脆性材料超声振动辅助磨削的轴向切削力预测方法技术

本发明专利技术提供了一种脆性材料超声振动辅助磨削的轴向切削力预测方法，对超声振动辅助作用下单颗磨粒的运动学特征和压痕特性进行分析，确定一个振动周期内单颗磨粒的有效切削时间、单颗磨粒平均切削力与最大冲击力的关系、材料去除体积以及参与加工的有效磨粒数目，并最终建立轴向切削力与刀具参数、工件材料性能参数、切削参数以及振动参数的关系，再综合考虑参与加工的有效磨粒数目以及材料的塑性变形去除，并提出八面体形的材料去除体积计算方法，建立轴向切削力Fa的预测公式，更加贴近真实加工状况，提高了脆性材料超声振动辅助磨削的轴向切削力预测的准确性。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术提供了一种，对超声振动辅助作用下单颗磨粒的运动学特征和压痕特性进行分析，确定一个振动周期内单颗磨粒的有效切削时间、单颗磨粒平均切削力与最大冲击力的关系、材料去除体积以及参与加工的有效磨粒数目，并最终建立轴向切削力与刀具参数、工件材料性能参数、切削参数以及振动参数的关系，再综合考虑参与加工的有效磨粒数目以及材料的塑性变形去除，并提出八面体形的材料去除体积计算方法，建立轴向切削力Fa的预测公式，更加贴近真实加工状况，提高了脆性材料超声振动辅助磨削的轴向切削力预测的准确性。【专利说明】
本专利技术涉及超声振动辅助磨削加工领域，具体而言涉及一种。
技术介绍
陶瓷等脆性材料因其耐磨损、耐腐蚀、生物相容性以及高温稳定性等优点而被广泛应用于航空发动机制造、精密仪器以及医学修复领域。但同时，该类材料硬度高、断裂韧性低，导致其加工困难。因此，可将超声振动辅助磨削加工技术引入到脆性材料的加工中，从而提闻加工效率和质量。超声振动辅助磨削加工脆性材料过程中，切削力直接影响了切削加工过程中的稳定性以及工件的表面质量，因此需要对加工过程中切削力进行预测。目前切削力预测方法主要有基于神经网络的切削力预测、基于最小二乘法的切削力预测以及基于理论分析的切削力预测。当采用基于神经网络的切削力预测时，对样本量要求较大，而且预测过程不能考虑实际的加工工况，预测误差与样本量相关；基于最小二乘法的切削力预测，预测的准确性主要取决于切削力的模型，对实验数据进行线性回归分析，从而得到切削力模型的指数或系数，但此种方法通常只考虑到切削参数的影响，不能反映振动参数、工件材料性能等对切削力的影响。目前已有的基于理论分析的切削力预测，未能考虑参与切削加工的有效磨粒数目，假设一个振动周期内单颗磨粒的去除体积为长方体形，未考虑到振动对去除体积的影响，与实际加工过程不符，导致预测精度欠佳(Zhang CL, Zhang JF, Feng PF.Mathematicalmodel for cutting force in rotary ultrasonic face milling of brittlematerials.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2013,69(1-4):161-170.)?
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术中的不足，提出了一种，解决现有轴向切削力预测方法中，假设所有磨粒都同时参与切削加工、单颗磨粒的去除体积为长方体形以及材料只通过脆性断裂去除，不能反映真实加工状况的问题，从而实现脆性材料超声振动辅助磨削过程中轴向切削力的准确预测。本专利技术的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现，从属权利要求以另选或有利的方式发展独立权利要求的技术特征。为达成上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下:一种脆性材料 超声振动辅助磨削的轴向切削力预测方法，包括以下步骤:步骤1、有效切削时间tle的确定，即通过对一个振动周期内单颗磨粒的运动轨迹分析，确定该振动周期内单颗磨粒实际参与切削加工的时间，即有效切削时间tle ；步骤2、建立单颗磨粒平均切削力Fla与最大冲击力Flm的关系，即根据一个振动周期内，平均切削力的冲量与最大冲击力的冲量相等的原则，建立单颗磨粒的平均切削力Fla与最大冲击力Flm的关系；步骤3、计算单颗磨粒的材料去除体积Vlt，即根据单颗磨粒的形状及其在一个振动周期内的运动轨迹，将单颗磨粒在该振动周期内的体积去除量等效为一八面体，通过计算该八面体的体积，获得单颗磨粒的材料去除体积Vlt ;再根据切削加工参数计算单位时间内的材料去除体积vla，然后根据一塑性变形系数K建立Vla与Vlt之间的关系；步骤4、计算参与切削加工的有效磨粒数目Na，即通过分析相邻磨粒由于压痕作用所产生的横向裂纹之间的相互作用，从而确定在一个振动周期内，实际参与切削加工的有效磨粒数目Na ；步骤5、建立轴向切削力Fa的预测公式，即基于前述一个振动周期内的有效切削时间tle、单颗磨粒平均切削力Fla与最大冲击力Flm、单颗磨粒的材料去除体积Vlt与单位时间内的材料去除体积Vla、以及参与切削加工的有效磨粒数目Na，建立轴向切削力Fa与塑性变形系数K、刀具参数、工件材料性能参数、切削参数以及振动参数之间的关系；步骤6、前述步骤5中塑性变形系数K的取值计算，即采用事先标定的方式:通过多次超声振动辅助磨削脆性材料，并利用测力仪获取轴向切削力数据，再根据前述步骤5的预测公式求得多组塑性变形系数K，以各组塑性系数的平均值作为最终的K值，将其代入步骤5所建立的预测公式，得到最终的轴向切削力Fa的预测公式；以及步骤7、根据前述步骤6所得最终的轴向切削力Fa的预测公式，对不同切削加工参数下的轴向切削力Fa进行预测。进一步的实施例中，前述步骤3中,所述单颗磨粒去除体积Vlt计算的步骤如下:步骤3-1、单颗磨粒在一个振动周期内的有效切削距离4?其中，η为主轴转速，r为磨粒到刀具中心的距离；步骤3-2、将一个振动周期内单颗磨粒的材料去除体积Vlt等效为一八面体，通过计算该八面体的体积获得单颗磨粒的材料去除体积&其中Q和Ch分别为因磨粒压痕作用产生的横向裂纹的长度和深度。进一步的实施例中，前述步骤3中，根据前述方法计算出单颗磨粒去除体积Vlt后，所述Vla与Vlt之间的关系建立如下:【权利要求】1.一种，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1、有效切削时间tle的确定，即通过对一个振动周期内单颗磨粒的运动轨迹分析，确定该振动周期内单颗磨粒实际参与切削加工的时间，即有效切削时间tle; 步骤2、建立单颗磨粒平均切削力Fla与最大冲击力Flm的关系，即根据一个振动周期内，平均切削力的冲量与最大冲击力的冲量相等的原则，建立单颗磨粒的平均切削力Fla与最大冲击力Flm的关系； 步骤3、计算单颗磨粒的材料去除体积Vlt，即根据单颗磨粒的形状及其在一个振动周期内的运动轨迹，将单颗磨粒在该振动周期内的体积去除量等效为一八面体，通过计算该八面体的体积，获得单颗磨粒的材料去除体积Vlt ;再根据切削加工参数计算单位时间内的材料去除体积Vla，然后根据一塑性变形系数K建立Vla与Vlt之间的关系； 步骤4、计算参与切削加工的有效磨粒数目Na，即通过分析相邻磨粒由于压痕作用所产生的横向裂纹之间的相互作用，从而确定在一个振动周期内，实际参与切削加工的有效磨粒数目Na ； 步骤5、建立轴向切削力Fa的预测公式，即基于前述一个振动周期内的有效切削时间tle、单颗磨粒平均切削力Fla与最大冲击力Flm、单颗磨粒的材料去除体积Vlt与单位时间内的材料去除体积Vla、以及参与切削加工的有效磨粒数目Na，建立轴向切削力Fa与塑性变形系数K、刀具参数、工件材料性能参数、切削参数以及振动参数之间的关系； 步骤6、前述步骤5中塑性变形系数K的取值计算，即采用事先标定的方式:通过多次超声振动辅助磨削脆性材料，并利用测力仪获取轴向切削力数据，再根据前述步骤5的预测公式求得多组塑性变形系数K，以各组塑性系数的平均值作为最终的K值，将其代入步骤5所建立的预测公式，得到最终的轴向切削力Fa的预测公式；步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郑侃，肖行志，廖文和，董松，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：