一種用于端銑切削的切削力預(yù)測及溫度預(yù)測的方法【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于端銑切削的切削力預(yù)測及溫度預(yù)測的方法，切削力預(yù)測的方法建立基于平均切削力的銑削力預(yù)測模型和基于斜角切削機理的銑削力預(yù)測模型，對兩類模型參數(shù)進行回歸計算，預(yù)測瞬態(tài)銑削力，與試驗數(shù)據(jù)進行對比分析，驗證所建立的單、多齒銑削力模型；切削力溫度預(yù)測的方法建立了空間任意位置有限長線熱源溫度場求解模型及空間任意位置有限長旋轉(zhuǎn)運動線熱源溫度場求解模型；運用有限元仿真方法，提出了嵌入式半人工熱電偶方法，通過開展高速端銑切削溫度場分布測量對有限元仿真結(jié)果及理論計算結(jié)果進行驗證及誤差分析。本發(fā)明的方法簡單，操作方便，為端銑切削技術(shù)提供了參考的依據(jù)，更加有利于生產(chǎn)的進行。【專利說明】一種用于端銑切削的切削力預(yù)測及溫度預(yù)測的方法【
技術(shù)領(lǐng)域：
】[0001]本發(fā)明屬于端銑切削【
技術(shù)領(lǐng)域：
】，尤其涉及一種用于端銑切削的切削力預(yù)測及溫度預(yù)測的方法?！?br>背景技術(shù)：
】[0002]端銑切削過程是典型的斷續(xù)切削過程，隨著刀具的轉(zhuǎn)動，刀齒切入、切出工件，銑削力的大小也呈現(xiàn)出周期性變化，并且對切削過程中的切削熱、刀具磨損、切屑形態(tài)及加工表面完整性產(chǎn)生直接影響，因此對端銑過程銑削力進行精確預(yù)測不僅是研究切削機理的前提，同時也是開展端銑加工過程仿真研究及加工變形研究的重要的依據(jù)。[0003]切削熱及切削溫度是金屬切削過程中的重要物理現(xiàn)象。切削過程中，由變形能轉(zhuǎn)化得到的熱能除少量以熱輻射形式發(fā)散外，其余均作用于切屑、刀具及工件，不僅加速刀具磨損，同時對工件加工精度及表面質(zhì)量產(chǎn)生重要影響，因此研究切削過程中切削熱產(chǎn)生及傳導(dǎo)規(guī)律，掌握切削溫度場分布及變化規(guī)律，對控制加工精度、延長刀具使用壽命具有重要意義。[0004]端銑切削過程中的切削熱為典型的非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)問題，在進行高速端銑切削時，尤其當該工序為大表面的精加工工序時，切削溫度對被加工區(qū)域的影響不容忽視，并且隨著千切削技術(shù)的研究與應(yīng)用，開展鑄鋁合金高速端銑切削溫度場分布研究具有較為重要的意義?！?br/>發(fā)明內(nèi)容】[0005]本發(fā)明實施例的目的在于提供一種用于端銑切削的切削力預(yù)測及溫度預(yù)測的方法，旨在解決現(xiàn)有缺少預(yù)測端銑切削的切削力和溫度方法的問題。[0006]本發(fā)明實施例是這樣實現(xiàn)的，一種用于端銑切削的切削力預(yù)測的方法，該用于端銑切削的切削力預(yù)測的方法包括以下步驟：[0007]步驟一，分析端銑切削過程，分別建立基于平均切削力的銑削力預(yù)測模型和基于斜角切削機理的銑削力預(yù)測模型；[0008]步驟二，在銑削力系數(shù)求解過程中考慮了端銑加工切入切出角的影響，通過開展單齒、多齒銑削試驗，對兩類模型參數(shù)進行回歸計算，從而預(yù)測瞬態(tài)銑削力；[0009]步驟三，與試驗數(shù)據(jù)進行對比分析，驗證所建立的單、多齒銑削力模型。[0010]進一步，步驟一的基于平均切削力的銑削力預(yù)測模型建立的具體方法包括：[0011]首先需將多個刀齒同時參與切削的端銑切削過程進行離散。設(shè)端銑刀刀齒編號為i，當?shù)趇個刀齒參與切削時，將切削刃等間距離散為有限個微元切削刃dz，每一個微元切削刃參與切削的過程可等效于一個斜角切削過程；[0012]作用在刀齒i切削刃微元dz上的瞬時切削力dFi可分別沿切向、徑向、軸向分解為〒個分量：切向瞬時切削力dFti、徑向瞬時切削力dFri及軸向瞬時切削力dFai，建立瞬時切削力求解關(guān)系式如式3·1;式中Kt(；、Krc;、Ka。分別為剪切作用對切向、徑向和軸向切削力的(3.1)作用系數(shù)，Kte、Kre、Kae分別為對應(yīng)的刃口力系數(shù)：[0013]【權(quán)利要求】1.一種用于端銑切削的切削力預(yù)測及溫度預(yù)測的方法，其特征在于，該用于端銑切削的切削力預(yù)測的方法包括以下步驟：步驟一，分析端銑切削過程，建立基于平均切削力的銑削力預(yù)測模型，在該模型的切削力系數(shù)求解過程中，引入單邊銑削寬度參數(shù)代表影響端銑加工表面切入切出角的因素，使端銑切削力模型不僅與基本切削參數(shù)有關(guān)，而且與切削過程中的走刀路徑有關(guān)；步驟二，建立基于斜角切削機理的銑削力預(yù)測模型，運用有限元仿真方法并結(jié)合經(jīng)驗公式，對剪切角等切削基本量進行預(yù)測求解，計算得到銑削力模型中的切削力系數(shù)；步驟三，在銑削力模型構(gòu)建過程中考慮了端銑加工切入切出角的影響，通過開展單齒、多齒銑削試驗，對兩類模型參數(shù)進行回歸計算，從而預(yù)測瞬態(tài)銑削力；步驟四，與試驗數(shù)據(jù)進行對比分析，驗證所建立的單、多齒銑削力模型，能夠預(yù)測端銑切削過程刀齒軸向、徑向誤差引起的銑削力變化；該用于端銑切削的溫度預(yù)測的方法包括以下步驟：步驟一，基于熱源法原理對端銑切削這一非穩(wěn)態(tài)多維熱傳導(dǎo)問題進行分析，根據(jù)溫度場疊加原理建立端銑切削傳熱學(xué)簡化模型；將端銑切削過程中剪切面熱源簡化為有限長運動線熱源問題，建立空間任意位置有限長線熱源溫度場求解模型，同時建立在絕熱邊界條件下的鏡像熱源溫度場求解模型；基于對端銑切削過程中線熱源繞刀具軸線做旋轉(zhuǎn)運動的分析，建立端銑切削有限長旋轉(zhuǎn)運動線熱源溫度場求解模型；根據(jù)剪切變形能建立傳入工件熱量求解方程關(guān)系對端銑切削過程中運動線熱源強度進行求解；步驟二，建立端銑切削溫度仿真預(yù)測有限元模型，結(jié)合端銑切削存在切入切出角變化的特點，分別建立對稱銑削及非對稱銑削的單、多齒銑削溫度場仿真預(yù)測模型，通過對比仿真結(jié)果與理論計算結(jié)果，兩種方法的預(yù)測結(jié)果吻合較好，且有限元預(yù)測模型更適合多齒銑削溫度場的預(yù)測；步驟三，基于半人工熱電偶法開展端銑切削過程切削溫度測量試驗，首次采用將熱電偶回路熱端嵌入被加工表面的方法，對瞬時端銑切削溫度進行測量，并將試驗結(jié)果與有限元仿真結(jié)果及理論預(yù)測結(jié)果進行對比，兩種預(yù)測方法得到的銑削溫度場與試驗結(jié)果趨勢相同，預(yù)測誤差在可接受的范圍內(nèi)。2.如權(quán)利要求1所述的用于端銑切削的切削力預(yù)測及溫度預(yù)測的方法，其特征在于，步驟一的基于平均切削力的銑削力預(yù)測模型建立的具體方法包括：首先需將多個刀齒同時參與切削的端銑切削過程進行離散；端銑刀刀齒編號為i，當?shù)趇個刀齒參與切削時，將切削刃等間距離散為有限個微元切削刃dz，每一個微元切削刃參與切削的過程可等效于一個斜角切削過程；作用在刀齒i切削刃微元dz上的瞬時切削力ClFi可分別沿切向、徑向、軸向分解為三個分量：切向瞬時切削力dFti、徑向瞬時切削力dFri及軸向瞬時切削力dFai，建立瞬時切削力求解關(guān)系式如式3.1;式中Ktc;、KM、Ka。分別為剪切作用對切向、徑向和軸向切削力的作用系數(shù)，Kte、KM、I^分別為對應(yīng)的刃口力系數(shù)：端銑刀單個刀齒銑削區(qū)域取第i個刀齒上的dz微元為研究對象，釋#與分別為刀齒的切入角、切出角；當?shù)洱X旋轉(zhuǎn)至瞬時接觸角免時，瞬時未變形切屑層厚度釦(f,<z))由式3.2近似表示，其中fz為每齒進給量：當科6伸(Z)S爐《時刀齒微元位于有效的切削范圍之內(nèi)，外fer計算公式如式3.3,其中aey為工件上刀具切入點與刀具旋轉(zhuǎn)中心垂直于進給方向的距離，B為被加工表面寬度，R為刀具半徑：?為刀具旋轉(zhuǎn)角速度，t為加工時間，則刀齒切削瞬時的瞬時接觸角與刀具瞬時轉(zhuǎn)角釣、刀具齒間角卿以及瞬時偏差角9(由于刀具螺旋角P引起的御與釣的偏差）之間的關(guān)系如式3.4:當考慮刀具主偏角匕時，瞬時切屑層厚度島(％(z))表示為：通過坐標變換，將切向、徑向及軸向的瞬時切削力轉(zhuǎn)換為X方向（進給向）、y方向（進給方向法向）和z方向（軸向）：根據(jù)式3.4推導(dǎo)得到則積分得到三向瞬時切削力，其中：/(爐,(；：)）、二心Md)分別表示刀齒切削刃參與切削部分的軸向上、下限：由于一個刀具旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)每個刀齒切除的材料總量為一常數(shù)，與螺旋角無關(guān)，因此取c/z=%，奶(Z)=f，ke=0,對一個刀具旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的瞬間銑削力進行積分，將積分結(jié)果除以齒間角的"得出每周期平均力：分別計算得到x、y、z方向切削平均力：因此平均切削力可以表示為每齒進給仁的線性函數(shù)與刃口力的和，通過試驗及回歸分析可計算得到切削力系數(shù)：切削力系數(shù)為關(guān)于軸向切深ap、每齒進給量fz、切削速度v及單邊切削寬度aey的函數(shù)，由于切削力系數(shù)與參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系復(fù)雜，不能用簡單的線性函數(shù)表示，故采用如式3.12所示的二次式形式建立Kt。、Krc、Ka。、Kte、KM、Kae關(guān)于切削用量的多項式模型：根據(jù)測量結(jié)果便對式3.12中的參數(shù)進行求解，從而得出切削力系數(shù)多項式，計算瞬時銑削力。3.如權(quán)利要求1所述的用于端銑切削的切削力預(yù)測及溫度預(yù)測的方法，其特征在于，步驟一的基于斜角切削機理的銑削力模型建立的具體方法包括：通過分析剪切變形區(qū)幾何關(guān)系，得到剪切應(yīng)變Ys及剪切角端銑切削過程沿刀具軸向進行離散，同時將多齒銑削過程離散為若干單齒微元切削刃做瞬時斜角切削，單一剪切平面模型研究斜角切削過程；剪切平面內(nèi)的剪切應(yīng)變可依據(jù)幾何關(guān)系推導(dǎo)得出：其中n為流屑角；根據(jù)最小能量原理，從幾何觀點分析，剪切力Fs可表示為F在剪切平面上的投影，表達式如式3.15:Fs=F[cos(Qn+4>n)cosQiC〇si+sinQPinJ(3.15)或表示剪切平面上的平均剪應(yīng)力Ts和剪切面面積As的乘積：其中剪切面面積計算基于瞬時未變形切屑層厚度(抑(Z))，平均剪應(yīng)力Ts通過建立基于Johnson-Cook本構(gòu)模型的有限元仿真模型求解；故推導(dǎo)出作用在銑削刀具刀齒微元dz上的切削力合力dF，以及切向、徑向、軸向的三向切削力分量dFt、dFr、dFa:在式3.2〇中，由于(1匕、(1匕、(1匕式關(guān)于剪切屈服應(yīng)力^、切削合力方向011和01、刃傾角As和斜角切削剪切角和物的函數(shù)，基于剪切速度與剪切力共線；切屑長度比在直角切削和斜角切削中相同；得出：4.如權(quán)利要求1所述的用于端銑切削的切削力預(yù)測及溫度預(yù)測的方法，其特征在于，在步驟二中，切削力系數(shù)求解包括：以ZL702A材料作為銑削對象，所用機床為XS5040立式高速升降臺銑床，端銑刀直徑為125mm，齒數(shù)1?2,主偏角75°，軸向前角15°，徑向前角-3°，螺旋角15°，刀具材料為硬質(zhì)合金YG8;切削力測量設(shè)備采用Kistler9257B三向動態(tài)測力儀，采樣頻率為2000Hz，銑削時工件所受力的變化引起測力儀內(nèi)部電阻應(yīng)變片的形變，該形變會引起電橋的不平衡，進而引起輸出電壓的變化，使用Kistler5017A電荷放大器檢測并放大這種微弱的輸出信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后得到測量值，根據(jù)測力儀標定數(shù)據(jù)，得出測所測力值與真實力值之間的關(guān)系；為求解切削力參數(shù)，設(shè)計四因素四水平L16(44)正交試驗；基于切削力數(shù)據(jù)，分別計算x、y、z三向平均力；帶入下式：運用回歸分析的方法，建立切削力系數(shù)關(guān)于每齒進給量、軸向切深、切削速度及切削寬度的二次表達式。5.如權(quán)利要求1所述的用于端銑切削的切削力預(yù)測及溫度預(yù)測的方法，其特征在于，該用于端銑切削的切削力預(yù)測的方法具體包括：步驟一，建立基于平均切削力的銑削力預(yù)測模型；根據(jù)瞬時未變形切屑層厚度與瞬態(tài)銑削力的解析關(guān)系，建立銑削力求解關(guān)鍵因素--切削力系數(shù)關(guān)于每齒進給量、軸向切深、切削速度及單邊切削寬度四個切削參數(shù)的二次多項式模型，其中單邊銑削寬度表示了端銑切削過程中由于走刀軌跡不同所引起的切入切出角變化；通過開展四因素四水平端銑切削力測量試驗，運用最小二乘法對切削力系數(shù)模型中系數(shù)進行回歸，從而建立了基于平均切削力的銑削力預(yù)測模型；步驟二，建立基于斜角切削機理的銑削力預(yù)測模型；針對斜角切削中切削力與切削參數(shù)的關(guān)系開展解析計算；基于建立的鑄鋁合金Johnson-Cook材料本構(gòu)模型，運用有限元仿真方法對剪切角等切削基本量進行預(yù)測求解，從而計算得到銑削力預(yù)測模型中的切削力系數(shù)，建立基于斜角切削機理的銑削力預(yù)測模型。6.如權(quán)利要求1所述的用于端銑切削的切削力預(yù)測及溫度預(yù)測的方法，其特征在于，切削熱源模型建立包括：利用固體導(dǎo)熱微分方程的熱源解，經(jīng)過迭加后解算出復(fù)雜溫度場，適合求解端銑過程中復(fù)雜的傳熱學(xué)溫度場問題，并且求解效率較高，最終得到形式比較簡單的解析解；當坐標系原點設(shè)在瞬時熱源處，任一點M的坐標位置為（x，y，z)或距離原點為R處時，計算得到M點溫升0的計算公式如下：其中：Q--點熱源在T時刻的瞬時發(fā)熱量；C--導(dǎo)熱介質(zhì)的比熱容；P--導(dǎo)熱介質(zhì)的密度；a--導(dǎo)熱介質(zhì)的熱擴散率；T-熱源瞬時發(fā)熱后的任一時刻；最高溫升出現(xiàn)在R=〇處，值為：依據(jù)式4.1及傳熱學(xué)模型可推導(dǎo)出多種形狀、多種尺寸、瞬時/持續(xù)發(fā)熱、運動/固定熱源的溫度場計算公式。7.如權(quán)利要求6所述的用于端銑切削的切削力預(yù)測及溫度預(yù)測的方法，其特征在于，將溫度場求解問題便歸結(jié)為有限長運動線熱源溫度場求解的方法包括：步驟一，端銑切削有限長瞬時線熱源溫度場求解：運動線熱源的運動時間為T=0到T=t，將分解為無數(shù)微小時間間隔CU進行分析，線熱源在每一個瞬時對導(dǎo)熱體內(nèi)部點的作用都可作為瞬時線熱源問題來求解，因此首先進行有限長瞬時線熱源溫度場求解；在無限大導(dǎo)熱介質(zhì)中有一長度為L的線熱源瞬時發(fā)熱，線熱源起點為原點且沿Z軸方向，發(fā)熱量為Q，則在該線熱源發(fā)熱T秒后任一點M(x，y，z)的溫升為：在進行溫度場求解時采用鏡像熱源法，通過引入熱源，使有邊界的導(dǎo)熱體轉(zhuǎn)化為無限大的導(dǎo)熱體，從而使無限大導(dǎo)熱體的溫度場解算方法適用于求解端銑切削加工這一有邊界的非無限大導(dǎo)熱體溫度場；在熱源作用下，熱量流至邊界后不再傳送出去而全部保留在傳導(dǎo)介質(zhì)內(nèi)部；因此將絕熱表面設(shè)想為一面鏡子，在線熱源Q對稱位置上設(shè)一個強度等于真實熱源Q的鏡像熱源Q'，當兩熱源都按照在無限大導(dǎo)熱體內(nèi)部情況考慮，受影響在絕熱邊界處產(chǎn)生的熱流量q和q'必然相等，但沿A-A'面的法向分量方向相反從而相互抵消，即相當于邊界內(nèi)外無熱交換，實現(xiàn)絕熱邊界求解；導(dǎo)熱體內(nèi)任意點M的溫升即為由兩個等強熱源所造成的溫升0與0'的迭加：0M=0+0，(4.10)在端銑切削加工過程中，瞬時線熱源的一端位于絕熱邊界上，故設(shè)過線熱源P1P2中P2點有一絕熱平面，鑒于端銑切削被加工表面垂直于Z軸，因此該絕熱平面平行于XOY平面，可獲得P1P2關(guān)于該絕熱平面鏡像線熱源P/P2'，其中P2與P2'重合，同式4.9的求解可計算出在P/P2'發(fā)熱T秒后任一點M(x，y，z)的溫升：其中d(M,P1-P2')--M(x，y，z)點距離鏡像熱源P/P2'的距離dp.--1〇^，幻點在01^、，21)，坐標系中與乂1)，01^，平面的距離Lp---鏡像熱源P1'P2'長度根據(jù)式4.10可計算M點溫升0M;步驟二，端銑切削有限長旋轉(zhuǎn)運動線熱源溫度場求解：選擇端銑切削過程中一個刀齒的切削運動作為對象，設(shè)線熱源持續(xù)運動時間Te[0，t]，在這段時間內(nèi)線熱源以轉(zhuǎn)速n繞過點TiO^yi,Zi)且垂直于XOY平面的軸線做旋轉(zhuǎn)平動，當時，線熱源開始發(fā)熱，設(shè)在T=Ti時刻線熱源轉(zhuǎn)過的角度為/《他S/jS也），線熱源端點坐標分別為Pli(xpli,ypli,Zpli)和P2i(xp2i,yp2i,zp2i),在已知T=Tst時刻線熱源端點坐標的前提下，根據(jù)幾何關(guān)系可求得Ti時刻Pn、P2i坐標及M點到線熱源的距離Cli(M1PliP2i);在Ti時刻dT瞬間，運動線熱源所發(fā)熱量為Q=qscU，其中qs為熱源的發(fā)熱功率，因此根據(jù)式4.9,對導(dǎo)熱體內(nèi)任意點M點造成的溫升為：因此可計算出從Ti=〇到Ti=t時間段內(nèi)，在運動線熱源作用下，導(dǎo)熱體內(nèi)任意點M點溫升eM:8.如權(quán)利要求7所述的用于端銑切削的切削力預(yù)測及溫度預(yù)測的方法，其特征在于，熱源強度求解包括：剪切變形區(qū)的剪切滑移面單位時間內(nèi)在剪切力作用下的剪切能為：其中Fx、Fy、Fz為x、y、z方向的切削力，V。為切削速度，入s為刃傾角，等于刀具螺旋角，為法向剪切角，根據(jù)剪切角求解方法可以獲得，Yn為法向前角其由具體刀具決定；L為等效前角，$6為等效剪切角；根據(jù)Stabler切屑流動法則，等效前角L和等效剪切角由下式確定；其中Rw為工件部分熱流量比例系數(shù)，a為工件材料熱擴散率系數(shù)，Ys為剪切應(yīng)變。9.如權(quán)利要求8所述的用于端銑切削的切削力預(yù)測及溫度預(yù)測的方法，其特征在于，剪切角的獲取方法：通過分析剪切變形區(qū)幾何關(guān)系，得到剪切應(yīng)變Ys及剪切角【文檔編號】G06F17/50GK104268343SQ201410508868【公開日】2015年1月7日申請日期:2014年9月28日優(yōu)先權(quán)日:2014年9月28日【發(fā)明者】焦黎,王西彬,沈超群,董朝輝,解麗靜,劉志兵申請人:北京理工大學(xué)