一種適用于難加工材料高速車(chē)削過(guò)程的切削力建模方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明屬于金屬切削加工相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，并公開(kāi)了一種適用于難加工材料高速車(chē)削過(guò)程的切削力建模方法，包括：(i)構(gòu)建表達(dá)式來(lái)反映整個(gè)車(chē)削過(guò)程中的切削厚度變化狀況；(ii)針對(duì)切削力沿著切削、徑向和軸向的方向，分別表征和計(jì)算對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)切削力系數(shù)；(iii)結(jié)合所獲得的動(dòng)態(tài)切削厚度和動(dòng)態(tài)切削力系數(shù)，建立可真實(shí)反映難加工材料高速車(chē)削過(guò)程的切削力模型。通過(guò)本發(fā)明，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)整體高速車(chē)削過(guò)程中切削力更為全面、準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，并高質(zhì)高效地控制切削過(guò)程并提供針對(duì)性的工藝指導(dǎo)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種適用于難加工材料高速車(chē)削過(guò)程的切削力建模方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于金屬切削加工相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種適用于難加工材料 高速車(chē)削過(guò)程的切削力建模方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科技的不斷進(jìn)步和人類(lèi)社會(huì)不斷的發(fā)展，零部件的高質(zhì)量要求使得制造業(yè)越 來(lái)越重視材料的高效加工，與之出現(xiàn)越來(lái)越多的難加工材料，尤其是在航空航天、核工業(yè)、 軍工工業(yè)等領(lǐng)域。難加工材料有著優(yōu)良特性的同時(shí)也給車(chē)削加工帶來(lái)了困難，其微觀結(jié)構(gòu) 中含碳化物硬質(zhì)點(diǎn)、導(dǎo)熱率低、比熱容小、高溫強(qiáng)度高、剪應(yīng)力高、粘性大，導(dǎo)致切削力大，切 削溫度高，加速了刀具磨損，從而增加了制造成本。高速車(chē)削加工正是在這樣的環(huán)境下應(yīng)運(yùn) 而生，而且隨著刀具生產(chǎn)技術(shù)的快速發(fā)展，譬如CBN(立方氮化硼）刀具的出現(xiàn)更是給高速精 加工提供了保障。
[0003] 更進(jìn)一步的研究表明，高速車(chē)削加工過(guò)程中的切削力，直接影響加工變形及切削 熱的產(chǎn)生，并進(jìn)一步影響刀具磨損、刀具使用壽命、加工精度和已加工表面質(zhì)量;切削力同 時(shí)又是計(jì)算切削功率，制定合理的切削用量，設(shè)計(jì)刀具、機(jī)床、夾具的重要參數(shù)。在現(xiàn)有技術(shù) 中，針對(duì)難加工材料的車(chē)削加工切削力建模通常是基于常切削力系數(shù)模型，例如Sabberwal A J等提出的對(duì)車(chē)削過(guò)程中的剖面及切削力分析（參見(jiàn)"section and cutting force during the milling operation"，CIRP Ann, 1961，10(3):62.)。然而，考慮到對(duì)于高速切 削過(guò)程中尤其是針對(duì)難加工材料執(zhí)行車(chē)削加工時(shí)，切削參數(shù)通常比較小，整個(gè)切削過(guò)程中 CBN刀具主要是圓弧刀刃參與切削，并導(dǎo)致切削區(qū)域變形厚度不一樣，相應(yīng)地，常系數(shù)切削 力系數(shù)模型對(duì)于變動(dòng)態(tài)切削厚度的情況并不適用，因此本領(lǐng)域亟需尋找更為準(zhǔn)確、全面的 切削力建模工藝，以便滿(mǎn)足難加工材料車(chē)削過(guò)程中更高質(zhì)量和效率的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種適用于難加工材料高速 車(chē)削過(guò)程的切削力建模方法，其中通過(guò)基于難加工材料車(chē)削過(guò)程中的切削受力過(guò)程的深入 研究和分析，采用動(dòng)態(tài)切削厚度和動(dòng)態(tài)切削力系數(shù)來(lái)表征切削厚度的實(shí)際變化過(guò)程，并在 此基礎(chǔ)上構(gòu)建特定的切削力算法模型，相應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)整體高速車(chē)削過(guò)程中切削力更為全 面、準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，并高質(zhì)高效地控制切削過(guò)程并提供針對(duì)性的工藝指導(dǎo)，因而尤其適用于難 加工技術(shù)材料的車(chē)削加工應(yīng)用場(chǎng)合。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明，提供了一種適用于難加工材料高速車(chē)削過(guò)程的切 削力建模方法，其特征在于，該方法包括：
[0006] ( i)針對(duì)難加工材料執(zhí)行車(chē)削加工，并為整個(gè)車(chē)削過(guò)程中的切削厚度變化狀況建 立如下的表達(dá)式：
[0008] 其中，lu表示車(chē)削過(guò)程中所產(chǎn)生切肩的第i個(gè)微元的動(dòng)態(tài)切削厚度，單位為毫米; 表不刀具自身的徑向與進(jìn)給方向之間的動(dòng)態(tài)夾角，且其與各個(gè)hi 相對(duì)應(yīng);R表不刀具的 刀尖半徑，單位為毫米;aP表示刀具的切削深度，單位為毫米;f表示刀具的進(jìn)給速度，單位 為毫米/轉(zhuǎn);此外，表示切削幾何的起始角，并被設(shè)定為等于
表示切削幾 何的中間臨界角，并被設(shè)定為等于
則表示切削幾何的終止 角，并被設(shè)定為等于
[0009] (i i))針對(duì)切削力沿著切向、徑向和軸向的三個(gè)方向，相應(yīng)建立如下所示的多項(xiàng)表 達(dá)式，并分別計(jì)算得出各自對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)切削力系數(shù)：
[0010] Ktc,i = Ktc3 ? hi3+Ktc2 ? hi2+Ktci ? hi+Ktc〇
[001 1 ] Krc,i = Krc3 * hi3+Krc2 * hi2+Krcl * hi+KrcO
[0012] Kac,i = Kac3 ? hi3+Kac2 ? hi2+Kacl ? hi+Kac0
[0013]其中，Ktq表示所述第i個(gè)微元沿著切向方向的動(dòng)態(tài)切削力系數(shù);Krq表示所述第i 個(gè)微元沿著徑向方向的動(dòng)態(tài)切削力系數(shù);Ka。, i表示所述第i個(gè)微元沿著軸向方向的動(dòng)態(tài)切 削力系數(shù);1^3、1^2、1^1和1^()分別是用于描述1^, 1與111兩者之間三階、二階、一階以及零階 數(shù)值關(guān)系的特性值;Krc3、K rc2 UmW分別是用于描述Krc, i與hi兩者之間三階、二階、一階 以及零階數(shù)值關(guān)系的特性值;1^3、1^2、1^ 1和1^()分別是用于描述1(^與匕兩者之間三階、二 階、一階以及零階數(shù)值關(guān)系的特性值；
[0014] (iii)結(jié)合步驟(i)和步驟(ii)分別所獲得的動(dòng)態(tài)切削厚度和動(dòng)態(tài)切削力系數(shù)，對(duì) 其繼續(xù)執(zhí)行微分計(jì)算，相應(yīng)獲得如下函數(shù)表達(dá)式所共同表征的切削力模型： dF,' = K,' '?h，RcW Iic，i+ i
[ooi 5] < dFr} - Krr ?/?/ ? Rd0
[0016] 其中，dFM表示所述第i個(gè)微元所受切削力在切向方向上的分力，dFr,i表示所述第 i個(gè)微元所受切削力在徑向方向上的分力，dFM則表示所述第i個(gè)微元所受切削力在軸向方 向上的分力，由此完成整體的切削力建模過(guò)程。
[0017] 作為進(jìn)一步優(yōu)選地，對(duì)于步驟（i i)而言，所有特征值優(yōu)選基于以下表達(dá)式統(tǒng)一進(jìn) 行計(jì)算： 「J ―嚴(yán)（T 召 Ol ) 1 B ol r
[0018] K^=\ M -A 0 B 0 L B -A Q ?#' 0 0 r 0 0 C , ,7 0 0 c,, n .L_ 」3義12 L 」3~x.l；2」 l- 」：5xl；2.
[0019] A= [hi4sin9i ? Rd9 hi3sin9i ? Rd9 hi2sin9i ? Rd9 h^sinQi ? Rd9]
[0020] B= [hi4cos9i ? Rd9 hi3cos9i ? Rd9 hi2cos9i ? Rd9 hiVosQi ? Rd9]
[0021] C=[hi4 ? Rd9 hi3 ? Rd9 hi2 ? Rd9 hi1 ? Rd9]
[0022] 其中，F(xiàn)表示對(duì)車(chē)削過(guò)程實(shí)際所測(cè)得的切削力，K是由上述十二個(gè)特性值所共同組 成的 1 X 12矩陣，并且該矩陣中按照KtC3、KtC2、Ktci、Ktc。、Krc3、K rc2、Krcl、Krc〇、Kac3、Kac2、K acl和 M 0" Kac〇的次序依次排列;A、B和C分別表不3X 12矩陣及-.4 〇 中的各個(gè)分塊矩陣，其中分 0 0 C ,,, L 」3xl+2:: 塊矩陣A被設(shè)定為等于[hi4sin9i ? Rd9 hi3sin9i ? Rd9 hi2sin9i ? Rd9 hiisinQi ? Rd9]，分塊 矩陣B被設(shè)定為等于[hi4cos9i ? Rd9 hi3cos9i ? Rd9 hi2cos9i ? Rd9 hiVosQi ? Rd9]，分塊矩 陣C則被設(shè)定為等于[hi4 ? Rd0 hi3 ? Rd0 hi2 ? Rd0 hi1 ? Rd0]。
[0023] 為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述難加工材料優(yōu)選為高溫合金。
[0024] 作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述車(chē)削刀具優(yōu)選為CBN刀具。
[0025] 總體而言，通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，通過(guò)對(duì)難加工材 料車(chē)削加工過(guò)程中的受力狀態(tài)進(jìn)行深入的研究分析，尤其是對(duì)車(chē)削過(guò)程中的切削幾何形狀 進(jìn)行具體的推導(dǎo)計(jì)算，相應(yīng)所建立的動(dòng)態(tài)切削厚度公式及其動(dòng)態(tài)切削力系數(shù)模型能夠更為 全面、準(zhǔn)確地反應(yīng)實(shí)際切削過(guò)程，同時(shí)具備便于操控、高效率和高精度等特點(diǎn)，并為實(shí)際加 工進(jìn)一步指導(dǎo)刀具切削性能以及刀具磨損預(yù)測(cè)等提供了有利指導(dǎo)。
【附圖說(shuō)明】
[0026] 圖1是按照本發(fā)明所構(gòu)建的適用于難加工材料高速車(chē)削過(guò)程的切削力建模方法的 整體工藝流程圖；
[0027]圖2是用于顯示車(chē)削加工過(guò)程中切削合力和分力的示意圖；
[0028]圖3a更為具體地顯示了刀具車(chē)削過(guò)程中的切削幾何示意圖；
[0029]圖3b更為具體地顯示了刀具相鄰兩次車(chē)削加工的切削剖面路徑示意圖；
[0030]圖4a示范性顯示了刀尖半徑為0.4mm的刀具在車(chē)削難加工材料時(shí)切削力系數(shù)隨切 削厚度而變化的曲線(xiàn)示意圖；
[0031]圖4b示范性顯示了刀尖半徑為0.4mm的刀具在車(chē)削難加工材料時(shí)切削力系數(shù)隨切 削厚度而變化的曲線(xiàn)示意圖；
[0032]圖5a示范性顯示了切削深度為0.1mm、刀尖半徑為0.8mm時(shí)，按照本發(fā)明所建模預(yù) 測(cè)的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間的對(duì)比示意圖；
[0033]圖5b示范性顯示了切削深度為0.1mm、刀尖半徑為0.8mm時(shí)，按照本發(fā)明所建模預(yù) 測(cè)的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間的對(duì)比示意圖。
[0034] 在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來(lái)表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：
[0035] 1-工件2-刀具3-基面
【具體實(shí)施方式】
[0036]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要 彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0037]圖2是用于顯示車(chē)削加工過(guò)程中切削合力和分力的示意圖。如圖2中所示，其中Fx， Fy，F(xiàn)z分別為切削力在進(jìn)給速度方向、切削厚度方向以及切削速度方向的分力。但由于刀具 都帶有刀尖半徑，使得刀具在切削金屬材料尤其是難加工金屬材料時(shí)，刀片會(huì)留下一系列 凹面，而且切削的變形厚度也是不一樣的也即發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，因此，現(xiàn)有技術(shù)中所提出的恒 定切厚切削力系數(shù)模型實(shí)際上難以真實(shí)、準(zhǔn)確地反映出車(chē)削加工過(guò)程中的切削力，有必要 作出進(jìn)一步的研究和改進(jìn)。
[0038] 具體如圖3a和3b所示，其中圖3a顯示了 CBN刀具車(chē)削過(guò)程中的切削幾何示意，而圖 3b顯示了刀具相鄰兩次車(chē)削加工的切削剖面路徑。此外，0#P02分別為刀具相鄰兩個(gè)切削位 置的刀尖圓中心，A為切削后殘余高度的頂點(diǎn)，B和C分別為前后兩次切削刀具的切入點(diǎn)。在 車(chē)削加工過(guò)程中〇1和〇2之間的距離為刀具加工時(shí)進(jìn)給速度。
[0039] 可以看出，圖中的切削區(qū)域I為相鄰兩次車(chē)削后所移除部分剖面積，由于需要準(zhǔn)確 預(yù)測(cè)切削過(guò)程中切削力的變化情況，因此需要準(zhǔn)確計(jì)算切削區(qū)域的面積，切削區(qū)域I可由切 削區(qū)域BCD和切削區(qū)域ACD組成，或者由切削區(qū)域ABE減去切削區(qū)域BCE。一般在計(jì)算中，無(wú)論 是忽略切削區(qū)域ACD還切削區(qū)域BCE都不能得到一個(gè)準(zhǔn)確切削區(qū)域面積。尤其是，在實(shí)際高 速車(chē)削加工中，其屬于精加工范疇，切深不會(huì)很大，刀具在切入工件時(shí)是由刀尖圓弧刃部分 切削，切削區(qū)域的切削厚度會(huì)不斷地變化。
[0040] 例如，通過(guò)下表1的切削參數(shù)計(jì)算可知，當(dāng)?shù)镀都鈭A弧半徑為0.4mm時(shí)，切削區(qū)域 BCD和切削區(qū)域BCE分別占切削區(qū)域I的13.34%和12.12% ;當(dāng)?shù)镀都鈭A弧半徑為0.8mm 時(shí)，切削區(qū)域BCD和切削區(qū)域BCE分別占切削區(qū)域I的12.99 %和13.27 %。根據(jù)以上計(jì)算，為 了更為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)切削力，不能忽略切削區(qū)域BCD和切削區(qū)域BCE。因此在本發(fā)明中，考慮將 切削區(qū)域I分為切削區(qū)域BCD和切削區(qū)域ACD組成，或者由切削區(qū)域ABE減去切削區(qū)域BCE兩 部分進(jìn)行計(jì)算。
[0042]表 1
[0043]針對(duì)以上技術(shù)問(wèn)題，作為本發(fā)明的關(guān)鍵改進(jìn)之一，本發(fā)明中首先提出了以下函數(shù) 式來(lái)更為準(zhǔn)確、全面地表征切削厚度隨著切削角度發(fā)生變化的情況，也即對(duì)動(dòng)態(tài)切削厚度 給出了新的函數(shù)式，其具體表達(dá)如下：
[0045] 其中，lu表示車(chē)削過(guò)程中所產(chǎn)生切肩的第i個(gè)微元的動(dòng)態(tài)切削厚度，單位為毫米;0: 表不刀具自身的徑向與進(jìn)給方向之間的動(dòng)態(tài)夾角，且其與各個(gè)hi 相對(duì)應(yīng);R表不刀具的 刀尖半徑，單位為毫米;aP表示刀具的切削深度，單位為毫米;f表示刀具的進(jìn)給速度，單位 為毫米/轉(zhuǎn)。此外，通過(guò)圖中給出的幾何關(guān)系可知，ZC〇2F=0Q，ZB〇2F=9m，ZA〇2F=9l。相應(yīng) 地，可推導(dǎo)計(jì)算得出等于
％等于
等于
;需要說(shuō)明的是，當(dāng)h取值為^時(shí)，其無(wú)論采用上述函數(shù)式組合中的任一計(jì)算 公式，其計(jì)算結(jié)果均相等。
[0046] 將以上動(dòng)態(tài)切削厚度代入本領(lǐng)域公知的基本切削力模型，相應(yīng)可得到作用在微元 切削面上的切削力分別表示為：
[0047] dFt,i=Ktc,i ? dS = Ktc,i ? hi ? Rd9
[0048] dFr,i=Krc,i ? dS = Krc,i ? hi ? Rd9
[0049] dFa,i=Kac,i ? dS = Kac,i ? hi ? Rd0
[0050]其中，dFM表示所述第i個(gè)微元所受切削力在切向方向上的分力，dFy表示所述第 i個(gè)微元所受切削力在徑向方向上的分力，dFM則表示所述第i個(gè)微元所受切削力在軸向方 向上的分力;1。4，1^。4，1^。^分別表示第1個(gè)微元在切向、徑向和軸向隨切削厚度變化的動(dòng) 態(tài)切削力系數(shù)，其譬如可根據(jù)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)定、或是如下文中所述地求解得到，由此完成整 體的切削力建模過(guò)程。
[0051] 作為本發(fā)明的另一關(guān)鍵改進(jìn)，還對(duì)上述動(dòng)態(tài)切削力系數(shù)的具體求解方式繼續(xù)作出 了進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。具體而言，按照本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，可針對(duì)切削力沿著切 向、徑向和軸向的三個(gè)方向，相應(yīng)建立如下所示的多項(xiàng)表達(dá)式，并分別計(jì)算得出各自對(duì)應(yīng)的 動(dòng)態(tài)切削力系數(shù)：
[0052] Ktc，i = Ktc3 ? hi3+KtC2 ? hi2+Ktci ? hi+Ktc〇
[0053] Krc, i - Krc3 ? hi +Krc2 ? hi +Krcl ? hi+KrcO
[0054] Kac,i = Kac3 ? hi3+Kac2 ? hi2+Kaci ? hi+Kac〇
[0055] 其中，Ktq表示所述第i個(gè)微元沿著切向方向的動(dòng)態(tài)切削力系數(shù);Krc>1表示所述第i 個(gè)微元沿著徑向方向的動(dòng)態(tài)切削力系數(shù);Ka。, i表示所述第i個(gè)微元沿著軸向方向的動(dòng)態(tài)切 削力系數(shù);1^3、1^2、1^1和1^()分別是用于描述1^, 1與111兩者之間三階、二階、一階以及零階 數(shù)值關(guān)系的特性值;Krc3、K rc2 UmW分別是用于描述Krc, i與hi兩者之間三階、二階、一階 以及零階數(shù)值關(guān)系的特性值;1^3、1^2、1^ 1和1^()分別是用于描述1(^與匕兩者之間三階、二 階、一階以及零階數(shù)值關(guān)系的特性值;上述十二個(gè)特性值同樣可依照專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)來(lái)預(yù)設(shè)。
[0056] 作為舉例，本發(fā)明優(yōu)選采用了最小二乘法的方式來(lái)求解上述特性值。具體而言，可 基于以下表達(dá)式來(lái)統(tǒng)一計(jì)算所有特征值：
[0057] K=(DtD)_1DtF
[0058]其中，F(xiàn)表示對(duì)車(chē)削過(guò)程實(shí)際所測(cè)得的切削力，K是由上述十二個(gè)特性值所共同組 成的 1X12矩陣，并且該矩陣K 中按照KtC3、KtC2、Ktci、Ktco、Krc3、Krc2、K rcl、Krc〇、Kac3、Kac2、Kacl 和 'A B 0" Km的次序依次排列；此外，設(shè)定B 〇 而A、B和C則分別表示該矩陣D中的各 〇 a c ^ " L 」知1!2，. 個(gè)分塊矩陣：
[0059] A= [hi4sin9i ? Rd9 hi3sin9i ? Rd9 hi2sin9i ? Rd9 h^sinQi ? Rd9]
[0060] B= [hi4cos9i ? Rd9 hi3cos9i ? Rd9 hi2cos9i ? Rd9 hiVosQi ? Rd9]
[0061] C=[hi4 ? Rd9 hi3 ? Rd9 hi2 ? Rd9 hi1 ? Rd9]
[0062]以此方式，測(cè)試表明能夠更為高效、便于處理地求解得出特性值，進(jìn)而獲得最終的 切削力模型。
[0063]下面將結(jié)合一個(gè)具體實(shí)例來(lái)更為清晰地解釋說(shuō)明本發(fā)明的上述建模過(guò)程。
[0064] 實(shí)例選用了刀尖圓弧半徑分別為0.4mm和0.8mm的CBN刀片，在沈陽(yáng)機(jī)床廠生產(chǎn)的 數(shù)控車(chē)床CAK5058njz上進(jìn)行車(chē)削實(shí)驗(yàn)，由此驗(yàn)證上述車(chē)削加工切削力預(yù)測(cè)模型。被加工的 鎳基高溫合金Inconel 718尺寸為:直徑為150mm，長(zhǎng)度為300_的實(shí)心棒料，在每一次切削 實(shí)驗(yàn)前，使用相應(yīng)的刀片光整工件外徑至149mm，這樣既確保了切削深度的準(zhǔn)確性又保證了 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。實(shí)驗(yàn)時(shí)，KISTLER 9257B壓電三向測(cè)力儀被固定在刀柄下面，隨著切削 的進(jìn)行，采用合適的電流放大系數(shù)，通過(guò)型號(hào)為5070A的多通道電流放大器和NI信號(hào)采集器 以及LabVIEW軟件可將實(shí)驗(yàn)中的正交切削力同步反應(yīng)在顯示器上。
[0065]通過(guò)車(chē)削過(guò)程中切削幾何分析以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)以上算法計(jì)算出關(guān)于切削厚度 的多項(xiàng)式模型沿切向、徑向和軸向切削力系數(shù)參數(shù)，并繪制成如圖4a和4b所示切削力系數(shù) 隨動(dòng)態(tài)切厚而變化的曲線(xiàn)。用隨動(dòng)態(tài)切削厚度變化的切削力系數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)刀尖帶圓弧半徑刀 片高速車(chē)削鎳基高溫合金Inconel 718切削力，并給出圖5a和5b所示的不同刀尖半徑刀片 切削時(shí)切削力實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值對(duì)比。如下表2和表3中所示，對(duì)車(chē)削加工實(shí)測(cè)切削力與預(yù)測(cè) 切削力進(jìn)行誤差進(jìn)行分析，切削力沿進(jìn)給速度方向、切削深度方向、切削速度方向的三向分 力F x、Fy、Fz的預(yù)測(cè)力值的―P)與實(shí)測(cè)力值的―m)誤差均小于20%，測(cè)試結(jié)果表明很好地符合 了切削力預(yù)測(cè)模型。
[0068]表 2
[0070]表 3
[0071]綜上，按照本發(fā)明的切削力建模工藝方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)整體高速車(chē)削過(guò)程中切削力 更為全面、準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，并高質(zhì)高效地控制切削過(guò)程并提供針對(duì)性的工藝指導(dǎo)，因而尤其適 用于難加工技術(shù)材料的車(chē)削加工應(yīng)用場(chǎng)合。
[0072]本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以 限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含 在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種適用于難加工材料高速車(chē)削過(guò)程的切削力建模方法，其特征在于，該方法包括： (i)針對(duì)難加工材料執(zhí)行車(chē)削加工，并為整個(gè)車(chē)削過(guò)程中的切削厚度變化狀況建立如 下的表達(dá)式：其中，hi表示車(chē)削過(guò)程中所產(chǎn)生切肩的第i個(gè)微元的動(dòng)態(tài)切削厚度，單位為毫米表示 刀具自身的徑向與進(jìn)給方向之間的動(dòng)態(tài)夾角，且其與各個(gè)hi-一相對(duì)應(yīng);R表示刀具的刀尖 半徑，單位為毫米;aP表示刀具的切削深度，單位為毫米;f表示刀具的進(jìn)給速度，單位為毫 米/轉(zhuǎn);此外，θ〇表示切削幾何的起始角，并被設(shè)定為等于；0m表示切削幾何的 中間臨界角，并被設(shè)定為等于則表示切削幾何的終止角，并? (i i))針對(duì)切削力沿著切向、徑向和軸向的三個(gè)方向，相應(yīng)建立如下所示的多項(xiàng)表達(dá) 式，并分別計(jì)算得出各自對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)切削力系數(shù)： Ktc, i - Ktc3 * hi +Ktc2 * hi +Ktcl * hi+KtcO Krc, i - Krc3 · hi +Krc2 · hi +Krcl · hi+KrcO Kac, i - Kac3 · hi +Kac2 · hi +Kacl · hi+KacO 其中，Ktq表示所述第i個(gè)微元沿著切向方向的動(dòng)態(tài)切削力系數(shù);Krq表示所述第i個(gè)微 元沿著徑向方向的動(dòng)態(tài)切削力系數(shù);Ka。, i表示所述第i個(gè)微元沿著軸向方向的動(dòng)態(tài)切削力 系數(shù);1^3、1^2、1^ 1和1^()分別是用于描述1^,1與111兩者之間三階、二階、一階以及零階數(shù)值 關(guān)系的特性值;1^ 3、1^2、1^1和1^()分別是用于描述1(^與匕兩者之間三階、二階、一階以及 零階數(shù)值關(guān)系的特性值;K ac；3、Kac；2、Kac；1和Kw分別是用于描述Ka。, i與hi兩者之間三階、二階、 一階以及零階數(shù)值關(guān)系的特性值； (iii)結(jié)合步驟(i)和步驟(ii)分別所獲得的動(dòng)態(tài)切削厚度和動(dòng)態(tài)切削力系數(shù)，對(duì)其繼 續(xù)執(zhí)行微分計(jì)算，相應(yīng)獲得如下函數(shù)表達(dá)式所共同表征的切削力模型：其中，dFta表示所述第i個(gè)微元所受切削力在切向方向上的分力，dFra表示所述第i個(gè) 微元所受切削力在徑向方向上的分力，dFM則表示所述第i個(gè)微元所受切削力在軸向方向 上的分力，由此完成整體的切削力建模過(guò)程。2. 如權(quán)利要求1所述的切削力建模方法，其特征在于，對(duì)于步驟（ii)而言，所有特征值 優(yōu)選基于以下表達(dá)式統(tǒng)一進(jìn)行計(jì)算：A=[hi4sin9i · Rd9 hi3sin9i · Rd9 hi2sin9i · Rd9 h^sinQi · Rd9] B=[hi4cos9i · Rd9 hi3cos0i · Rd9 hi2cos0i · Rd9 hiVosBi · RdB] C=[hi4 · Rd9 hi3 · Rd9 hi2 · Rd9 hi1 · Rd9] 其中，F(xiàn)表示對(duì)車(chē)削過(guò)程實(shí)際所測(cè)得的切削力，K是由上述十二個(gè)特性值所共同組成的1 X 12矩陣，并且該矩陣中按照Ktc3、Ktc2、Ktcl、KtCQ、K rc3、Krc2、Krcl、Krc〇、Kac3、K ac2、Kacl 和 Kac〇 的次 序依次排列;A、B和C分別表不3 X 12矩陣中的各個(gè)分塊矩陣，其中分塊矩陣A 被設(shè)定為等于[hi4sin9i · Rd9 hi3sin9i · Rd9 hi2sin9i · Rd9 h^sinQi · Rd9]，分塊矩陣B被 設(shè)定為等于[hi4cos9i · Rd9 hi3cos9i · Rd9 hi2cos9i · Rd9 hiVosQi · Rd9]，分塊矩陣C則被 設(shè)定為等于[hi4 · Rd9 hi3 · Rd9 hi2 · Rd9 hi1 · Rd9]。3. 如權(quán)利要求1或2所述的切削力建模方法，其特征在于，所述難加工材料優(yōu)選為高溫 合金。4. 如權(quán)利要求1-3任意一項(xiàng)所述的切削力建模方法，其特征在于，所述車(chē)削刀具優(yōu)選為 CBN刀具。
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK105930654SQ201610246160
【公開(kāi)日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年4月20日
【發(fā)明人】張小明, 黃志陽(yáng), 丁漢, 莊可佳, 陳丁, 曹暢, 何少杰, 劉鳳竹
【申請(qǐng)人】華中科技大學(xué)