考虑材料堆积的金属切削力预测方法技术

本发明专利技术涉及一种考虑材料堆积的金属切削力预测方法，首先需要通过测量确定所用刀具的刀尖钝圆的半径；然后需要计算切削过程的理论瞬时未变形切屑厚度并计算切削力；利用计算得到的切削力与赫兹接触理论得到工件材料内部塑性变形区尺寸；计算切削过程前后工件在切宽方向变形量；依据体积不变原理，结合切削速度，材料堆积体积等于单位时间内流向刀尖的材料体积与宽展变形后流出刀尖的材料体积之差；将堆积材料形状简化为三角形，计算得到堆积高度，并将此刻的堆积高度作为下一时刻的切削深度补偿值，对下一时刻的理论瞬时未变形切屑厚度进行补偿，随后计算下一时刻的切削力、塑性变形区等，进行下一时刻的计算过程，直至切削过程结束。过程结束。过程结束。

【技术实现步骤摘要】
考虑材料堆积的金属切削力预测方法


[0001]本专利技术属于机械加工
，本专利技术涉及一种针对金属切削过程切削力的预测方法，特别涉及一种考虑刀尖钝圆情况下形成材料堆积时的切削力预测方法。

技术介绍

[0002]在对金属切削建模过程中，通常认为刀尖是完全锋利的。然而，在实际中刀尖始终会存在一个钝圆，特别是对于微切削工艺或在使用钝化的刀具时，刀齿的切削量与刀尖钝圆半径相比较小，钝圆影响不可忽略。当未变形切削厚度较小时，切削过程不产生切屑，工件材料将会堆积在刀尖钝圆之前，从而改变切削过程中的实际未变形切削厚度，进而影响切削力。因此，为保证切削力建模的准确性，需要准确预测材料堆积对切削力的影响。
[0003]文献1“X.Lai,H.Li,C.Li,Z.Lin,J.Ni,Modelling and analysis of micro scale milling considering size effect,micro cutter edge radius and minimum chip thickness,International Journal of Machine Tools and Manufacture 48(1)(2008)1
–
14.”公开了一种切削过程有限元仿真建模方法，其结果中可清楚看出材料堆积的形成。但是，该文章并没有给出对材料堆积相关性质、成因、影响等方面的理论解释。
[0004]文献2“M.Wan,D.
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Y.Wen,Y.
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>C.Ma,W.
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H.Zhang,On material separation and cutting force prediction in micro milling through involving the effect of dead metal zone,International Journal of Machine Tools and Manufacture 146(2019)103452.”公开了一种考虑了刀尖钝圆及其影响的切削力预测方法。该方法中，刀尖钝圆前堆积材料高度通过理论未变形切屑厚度对应高度处刀尖钝圆切线与进给发向夹角近似计算。但在该方法中，这种近似计算方法并无理论依据。
[0005]以上文献的典型特点是：在对切削过程建模时，材料堆积现象并无法通过解析建模进行理论预测，对切削力等方面的影响也无理论解释。

技术实现思路

[0006]要解决的技术问题
[0007]为了克服现有方法在对切削力建模时，材料堆积及其对切削力影响无法理论预测的问题，本专利技术提供一种通过理论建模实现材料堆积量计算以及切削力预测的方法。
[0008]技术方案
[0009]本专利技术提出一种通过理论建模实现材料堆积量计算以及切削力预测的方法，首先需要通过测量确定所用刀具的刀尖钝圆的半径。然后需要计算切削过程的理论瞬时未变形切屑厚度并计算切削力。利用计算得到的切削力与赫兹接触理论得到工件材料内部塑性变形区尺寸。借助采利科夫轧制宽展公式，计算切削过程前后工件在切宽方向变形量。依据体积不变原理，结合切削速度，材料堆积体积等于单位时间内流向刀尖的材料体积与宽展变形后流出刀尖的材料体积之差。将堆积材料形状简化为三角形，计算得到堆积高度，并将此刻的堆积高度作为下一时刻的切削深度补偿值，对下一时刻的理论瞬时未变形切屑厚度进
行补偿，随后计算下一时刻的切削力、塑性变形区等，进行下一时刻的计算过程。循环上述计算过程直至切削过程结束，即可理论预测出切削过程中的材料堆积情况以及考虑了材料堆积的切削力。
[0010]预期的技术效果：本专利技术提供的考虑刀尖钝圆前材料堆积的金属切削力预测方法可以通过理论解析计算刀尖钝圆前材料堆积量及其对切削力的影响。
[0011]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种考虑刀尖钝圆前材料堆积的金属切削力预测方法，其特点是包括以下步骤：
[0012]步骤一、显微观测所用刀具的切削刃刀尖钝圆的半径R，单位为毫米，以及刀具前角α，单位为度。
[0013]步骤二、令时刻t切削过程理论未变形切屑厚度为h0，单位为毫米。令初始时刻t＝0时未变形切屑厚度补偿值h
ad0
＝0，单位为毫米，材料堆积体积V
p0
＝0，单位为立方毫米。
[0014]步骤三、当前时刻t时未变形切屑厚度为h，单位为毫米。
[0015][0016]式中h1为金属死区的下顶点距刀尖钝圆底部距离，单位为毫米，并参照文献“M.Wan,D.
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Y.Wen,Y.
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C.Ma,W.
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H.Zhang,On material separation and cutting force prediction in micro milling through involving the effect of dead metal zone,International Journal of Machine Tools and Manufacture 146(2019)103452.”公开的方法确定。
[0017]步骤四、判断此时的犁切作用厚度h
e
和剪切作用厚度h
c
，单位为毫米：
[0018][0019][0020]步骤五、计算此时的切向剪切力F
tc
与法向剪切力F
rc
，单位为牛顿：
[0021][0022][0023]其中B为切削宽度，单位为毫米，K
tc
、K
rc
、p
tc
、p
rc
、q
tc
和q
rc
为剪切力系数，参照文献“M.Wan,D.
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Y.Wen,Y.
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C.Ma,W.
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H.Zhang,On material separation and cutting force prediction in micro milling through involving the effect of dead metal zone,International Journal of Machine Tools and Manufacture 146(2019)103452.”公开的方法确定。
[0024]步骤六、计算此时的切向犁切力F
tc
与法向犁切力F
rc
，单位为牛顿：
[0025][0026][0027]其中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，参照文献“M.Wan,D.
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Y.Wen,Y.
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑材料堆积的金属切削力预测方法，其特征在于步骤如下：步骤1：显微观测所用刀具的切削刃刀尖钝圆的半径R以及刀具前角α；步骤2：令时刻t切削过程理论未变形切屑厚度为h0；令初始时刻t＝0时未变形切屑厚度补偿值h
ad0
＝0，材料堆积体积V
p0
＝0；步骤3：当前时刻t时未变形切屑厚度为h：式中h1为金属死区的下顶点距刀尖钝圆底部距离；步骤4：判断此时的犁切作用厚度h
e
和剪切作用厚度h
c
：：步骤5：计算此时的切向剪切力F
tc
与法向剪切力F
rc
：：其中B为切削宽度，K
tc
、K
rc
、p
tc
、p
rc
、q
tc
和q
rc
为剪切力系数；步骤6：计算此时的切向犁切力F
tc
与法向犁切力F
rc
：：式中B为切削宽度，K
te
、K
re
、p
te
、p
re
、q
te
和q
re
为犁切力系数；步骤7：计算剪切角步骤7：计算剪切角式中β
e
为摩擦角，α
e
为等效前角；步骤8：计算剪切面长度l
c
：步骤9：计算剪切面上的正应力p
c
与切应力q
c
：
步骤10：在剪切面坐标系内计算剪切引起的应力状态：步骤10：在剪切面坐标系内计算剪切引起的应力状态：步骤10：在剪切面坐标系内计算剪切引起的应力状态：式中σ
xxc
为横坐标方向正应力，σ
zzc
...

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