x
i y
i z
i 1]T
ꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0028]刀齿后刀面任一点在工件坐标系内的相对运动速度v
r
分量为：
[0029][0030]其中，H
i
为刀齿后刀面轨迹方程，x(t),y(t),z(t)分别为t时刻刀齿后刀面在x,y,z方向上的位移，v
rx
(t)为t时刻x方向的相对运动速度，v
ry
(t)为t时刻y方向的相对运动速度，v
rz
(t)为t时刻z方向的相对运动速度，表示位移对时间求偏导；
[0031][0032]其中，v
r
为铣刀后刀面任一点在工件坐标系当中的相对运动速度，v
rx
(t)为t时刻x方向的相对运动速度，v
ry
(t)为t时刻y方向的相对运动速度，v
rz
(t)为t时刻z方向的相对运动速度；
[0033]后刀面任一点在工件坐标系里法向量分量为：
[0034][0035]根据向量夹角公式：
[0036]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.振动作用下铣刀后刀面摩擦力和热传导的热力学熵值解算方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.振动作用下刀齿后刀面摩擦力熵值模型；S2.振动作用下铣削过程中后刀面一维热传导熵产生的解算方法；S3.振动作用下铣削过程中后刀面一维热传导熵流的解算方法。2.根据权利要求1所述的振动作用下铣刀后刀面摩擦力和热传导的热力学熵值解算方法，其特征在于，振动作用下刀齿后刀面摩擦力熵值模型具体为：对刀齿误差和振动综合作用下高进给铣刀的动态切削过程进行建模，仿真中各坐标系的转换模型为：刀齿上任一点由刀齿坐标系转换为振动作用下切削坐标系中的转换关系为：[x
v y
v z
v 1]
T
＝B2B1A1[x
i y
i z
i 1]
T
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)其中，x
v
y
v
z
v
为振动作用下的铣刀切削坐标系，x
i
y
i
z
i
为刀齿坐标系；A1为平移矩阵，B
1 B2为旋转矩阵：为旋转矩阵：其中，φ
i
为x
i
轴与x
c
轴的夹角，ψ
i
为y
v
轴与y
c
轴的夹角，ω
i
为x
i
轴与y
c
轴的夹角；该点由振动作用下的切削坐标系转换到工件坐标系的转换关系为：[X
g Y
g Z
g 1]
T
＝A3A2B4B3[x
v y
v z
v 1]
T
ꢀꢀꢀꢀ
(4)其中，X
g
Y
g
Z
g
为工件坐标系，A
2 A3位平移矩阵、B3B4为旋转矩阵：为旋转矩阵：其中，δ
1(t)
、δ
2(t)
分别为铣刀姿态角δ
(t)
在平面x
d
‑
o
d
‑
y
d
、x
d
‑
o
d
‑
z
d
的投影角，a
e
为刀具铣削宽度，v
f
为刀具进给速度，a
p
为刀具铣削深度，r
i
为刀齿i刀尖点的回转半径，A
x
(t)、A
y
(t)、A
z
(t)分别为振动作用下的铣刀切削坐标系原点沿着x
d
、y
d
、z
d
方向的偏置距离，W和H分别为工件的宽和高；
刀齿上任一点通过刀齿坐标系转换到工件坐标系的转换关系为：[X
g Y
g Z
g 1]
T
＝A3A2B4B3B2B1A1[x
i y
i z
i 1]
T
ꢀꢀꢀꢀ
(7)刀齿后刀面任一点在工件坐标系内的相对运动速度v
r
分量为：其中，H
i
为刀齿后刀面轨迹方程，x(t),y(t),z(t)分别为t时刻刀齿后刀面在x,y,z方向上的位移，v
rx
(t)为t时刻x方向的相对运动速度，v
ry
(t)为t时刻y方向的相对运动速度，v
rz
(t)为t时刻z方向的相对运动速度，表示位移对时间求偏导；其中，v
r
为铣刀后刀面任一点在工件坐标系当中的相对运动速度，v
rx
(t)为t时刻y方向的相对运动速度，v
ry
(t)为t时刻z方向的相对运动速度，v
rz
(t)为t时刻z方向的相对运动速度；后刀面任一点在工件坐标系里法向量分量为：根据向量夹角公式：后刀面任一点的摩擦速度为：v
m
(t)＝
‑
sinε
·
v
r
(t)
ꢀꢀꢀꢀ
(12)利用刀工界面原子之间能量转换关系，构建摩擦能耗解算模型为：式中，E为t时刻下所吸收的能量；ω为原子受迫振动频率；a为晶格常数；h为普朗克常量；k为波尔兹曼常量；T为原子界面温升；刀齿后刀面摩擦力在dt时间内所做的功为：dW＝μ(x
i
,y
i
,z
i
,t)
·
F
n
(x
i
,y
i
,z
i
,t)
·
v
m
(x
i
,y
i
,z
i
,t)
·
dt
ꢀꢀꢀꢀ
(14)其中，F
n
(x
i
,y
i
,z
i
,t)刀齿后刀面一点在t时刻所受的正压力：F
n
(x
i
,y
i
,z
i
,t)＝σ
n
(x
i
,y
i
,z
i
,t)
·
ds(x
i
,y
i
,z
i
)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)通过三维空间曲面面积计算得：
构建刀齿后刀面在工件坐标系中的所受应力求σ
n
(x
i
,y
i

【专利技术属性】
技术研发人员：赵培轶，马朝阳，姜彬，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：