一種基于材料特性的高速銑削力建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于難加工材料曲面零件精密高效加工領(lǐng)域，特別涉及一種基于材料特性 的難加工材料高速銑削力建模方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 研究難加工材料曲面零件高速銑削技術(shù)，對提高其加工精度及效率具有重要意 義。難加工材料曲面零件高速銑削過程中，銑削力作為銑削過程中的一個(gè)重要過程物理參 數(shù)，研究銑削力建模方法對優(yōu)化難加工材料曲面零件高速銑削加工工藝、提高加工質(zhì)量具 有重要指導(dǎo)作用。
[0003]目前，銑削力建模方法主要有機(jī)械模型法、統(tǒng)一力學(xué)模型法及人工智能建模法等。 機(jī)械模型法以固定刀具工件組合為建?；A(chǔ)，更換工件后，模型將不再適用，需重新實(shí)驗(yàn)校 準(zhǔn)系數(shù)。統(tǒng)一力學(xué)模型法雖考慮了刀具參數(shù)、工件材料屈服強(qiáng)度和切削條件等的影響，但力 學(xué)分析過程中使用了簡化公式和一些假設(shè)使得銑削力預(yù)測精度低且建模過程復(fù)雜。人工智 能建模法需要足夠的銑削實(shí)驗(yàn)樣本，且無法考慮實(shí)際銑削情況，導(dǎo)致銑削力預(yù)測誤差較大。 盡管銑削力建模方法較多，但缺乏針對難加工材料曲面零件高速銑削力建模較普遍適用的 方法，難以利用一種模型實(shí)現(xiàn)多種難加工材料高速銑削力的精確預(yù)測。
[0004] 王保升等人專利公告號為CN104794305A的"變曲率曲面?zhèn)茹娺^程中的瞬時(shí)銑 削力預(yù)測方法"，針對變曲率零件側(cè)銑加工，依據(jù)刀具位置點(diǎn)計(jì)算瞬時(shí)切入切出角度，從而 計(jì)算實(shí)際瞬時(shí)切深，進(jìn)而得到瞬時(shí)未變形切削厚度，基于未變形切削厚度得到銑削力的大 小。然而該方法中并未考慮材料特性對銑削力帶來的影響，對不同的工件材料不具有通用 性。文南犬"Modelingandexperimentalvalidationofcuttingforcesinfive-axis ball-endmillingbasedontruetoothtrajectory'，，GaiyunHe等，International JournalofAdvancedManufacturingTechnology，2015, 78 (1-4)，189-197,提出了一種基 于刀齒實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡的球頭銑刀五軸銑削力預(yù)測模型，將預(yù)測得到的銑削力與實(shí)驗(yàn)所測銑 削力對比，結(jié)果表明預(yù)測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合度較高。然而，該方法所涉及的銑削力建模過 程未涉及材料特性對銑削力帶來的影響，因而對不同難加工材料曲面零件加工過程銑削力 精確預(yù)測存在較大限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，發(fā)明一種基于材料特性的難加工材料高速銑削 力建模方法，將材料特性引入高速銑削力建模過程中，實(shí)現(xiàn)一種模型對不同難加工材料高 速銑削力的精確預(yù)測，提高模型的魯棒性，為難加工材料曲面高速銑削過程控制提供理論 與技術(shù)支撐，提高難加工材料曲面零件加工質(zhì)量及加工效率。
[0006] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案一種基于材料特性的高速銑削力建模方法，其特征在 于，首先基于微元思想及斜角切削原理，將切削過程等效為一系列微小斜角切削加工的線 性疊加，并將微元銑削力表示為前刀面擠壓工件材料產(chǎn)生的正壓力與切肩沿前刀面滑動(dòng)產(chǎn) 生的摩擦力；以此為基礎(chǔ)將材料特性引入銑削力建模過程中，建立基于材料特性的正壓力 與摩擦力的計(jì)算模型，提高模型對工件材料及銑削條件的適用性；然后，建立工件坐標(biāo)系下 的銑削力模型；最后基于單層平均力逆向求解方法對模型中的系數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，建立適用于 不同種難加工材料的高速銑削力預(yù)測模型。建模方法的具體步驟如下：
[0007] 1)瞬時(shí)微元銑削力計(jì)算
[0008] 為建立銑削力模型，首先建立刀具坐標(biāo)系Xc-Yc-Zc，局部坐標(biāo)系t-r-a及工件坐 標(biāo)系Xw-Yw-Zw，并確定局部坐標(biāo)系到刀具坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣A和刀具坐標(biāo)系到工件坐標(biāo)系 的轉(zhuǎn)換矩陣B。
[0009] 基于微元思想及斜角切削原理，局部坐標(biāo)系下微元銑削力（dFt，dFa，dFr)可表示 為：
[0011] 式中，η為切肩流動(dòng)角度，λ3為當(dāng)前斜角切削傾角，F(xiàn)n為前刀面擠壓工件材料產(chǎn) 生的正壓力，F(xiàn)s為切肩沿前刀面滑動(dòng)產(chǎn)生的摩擦力。
[0014] 2)前刀面正壓力與摩擦力計(jì)算
[0015] 結(jié)合金屬切削原理及難加工材料高速銑削特點(diǎn)，前刀面正壓力Fn表示為：
[0017] 式中，c為系數(shù)，σ為材料屈服強(qiáng)度，ε為難加工材料的導(dǎo)熱系數(shù)，v為切削速度， AD為切削過程材料受擠壓面積。其中，ν= 2JT·R·sinK·S/60, R為刀具半徑，κ為切 削微元軸向位置角，S為主軸轉(zhuǎn)速。
[0018] 切削過程材料受擠壓面積AD可表示為：
[0019]AD=tn.dL(4)
[0020] 式中，1為切削刃微元對應(yīng)的瞬時(shí)未變形切削厚度，dL為刀具切削刃微元長度。
[0021] 針對難加工材料曲面，采用Z-map法判定刀刃微元是否參與切削，得到：
[0023]式中，fCT,fza分別為每齒進(jìn)給量fz的水平分量和豎直分量，Φ為切削微兀的徑向 浸入角，K為切削微元軸向位置角，為切削微元在工件坐標(biāo)系下的軸向坐標(biāo)，Z為工件 加工面在工件坐標(biāo)系下的軸向坐標(biāo)。
[0024] 鑒于材料的塑性能力T影響前刀面的摩擦系數(shù)，摩擦系數(shù)與材料塑性正相關(guān)，則 前刀面摩擦力可表示為：
[0025] Fs=η·T·Fn(6)
[0026] 式中，η為系數(shù)。
[0027] 3)高速銑削力建模
[0028] 通過坐標(biāo)變換將局部坐標(biāo)系下微元銑削力（dFt，dFa，dFr)變換為工件坐標(biāo)系下 微元銑削力;)，為：
[0030] 式中，?/i^，(6//=)為局部坐標(biāo)系下微元銑削力。
[0031] 工件坐標(biāo)系下的總銑削力（i^f表示為微元銑削力的疊加，為：
[0033] 式中，％為刀刃數(shù)，m為刀刃瞬時(shí)參與切削微元個(gè)數(shù)。
[0034] 4)高速銑削力模型參數(shù)辨識(shí)
[0035] 由公式（8)，可得：
[0037] 式中，i為切削微元層索引，j為刀刃索引。
[0038] 將公式（3)和（6)代入（9)中可得：
[0040]為辨識(shí)模型中引入的系數(shù)c和n，只需選取切削過程中任意一個(gè)刀具轉(zhuǎn)角k處測力 儀測得的if'X即可通過公式（10)中三個(gè)方程的任意兩個(gè)求解。為減小誤差采 用平均銑削力法，刀具旋轉(zhuǎn)一周的銑削合力為：
提高計(jì)算效率，采用分層求解與平均力結(jié)合的方法。設(shè)兩次切深之間只有一個(gè)切削微元的 高度差，則兩次實(shí)驗(yàn)平均銑削力的差值為：
[0050]由公式（15)可得：
[0052] 系數(shù)c和η可通過公式（16)求出，完成銑削力建模。
[0053] 本發(fā)明的顯著效果和益處是基于微分思想與斜角切削原理，將材料特性引入高速 銑削力建模過程中，發(fā)明了一種適用于不同難加工材料的高速銑削力建模方法，并基于單 層平均力逆向求解方法對模型中的系數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，可實(shí)現(xiàn)不同種難加工材料的高速銑削力 預(yù)測，應(yīng)用范圍廣。發(fā)明的方法無需大量實(shí)驗(yàn)，提高建模效率。
【附圖說明】
[0054]圖1一一基于材料特性的高速銑削力建模方法整體流程圖
[0055] 圖2-一鎳基高溫合金718的銑削力預(yù)測與試驗(yàn)對比；Α-銑削力測量值，Β-銑削 力計(jì)算值
[0056] 圖3--鈦合金TC4的銑削力預(yù)測與試驗(yàn)對比；Α-銑削力測量值，Β-銑削力計(jì)算 值 具體實(shí)施方案
[0057] 結(jié)合附圖1和技術(shù)方案詳細(xì)說明本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[0058] 鑒