[发明专利]铝合金材料端铣切削力及切削加工变形模型的构建方法

说明书

技术领域

本发明属于机加工领域，尤其涉及一种铝合金材料端铣切削力及切削加工变形模型的构建方法。

背景技术

目前国内外关于铸铝合金材料铸造工艺方法的研究已较为成熟，但对不同铸铝合金材料的力学特性的研究仍仅限于静态力学特性研究，针对切削加工中高温、高应变、高应变率条件下的铸铝合金材料动态力学特性研究尚未开展，因此研究铸铝合金材料在高速切削条件下表现处来的动态力学性能，对研究加工变形机理具有重要的研究意义。

根据铸铝合金材料特点，铸铝合金复杂箱体零件的主要加工方法为端铣切削，当进行大尺寸平面加工时，受端铣刀具直径的影响，虽然加工时未选用较高的主轴转速，选用大直径端铣刀具在切削过程中仍能达到较高的切削速度(＞1000m/min)，因此不适合用传统的切削理论开展分析，需要建立适合高速端铣切削的研究方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铝合金材料端铣切削力及切削加工变形模型的构建方法，旨在对铸铝合金材料在高速切削条件下表现出的高温、高应变、高应变率的动态力学性能进行研究。

本发明是这样实现的，一种铝合金材料端铣切削力模型的构建方法的具体步骤如下：

步骤一、建立基于平均切削力的铣削力预测模型，根据瞬时未变形切屑层厚度与瞬态铣削力的解析关系，建立铣削力求解关键因素-切削力系数关于每齿进给量、轴向切深、切削速度及单边切削宽度四个切削参数的二次多项式模型，其中单边切削宽度表示了端铣切削过程中由于走刀轨迹不同所引起的切入切出角变化，通过开展四因素四水平端铣切削力测量试验，运用最小二乘法对切削力系数模型中系数进行回归，并研究切削参数对切削力系数的影响，建立基于平均切削力的铣削力预测模型；

步骤二、建立基于斜角切削机理的铣削力预测模型，针对斜角切削中切削力与切削参数的关系开展解析计算，基于铸铝合金Johnson-Cook材料本构模型，运用有限元仿真方法对剪切角等切削基本量进行预测求解，计算得到铣削力预测模型中的切削力系数，建立基于斜角切削机理的铣削力预测模型；

步骤三、基于所建立的基于平均切削力的铣削力预测模型和基于斜角切削机理的铣削力预测模型，分别开展单、多齿瞬态铣削力预测并与试验数据进行对比，结合模型建立过程进行切削力误差原因分析。

进一步，所述的建立基于平均切削力的铣削力预测模型的具体方法为：

首先，将多个刀齿同时参与切削的端铣切削过程进行离散，设端铣刀刀齿编号为i，当第i个刀齿参与切削时，将切削刃等间距离散为有限个微元切削刃dz，每一个微元切削刃参与切削的过程可等效于一个斜角切削过程；

作用在刀齿i切削刃微元dz上的瞬时切削力dF_i可分别沿切向、径向、轴向分解为三个分量：切向瞬时切削力dF_ti、径向瞬时切削力dF_ri及轴向瞬时切削力dF_ai，建立瞬时切削力求解关系式如下式，式中K_tc、K_rc、K_ac分别为剪切作用对切向、径向和轴向切削力的作用系数，K_te、K_re、K_ae分别为对应的刃口力系数；

端铣刀单个刀齿铣削区域示意图，取第i个刀齿上的dz微元为研究对象，与分别为刀齿的切入角、切出角。当刀齿旋转至瞬时接触角时，瞬时未变形切屑层厚度可由式近似表示，其中f_z为每齿进给量；

当时刀齿微元位于有效的切削范围之内，计算公式如下式，其中a_ey为工件上刀具切入点与刀具旋转中心垂直于进给方向的距离，B为被加工表面宽度，R为刀具半径；

设ω为刀具旋转角速度，t为加工时间，则刀齿切削瞬时的瞬时接触角与刀具瞬时转角刀具齿间角以及瞬时偏差角θ(由于刀具螺旋角β引起的与的偏差)之间的关系如下式；

当考虑刀具主偏角为k_r时，瞬时切屑层厚度表示为：

通过坐标变换，将切向、径向及轴向的瞬时切削力转换为x方向(进给向)、y方向(进给方向法向)和z方向(轴向)：

其中，c＝f_zsink_r，，k_β＝tanβ/R，则积分得到三向瞬时切削力，其中分别表示刀齿切削刃参与切削部分的轴向上、下限；