圆周铣过程中铣削力建模方法技术

本发明专利技术公开了一种圆周铣过程中铣削力建模方法，其目的是解决现有方法在铣削过程中建立的铣削力模型预测精度差的技术问题。该方法通过建立同时包含侧刃切削和底刃切削的铣削力模型，克服了现有的方法在圆周铣铣削力建模过程中只考虑侧刃切削的不足；与现有技术相比较，本发明专利技术先确定刀具偏心参数，简化了测量力与预测力之间的等量关系式Ａ，允许标定试验中将刀具沿轴向切深划分为多个梁段，使得轴向切深可为满足条件下的任意值，从而使标定试验与实际加工状态更加吻合；采用直接标定方法，通过一个标定试验即可实现模型中所有参数的标定，节约了试验成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种铣削力建模方法，特别是。
技术介绍
圆周铣削是通过圆周铣刀切除材料表面多余的材料来实现零件加工的，它是机械 制造中加工各种凸凹模具以及航空航天零件最常用的方式之一。提高加工效率和加工质量 是先进机械制造技术的核心。近年来，越来越多的涉及铣削加工的研究表明高效的铣削力 预测模型对铣削工艺分析具有重要的指导意义。铣削力是铣削工艺参数规划和加工质量在 线自动控制的基本依据，它的准确预测对于保证工件表面质量，避免切削颤振，延长刀具寿 命以及提高生产率至关重要。依据铣削力系数的推导方法，现有的建模方法可以划分为两类，即直角切削向斜 角转化方法和直接标定方法。前者依据通过实验建立的直角切削数据库确定铣削力系数， 基于包括剪切角、摩擦角以及剪切屈服应力等内容的斜角切削分析建立铣削力模型。这种 方法的显著弊端在于切削数据库的建立需要大量的切削实验，试验成本高。在直接标定方 法中，对于特定的刀具/工件组合，铣削力系数通过切削实验直接确定。这种建模方法的显 著优势在于能够大大减少试验量，降低试验成本。文Wan, ff. H. Zhang, J. ff. Dang, Y. Yang, A novel cutting force modelingmethod for cylindrical end milling, Applied Mathematical Modelling 34(2010)823-836. ”公开了一种直接标定方法的铣削力模型，并系统地给出了该模型相关 参数的标定方法，较成功地预测出了圆周铣加工过程中的铣削力。然而该模型假定侧刃切 削是产生铣削力的主要因素，而在工程实践中，侧刃和底刃通常会同时参与切削，现有模型 没有考虑底刃切削对铣削力的影响。此外，该文献给出的相关参数的标定方法，由于铣削力 系数和刀具偏心参数同时标定，测量力与预测力之间的等量关系式中待求量较多。为了便 于建模，标定试验中刀具沿轴向切深划分的梁段数局限为1，其高度局限为1 2mm。
技术实现思路
为了克服现有的方法在铣削过程中建立的铣削力模型预测精度差的不足，本专利技术 提供一种。该方法建立了同时考虑侧刃切削和底刃切削的铣 削力模型，同时给出了模型中相关参数的标定方法，可以提高圆周铣过程中铣削力的预测 精度。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是一种圆周铣过程中铣削力建模方 法，其特征在于包括下述步骤(1)将刀具参与切削的区域沿轴向划分为N个等高梁段，通过下式计算作用在刀 刃片U，j}的铣削力式中，妁是刀具旋转角度识处与刀刃片{i，j}对应的切削角度，被定义为从Y向 顺时针到刀刃片U，j}的中点所转过的角度。(3)对于每个侧刃，将作用在所有刀刃片上的微分力求和，求得作用于各个侧刃的 统削力 (4)计算作用在各个底刃对应的铣削力 式中，％，,」 (约和约分别表示对应于刀刃片U，j}的轴向高度和该刀刃片在刀 具旋转角度识时的瞬时未变形切屑厚度。i = l，2，…Nf，Nf是刀刃数，j = 1，2，…，N。瞬 时铣削力系数仇，,，,⑷]、^^，,，,和4恥采用幂指数形式表示 式中，f是单齿进给量，V (z)是刀具螺旋角3。所导致的径向滞后角，z是刀刃 片U，j}中点的z向高度，P和X是刀具偏心参数，my表示当前刀刃片切削的是之前第个刀刃片留下的材料。(2)将各个侧刃上的力转化到X、Y和Z方向 式中，Kb,t、Kb,k和1^是对应于底刃切削的常值铣削力系数，~，彻)和(妁表示刀具旋转角度炉时的切屑厚度和宽度，其中，^约等于轴向切削深度民，乂从趵等于/^…)。Kb,k = 0。(5)将各个底刃上的力转化到X、Y和Z方向 式中，趵是刀具旋转角度识时第i个底刃对应的切削角度，被定义为该刀刃方向 与Y轴正方向之间的夹角。(6)将作用在各个底刃和侧刃的铣削力求和，得到总铣削力 本专利技术的有益效果是通过建立同时包含侧刃切削和底刃切削的铣削力模型，克 服了现有的方法在圆周铣铣削力建模过程中只考虑侧刃切削的不足；与现有技术相比较， 本专利技术先确定刀具偏心参数，简化了测量力与预测力之间的等量关系式A，允许标定试验中Rr、 Rtan(j30) ^ In将刀具沿轴向切深划分为多个梁段，使得轴向切深可为满足CGSr ^条件下的任意值，从而使标定试验与实际加工状态更加吻合；采用直接标定方法，通过一个 标定试验即可实现模型中所有参数的标定，节约了试验成本。下面结合附图和实施例对本专利技术作详细说明。附图说明图1是圆周铣的示意图。图2是三齿铣刀的径向偏心示意图，P和入为刀具偏心参数。图3是本专利技术方法实施例2预测结果曲线。图4是本专利技术方法实施例3预测结果曲线。图中，■-刀具旋转中心， -刀具几何中心，① ③_刀刃编号，1"测量值，2-本 专利技术的预测值，3-文献中模型的预测值。具体实施例方式，其特征在于包括下述步骤(1)将刀具参与切削的区域沿轴向划分为N个等高梁段，通过下式计算作用在刀刃片U，j}的铣削力 式中，％，,_，/勿和(炉)分别表示对应于刀刃片{i，j}的轴向高度和该刀刃片在刀具旋转角度P时的瞬时未变形切屑厚度。i = l，2，…Nf，Nf是刀刃数，j = 1，2，…，N。瞬时铣削力系数⑷]、&凡,,,和&恥采用幂指数形式表示 mT kq和mq是六个中间系数，q = T，R，Z。通过下式计算 式中，f是单齿进给量，V (z)是刀具螺旋角3。所导致的径向滞后角，z是刀刃 片U，j}中点的z向高度，P和入是刀具偏心参数，my表示当前刀刃片切削的是之前第个刀刃片留下的材料。(2)将各个侧刃上的力转化到X、Y和Z方向 式中，《,(灼是刀具旋转角度识处与刀刃片{i，j}对应的切削角度，被定义为从Y向 顺时针到刀刃片U，j}的中点所转过的角度。(3)对于每个侧刃，将作用在所有刀刃片上的微分力求和，求得作用于各个侧刃的 统削力 (4)计算作用在各个底刃对应的铣削力 式中，1^、1^和Kb,z是对应于底刃切削的常值铣削力系数，\,(约和wB，,_(>)表示刀 具旋转角度炉时的切屑厚度和宽度，其中，(妁等于轴向切削深度民，乂/约等于/^乂妁。 KB,K = 0。(5)将各个底刃上的力转化到X、Y和Z方向 式中，代(灼是刀具旋转角度p时第i个底刃对应的切削角度，被定义为该刀刃方向 与Y轴正方向之间的夹角。(6)将作用在各个底刃和侧刃的铣削力求和，得到总铣削力 采用直接标定方法确定以上模型中刀具偏心参数(P和\ )和铣削力系数(kT、kK、 kz、mT、mR、mz、KB,T 禾口 KB,Z)。①选取较大的单齿进给量和接近于刀具半径的径向切深，并在轴向切深Rz和径向 的条件下，实施标定试验。立,②取采样间隔A炉=Rz tan(/ J/iVi ，测试并记录铣削力 ③将解得的~，u (代J代入刀刃实际切削半径的表达式，得到如下方程组 根据三角函数展开法则将上式改写为关于P cos入和P sin A两个未知数的线性 矛盾方程组，通过最小二乘法求解P sin (入)和P cos (入)，进而解得P和入。注意，人在 区间W，2ji]内有两个解，选取使P为正值的一组解。④建立各采样点的测量力与预测力之间的等量关系式A 式中，M为一个刀齿周期的采样点数本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种圆周铣过程中铣削力建模方法，其特征在于包括下述步骤：（ａ）将刀具参与切削的区域沿轴向划分为Ｎ个等高梁段，通过下式计算作用在刀刃片｛ｉ，ｊ｝的铣削力：＊＊＊式中，ｗ↓［Ｆ，ｉ，ｊ］（φ）和ｈ↓［Ｆ，ｉ，ｊ］（φ）分别表示对应于刀刃片｛ｉ，ｊ｝的轴向高度和该刀刃片在刀具旋转角度φ时的瞬时未变形切屑厚度；ｉ＝１，２，…Ｎ↓［ｆ］，Ｎ↓［ｆ］是刀刃数，ｊ＝１，２，…，Ｎ；瞬时铣削力系数Ｋ↓［Ｆ，Ｔ，ｉ，ｊ］［ｈ↓［Ｆ，ｉ，ｊ］（φ）］、Ｋ↓［Ｆ，Ｒ，ｉ，ｊ］［ｈ↓［Ｆ，ｉ，ｊ］（ｓ，ｉ］（φ）＋Ｆ↓［Ｆ，ｓ，ｉ］（φ）］ｓ＝Ｘ，Ｙ，Ｚ。φ）］和Ｋ↓［Ｆ，Ｚ，ｉ，ｊ］［ｈ↓［Ｆ，ｉ，ｊ］（φ）］采用幂指数形式表示：Ｋ↓［Ｆ，Ｔ，ｉ，ｊ］［ｈ↓［Ｆ，ｉ，ｊ］（φ）］＝ｋ↓［Ｔ］［ｈ↓［Ｆ，ｉ，ｊ］（φ）］↑［ｍ↓［Ｔ］］Ｋ↓［Ｆ，Ｒ，ｉ，ｊ］［ｈ↓［Ｆ，ｉ，ｊ］（φ）］＝ｋ↓［Ｒ］［ｈ↓［Ｆ，ｉ，ｊ］（φ）］↑［ｍ↓［Ｒ］］Ｋ↓［Ｆ，Ｚ，ｉ，ｊ］［ｈ↓［Ｆ，ｉ，ｊ］（φ）］＝ｋ↓［Ｚ］［ｈ↓［Ｆ，ｉ，ｊ］（φ）］↑［ｍ↓［Ｚ］］ｋ↓［ｑ］和ｍ↓［ｑ］是六个中间系数，ｑ＝Ｔ，Ｒ，Ｚ；ｈ↓［Ｆ，ｉ，ｊ］（φ）通过下式计算：ｈ↓［Ｆ，ｉ，ｊ］（φ）＝ｍ↓［ｉ，ｊ］ｆｓｉｎθ↓［ｉ，ｊ］（φ）＋ρｃｏｓ［λ－ψ（ｚ）－２（ｉ－１）π／Ｎ↓［ｆ］］－ρｃｏｓ［λ－ψ（ｚ）－２（ｉ－ｍ↓［ｉ，ｊ］－１）π／Ｎ↓［ｆ］］式中，ｆ是单齿进给量，ψ（ｚ）是刀具螺旋角β↓［０］所导致的径向滞后角，ｚ是刀刃片｛ｉ，ｊ｝中点的Ｚ向高度，ρ和λ是刀具偏心参数，ｍ↓［ｉ，ｊ］表示当前刀刃片切削的是之前第ｍ↓［ｉ，ｊ］个刀刃片留下的材料；（ｂ）将各个侧刃上的力转化到Ｘ、Ｙ和Ｚ方向：＊＊＊式中，θ↓［ｉ，ｊ］（φ）是刀具旋转角度φ处与刀刃片｛ｉ，ｊ｝对应的切削角度，被定义为从Ｙ向顺时针到刀刃片｛ｉ，ｊ｝的中点所转过的角度；（ｃ）对于每个侧刃，将作用在所有刀刃片上的微分力求和，求得作用于各个侧刃的铣削力：［Ｆ↓［Ｆ，Ｘ，ｉ］（φ）Ｆ↓［Ｆ，Ｙ，ｉ］（φ）Ｆ↓［Ｆ，Ｚ，ｉ］（φ）］↑［Ｔ］＝［＊Ｆ↓［Ｆ，Ｘ，ｉ，ｊ］（φ）＊Ｆ↓［Ｆ，Ｙ，ｉ，ｊ］（φ）＊Ｆ↓［Ｆ，Ｚ，ｉ，ｊ］（φ）］↑［Ｔ］（ｄ）计算作用在各个底刃对应的铣削力：＊＊＊式中，Ｋ↓［Ｂ，Ｔ］、Ｋ↓［Ｂ，Ｒ］和Ｋ↓［Ｂ，Ｚ］是对应于底刃切削的常值铣削力系数，ｈ↓［Ｂ，ｉ］（φ）和ｗ↓［Ｂ，ｉ］...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张卫红，党建卫，万敏，杨昀，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]