车削梯形外螺纹瞬时切削力模型构建与实验测试方法技术

车削梯形外螺纹瞬时切削力模型构建与实验测试方法，涉及一种切削力模型构建与实验测试方法。解决已有瞬时主切削力的研究方法无法揭示出大螺距螺纹车削过程中刀尖切削运动轨迹的改变和刀具刃倾角的改变对于瞬时切削力的影响机制的问题。本发明专利技术具体为振动作用下刀尖切削运动轨迹；振动作用下刀具左、右刃瞬时切削姿态；刀具左、右刃瞬时切削层参数；刀具左、右刃瞬时切削力；大螺距梯形外螺纹车削实验方法；车削螺距16mm梯形外螺纹刀具左、右刃瞬时切削力。本发明专利技术揭示出大螺距螺纹车削过程中刀尖切削运动轨迹的改变和刀具刃倾角的改变对于瞬时切削力的影响机制。

【技术实现步骤摘要】
车削梯形外螺纹瞬时切削力模型构建与实验测试方法
本专利技术涉及一种车削梯形外螺纹切削力模型构建与实验测试方法，具体涉及一种车削大螺距梯形外螺纹刀具左、右瞬时切削力的模型构建与实验测试方法。
技术介绍
机械压力机适用于薄板件的拉深、成型、弯曲、校正、冲裁等各种冷冲压工艺，是汽车覆盖件等大型冲压件的主要工作母机，而大螺距螺杆作为压力机的重要调整组件，对压力机整机的静态和动态精度有着重要影响，因此大螺距螺杆加工精度与表面质量上具有较高的加工要求。由于大螺距螺纹属于非标准件，其螺距大，牙型槽宽且深，轴向长度长，因此其加工特征与普通中小型螺纹加工有着较大差别，其加工特征是低速、大进给、大余量切削，因此加工过程中刀具所受切削力较大，对车削系统影响较大。切削力是产生振动的主要原因，车削大螺距螺纹过程中，切削力的产生导致刀具产生振动现象，这种振动现象会改变刀尖切削运动轨迹和刀具切削姿态，进而导致刀工接触关系不断发生变化，进一步改变刀具切削层参数，最终导致刀具所受切削力发生改变，这种切削力的改变同时又会对刀具振动产生一定影响，最终会使得加工过程中切削力与振动处于动态变化当中。因此，在车削梯形大螺距外螺纹过程中，切削力与振动存在交互作用关系。已有切削力的理论研究主要集中于切削力对于振动的影响，而振动对于切削力的影响机制研究较少。同时已有螺纹车削过程中切削力的测量主要采用将测力仪放于刀具端部进行切削力的在线测量，该方法忽略了测试过程中测力仪的引入对于系统固有特性变化的影响和测试位置对于测试结果的影响使得检测的数据与真实数据存在一定的偏差，同时该方法只能够获得待测部位所受总激励，但无法从中将系统所受各个性质激励区分开来。因此，为了完整揭示振动与切削力的交互作用关系、控制大螺距螺纹车削稳定性、提高工件加工质量与加工效率，需以振动作用下刀尖切削运动轨迹和刀具切削姿态为基础，获取大螺距螺纹车削过程中振动作用下瞬时切削力，为控制大螺距螺纹车削稳定性提供有效依据。
技术实现思路
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。鉴于此，本专利技术的车削梯形外螺纹瞬时切削力模型构建与实验测试方法，以至少解决现有方法忽略了测试过程中测力仪的引入对于系统固有特性变化的影响和测试位置对于测试结果的影响使得检测的数据与真实数据存在一定的偏差，同时该方法只能够获得待测部位所受总激励，但无法从中将系统所受各个性质激励区分开来的问题。方案一：根据本专利技术的一个方面，提供了一种车削梯形外螺纹瞬时切削力模型构建方法，具体步骤为：步骤一：对大螺距螺纹车削过程分析，建立振动作用下刀尖实际切削运动轨迹数学模型；依据车削大螺距螺纹刀-工接触关系，建立振动作用下刀具左、右刃瞬时切削姿态模型；依据振动对于刀尖切削运动轨迹和刀具工作左、右刃角度的影响机制，建立振动作用下刀具左、右刃瞬时切削层参数模型，并最终建立车削大螺距梯形外螺纹刀具左、右刃瞬时切削力模型；通过设计和制备出两把用于车削螺距16mm梯形外螺纹左右螺纹面的刀具，进行大螺距梯形外螺纹车削实验方案设计，提出车削大螺距梯形外螺纹振动测试方法及振动位移的求解方法，并进行车削螺距为16mm梯形外螺纹过程中瞬时切削力解算；步骤二：车削大螺距梯形外螺纹过程中刀尖会受到振动作用影响，使其产生位移增量，从而改变刀尖实际切削运动轨迹，基于以上分析，建立振动作用下刀尖实际切削运动轨迹方程如式(1)所示：式中，X(t)、Y(t)、Z(t)分别为刀具在机床坐标系下的x、y、z三方向的空间位置点，xt(t)、xt(t)、xt(t)分别为振动作用下刀尖在x、y、z三个方向上产生的偏移量，即振动位移，该振动位移为矢量单位，P为螺距，r为刀尖与工件主轴理论垂直距离，zM为刀具起刀点在机床坐标系下z向坐标值，t为加工时间；步骤三：依据大螺距梯形外螺纹刀-工接触关系，建立刀具左、右刃工作角度模型；步骤四：在实际加工过程中，由于振动作用，使刀具发生偏摆，最终改变了刀具的实际工作角度，刀具左刃工作前角γl、右刃工作前角γr、刀具左刃工作后角αl、右刃工作前角αr、左刃工作主偏角kr1、右刃工作主偏角kr2、左刃工作倾角λls和右刃工作倾角λrs均变为随时间变化的瞬时工作角度，分别为γl(t)、γr(t)、αl(t)、αr(t)、kr1(t)、kr2(t)、λls(t)、λrs(t)；刀具瞬时工作前角、后角分别如式(2)、式(3)所示：步骤五：建立振动作用下刀具左、右刃瞬时工作主偏角和工作刃倾角模型；设定xlt(t)、ylt(t)、zlt(t)分别为刀具左扩宽时在x、y、z三方向振动位移，xrt(t)、yrt(t)、zrt(t)分别为刀具右扩宽时在x、y、z三方向振动位移，kr1、kr2分别为基面内刀具左、右刃工作主偏角，kr1(t)、kr2(t)分别为基面内振动作用下刀具左、右刃瞬时工作主偏角，μl(t)、μr(t)分别为刀具左、右刃受振动作用影响下的瞬时偏摆角度，Wl(t)、Wr(t)为刀具左、右刃工作主偏角的瞬时变动量，L为刀具悬深量；依据刀具左、右刃瞬时工作主偏角与刃倾角，解算出振动作用下刀具左、右刃工作主偏角的瞬时变动量Wl(t)和Wr(t)、刀具左、右刃瞬时工作主偏角kr1(t)和kr2(t)、刀具左、右刃瞬时工作刃倾角λls(t)和λrs(t)分别如式(4)、式(5)、式(6)所示：步骤六：建立振动作用下背平面内刀具瞬时标注前角模型；刀具直径d为刀尖到工件轴线距离的2倍，γlp0、γrp0分别为背平面内刀具左、右刃标注前角，φp(t)为振动作用下背平面内刀尖偏转角度，具体如式(7)所示：依据几何关系，最终解算出背平面内振动作用下刀具左、右刃瞬时标注前角γlp(t)、γrp(t)如式(8)所示：将振动作用下背平面内刀具左、右刃瞬时标注前角γlp(t)、γrp(t)转换为正交平面内的刀具左、右瞬时标注前角γl0(t)、γr0(t)如式(9)所示：步骤七：依据振动作用下刀尖切削运动轨迹模型及刀具左、右刃切削姿态模型，建立梯形外螺纹车削时刀具左、右刃瞬时切削层参数模型；设定vf为进给速度，Aγ为刀具工作前刀面，Sl(t)为左扩宽切削时瞬态切削层面积，apl、apr分别为左、右扩宽切削时刀具理论径向切削深度，Zli、Zri、分别为左、右扩宽切削时刀具理论轴向单次加工余量，apli、apri分别为左、右扩宽切削时刀具理论径向切削深度，bDl、bDr分别为左、右扩宽切削时刀具理论切削宽度，hDl、hDr分别为左、右扩宽切削时刀具理论切削厚度；Zli(t)、Zri(t)、分别为左、右扩宽切削时刀具瞬态轴向单次加工余量，apli(t)、apri(t)分别为左、右扩宽切削时刀具瞬态径向切削深度，bDl(t)、bDr(t)分别为左、右扩宽切削时刀具瞬态切削宽度，hDl(t)、hDr(t)分别为左、右扩宽切削时刀具瞬态切削厚度，其中i＝1，2…n；Fcrx(t)、Fcry(t)、Fcrz(t)分别为右扩宽切削时刀具所受瞬态切深抗力、瞬态主切削力和本文档来自技高网...

【技术保护点】
车削梯形外螺纹瞬时切削力模型构建方法，其特征在于：具体步骤为：步骤一：对大螺距螺纹车削过程分析，建立振动作用下刀尖实际切削运动轨迹数学模型；依据车削大螺距螺纹刀‑工接触关系，建立振动作用下刀具左、右刃瞬时切削姿态模型；依据振动对于刀尖切削运动轨迹和刀具工作左、右刃角度的影响机制，建立振动作用下刀具左、右刃瞬时切削层参数模型，并最终建立车削大螺距梯形外螺纹刀具左、右刃瞬时切削力模型；通过设计和制备出两把用于车削螺距16mm梯形外螺纹左右螺纹面的刀具，进行大螺距梯形外螺纹车削实验方案设计，提出车削大螺距梯形外螺纹振动测试方法及振动位移的求解方法，并进行车削螺距为16mm梯形外螺纹过程中瞬时切削力解算；步骤二：车削大螺距梯形外螺纹过程中刀尖会受到振动作用影响，使其产生位移增量，从而改变刀尖实际切削运动轨迹，基于以上分析，建立振动作用下刀尖实际切削运动轨迹方程如式(1)所示：X(t)=[r+xt(t)]·cos2πn·tY(t)=[r+yt(t)]·sin2πn·tZ(t)=zM-[P-zt(t)]·n·t---(1)]]>式中，X(t)、Y(t)、Z(t)分别为刀具在机床坐标系下的x、y、z三方向的空间位置点，xt(t)、xt(t)、xt(t)分别为振动作用下刀尖在x、y、z三个方向上产生的偏移量，即振动位移，该振动位移为矢量单位，P为螺距，r为刀尖与工件主轴理论垂直距离，zM为刀具起刀点在机床坐标系下z向坐标值，t为加工时间；步骤三：依据大螺距梯形外螺纹刀‑工接触关系，建立刀具左、右刃工作角度模型；步骤四：在实际加工过程中，由于振动作用，使刀具发生偏摆，最终改变了刀具的实际工作角度，刀具左刃工作前角γl、右刃工作前角γr、刀具左刃工作后角αl、右刃工作前角αr、左刃工作主偏角kr1、右刃工作主偏角kr2、左刃工作倾角λls和右刃工作倾角λrs均变为随时间变化的瞬时工作角度，分别为γl(t)、γr(t)、αl(t)、αr(t)、kr1(t)、kr2(t)、λls(t)、λrs(t)；刀具瞬时工作前角、后角分别如式(2)、式(3)所示：γl(t)=γl0(t)+θγr(t)=γr0(t)-θ---(2)]]>αl(t)=αl0(t)-θαr(t)=αr0(t)+θ---(3)]]>步骤五：建立振动作用下刀具左、右刃瞬时工作主偏角和工作刃倾角模型；设定xlt(t)、ylt(t)、zlt(t)分别为刀具左扩宽时在x、y、z三方向振动位移，xrt(t)、yrt(t)、zrt(t)分别为刀具右扩宽时在x、y、z三方向振动位移，kr1、kr2分别为基面内刀具左、右刃工作主偏角，kr1(t)、kr2(t)分别为基面内振动作用下刀具左、右刃瞬时工作主偏角，μl(t)、μr(t)分别为刀具左、右刃受振动作用影响下的瞬时偏摆角度，Wl(t)、Wr(t)为刀具左、右刃工作主偏角的瞬时变动量，L为刀具悬深量；依据刀具左、右刃瞬时工作主偏角与刃倾角，解算出振动作用下刀具左、右刃工作主偏角的瞬时变动量Wl(t)和Wr(t)、刀具左、右刃瞬时工作主偏角kr1(t)和kr2(t)、刀具左、右刃瞬时工作刃倾角λls(t)和λrs(t)分别如式(4)、式(5)、式(6)所示：Wl(t)=μl(t)=arctanzlt(t)L-xlt(t)Wr(t)=μr(t)=arctanzrt(t)L-xrt(t)---(4)]]>kr1(t)=kr1-Wl(t)=kr1-arctanzlt(t)L-xlt(t)kr2(t)=kr2-Wr(t)=kr2-arctanzrt(t)L-xrt(t)---(5)]]>λls(t)=2arctanxlt(t)ylt(t)-λlsλrs(t)=2arctanxrt(t)yrt(t)-λrs---(6)]]>步骤六：建立振动作用下背平面内刀具瞬时标注前角模型；刀具直径d为刀尖到工件轴线距离的2倍，γlp0、γrp0分别为背平面内刀具左、右刃标注前角，φp(t)为振动作用下背平面内刀尖偏转角度，具体如式(7)所示：依据几何关系，最终解算出背平面内振动作用下刀具左、右刃瞬时标注前角γlp(t)、γrp(t)如式(8)所示：γlp(t)=arctanylt(t)xlt(t)+d/2+2arctanxlt(t)ylt(t)-arctan&lsq...

【技术特征摘要】
1.车削梯形外螺纹瞬时切削力模型构建方法，其特征在于：具体步骤为：步骤一：对大螺距螺纹车削过程分析，建立振动作用下刀尖实际切削运动轨迹数学模型；依据车削大螺距螺纹刀-工接触关系，建立振动作用下刀具左、右刃瞬时切削姿态模型；依据振动对于刀尖切削运动轨迹和刀具工作左、右刃角度的影响机制，建立振动作用下刀具左、右刃瞬时切削层参数模型，并最终建立车削大螺距梯形外螺纹刀具左、右刃瞬时切削力模型；通过设计和制备出两把用于车削螺距16mm梯形外螺纹左右螺纹面的刀具，进行大螺距梯形外螺纹车削实验方案设计，提出车削大螺距梯形外螺纹振动测试方法及振动位移的求解方法，并进行车削螺距为16mm梯形外螺纹过程中瞬时切削力解算；步骤二：车削大螺距梯形外螺纹过程中刀尖会受到振动作用影响，使其产生位移增量，从而改变刀尖实际切削运动轨迹，基于以上分析，建立振动作用下刀尖实际切削运动轨迹方程如式(1)所示：式中，X(t)、Y(t)、Z(t)分别为刀具在机床坐标系下的x、y、z三方向的空间位置点，xt(t)、yt(t)、zt(t)分别为振动作用下刀尖在x、y、z三个方向上产生的偏移量，即振动位移，该振动位移为矢量单位，P为螺距，r为刀尖与工件主轴理论垂直距离，zM为刀具起刀点在机床坐标系下z向坐标值，t为加工时间，n为主轴转速；步骤三：依据大螺距梯形外螺纹刀-工接触关系，建立刀具左、右刃工作角度模型；步骤四：在实际加工过程中，由于振动作用，使刀具发生偏摆，最终改变了刀具的实际工作角度，刀具左刃工作前角γl、右刃工作前角γr、刀具左刃工作后角αl、右刃工作前角αr、左刃工作主偏角kr1、右刃工作主偏角kr2、左刃工作倾角λls和右刃工作倾角λrs均变为随时间变化的瞬时工作角度，分别为γl(t)、γr(t)、αl(t)、αr(t)、kr1(t)、kr2(t)、λls(t)、λrs(t)；刀具瞬时工作前角、后角分别如式(2)、式(3)所示：式中，θ为螺旋升角；步骤五：建立振动作用下刀具左、右刃瞬时工作主偏角和工作刃倾角模型；设定xlt(t)、ylt(t)、zlt(t)分别为刀具左扩宽时在x、y、z三方向振动位移，xrt(t)、yrt(t)、zrt(t)分别为刀具右扩宽时在x、y、z三方向振动位移，kr1、kr2分别为基面内刀具左、右刃工作主偏角，kr1(t)、kr2(t)分别为基面内振动作用下刀具左、右刃瞬时工作主偏角，μl(t)、μr(t)分别为刀具左、右刃受振动作用影响下的瞬时偏摆角度，Wl(t)、Wr(t)为刀具左、右刃工作主偏角的瞬时变动量，L为刀具悬深量；依据刀具左、右刃瞬时工作主偏角与刃倾角，解算出振动作用下刀具左、右刃工作主偏角的瞬时变动量Wl(t)和Wr(t)、刀具左、右刃瞬时工作主偏角kr1(t)和kr2(t)、刀具左、右刃瞬时工作刃倾角λls(t)和λrs(t)分别如式(4)、式(5)、式(6)所示：步骤六：建立振动作用下背平面内刀具瞬时标注前角模型；刀具直径d为刀尖到工件轴线距离的2倍，γlp0、γrp0分别为背平面内刀具左、右刃标注前角，φp(t)为振动作用下背平面内刀尖偏转角度，具体如式(7)所示：依据几何关系，最终解算出背平面内振动作用下刀具左、右刃瞬时标注前角γlp(t)、γrp(t)如式(8)所示：式中，γl0为正交平面内刀具左刃标注前角，γr0为正交平面内刀具右刃标注前角；将振动作用下背平面内刀具左、右刃瞬时标注前角γlp(t)、γrp(t)转换为正交平面内的刀具左、右瞬时标注前角γl0(t)、γr0(t)如式(9)所示：步骤七：依据振动作用下刀尖切削运动轨迹模型及刀具左、右刃切削姿态模型，建立梯形外螺纹车削时刀具左、右刃瞬时切削层参数模型；设定vf为进给速度，Aγ为刀具工作前刀面，Sl(t)为左扩宽切削时瞬态切削层面积，apl、apr分...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜彬，孙彬，李哲，赵娇，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23