[发明专利]一种基于边界条件判断的正交车铣加工端面刃切削力建模方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于边界条件判断的正交车铣加工端面刃切削力建模方法，属于数控加工过程仿真领域。

背景技术

随着先进制造技术的发展，车铣复合加工工艺逐渐成为机械加工领域应对带有复杂特征的回转体类零件的一项重要手段。然而目前对于这一技术的研究还不够充分，在实践中，制造工程师更多地是依靠经验或是参照传统的铣削加工过程来选取切削参数。这种确定切削参数的方法往往未能充分考虑到车铣复合加工工艺的特性，制约着其效能的进一步发挥。准确地预测切削力能够为制造工程师科学而又高效的应用车铣复合加工工艺提供重要的参考。在诸多的切削力建模方法中，机械力学模型是被广泛采用的一种方法。有效的获取切削刃接触区域则是应用这一模型预测切削力的前提。不同于一般的铣削加工过程，在正交车铣加工中，工件和刀具同时旋转，这使得切削刃接触区域的分布变得比较复杂。文献“姜增辉，贾春德.无偏心正交车铣理论切削力.机械工程学报,2006,42(9):23-28”公开的方法在计算端面刃切削力时，需要首先计算特征角，并根据这些特征角所划分出的不同情况来确定接触区域。这种方法加深了人们对正交车铣加工技术的认识，然而需要分成多种情况讨论使得这一方法不利于计算机仿真程序的实现。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术在进行正交车铣加工过程端面刃切削力预测时不利于计算机编程实现的缺点，本发明给出了一种基于边界条件判断法的正交车铣加工端面刃切削力建模方法。该方法首先将刀具端面刃划分成若干个微元，通过边界条件判断法来确定切削刃的接触区域，并在计算切屑厚度时，考虑了刀齿的轴向跳动的影响，接下来根据机械力学模型计算微元切削力，最后通过将所有微元上的切削力相加来获得总的切削力。

一种基于边界条件判断的正交车铣加工端面刃切削力建模方法，包含以下步骤：

步骤1：以刀具底面中心O为原点，以刀具轴线方向为Z轴建立笛卡尔直角坐标系，即刀具坐标系，其中，X轴为与工件轴线平行的方向；

步骤2：沿着刀具径向将端面刃划分成若干个微元，假设第j个刀齿上的第i个微元切削刃到刀具底面中心的距离为L_j,i，则时刻t该微元在刀具坐标系中的坐标为：

其中，n_T表示刀具转速，N为刀具齿数；

步骤3：假设任一微元在刀具坐标系中的位置为(x_j,i,y_j,i,z_j,i)，针对顺铣加工，通过式(2)判断该切削刃微元是否处于切削状态；针对逆铣加工，通过式(3)判断其是否处于切削状态；如果式(2)或式(3)成立，则说明该微元处于切削状态；否则，说明该微元未处于切削状态；

其中，R_W和R_T分别表示工件和刀具的半径，a_p表示切深，b、θ_z和β由下式给出

式中，f_v表示刀具沿着工件轴线方向进给速度，n_W表示工件的旋转速度；

步骤4：对于处于切削状态的端面刃微元，计算其切屑厚度，顺铣时，切厚计算公式为：

逆铣时，切厚计算公式为：

式中：ε_j表示第j个端面刃沿着刀具轴线方向的跳动；采用机械力学模型，计算作用在处于切削状态的微元上的切向及进给方向切削力dF_t,j,i，dF_f,j,i：

dF_t,j,i＝K_tc·h_j,i·dz+K_te·dz(7)

dF_f,j,i＝K_fc·h_j,i·dz+K_fe·dz

式中，K_tc、K_fc是剪切力系数，K_te、K_fe是刃口力系数，dz是微元切削刃的长度；对于未处于切削状态的微元，其对应的切向及进给方向切削力均为0；

通过式(6)将作用在各个微元上的切削力转换到刀具坐标系的X、Y和Z方向：