[发明专利]一种基于材料特性的高速铣削力建模方法

说明书

技术领域

本发明属于难加工材料曲面零件精密高效加工领域，特别涉及一种基于材料特性的难加工材料高速铣削力建模方法。

背景技术

研究难加工材料曲面零件高速铣削技术，对提高其加工精度及效率具有重要意义。难加工材料曲面零件高速铣削过程中，铣削力作为铣削过程中的一个重要过程物理参数，研究铣削力建模方法对优化难加工材料曲面零件高速铣削加工工艺、提高加工质量具有重要指导作用。

目前，铣削力建模方法主要有机械模型法、统一力学模型法及人工智能建模法等。机械模型法以固定刀具工件组合为建模基础，更换工件后，模型将不再适用，需重新实验校准系数。统一力学模型法虽考虑了刀具参数、工件材料屈服强度和切削条件等的影响，但力学分析过程中使用了简化公式和一些假设使得铣削力预测精度低且建模过程复杂。人工智能建模法需要足够的铣削实验样本，且无法考虑实际铣削情况，导致铣削力预测误差较大。尽管铣削力建模方法较多，但缺乏针对难加工材料曲面零件高速铣削力建模较普遍适用的方法，难以利用一种模型实现多种难加工材料高速铣削力的精确预测。

王保升等人专利公告号为CN104794305A的“变曲率曲面侧铣过程中的瞬时铣削力预测方法”，针对变曲率零件侧铣加工，依据刀具位置点计算瞬时切入切出角度，从而计算实际瞬时切深，进而得到瞬时未变形切削厚度，基于未变形切削厚度得到铣削力的大小。然而该方法中并未考虑材料特性对铣削力带来的影响，对不同的工件材料不具有通用性。文献“Modelingandexperimentalvalidationofcuttingforcesinfive-axisball-endmillingbasedontruetoothtrajectory”，GaiyunHe等，InternationalJournalofAdvancedManufacturingTechnology，2015，78(1-4)，189-197，提出了一种基于刀齿实际运动轨迹的球头铣刀五轴铣削力预测模型，将预测得到的铣削力与实验所测铣削力对比，结果表明预测结果与实验结果吻合度较高。然而，该方法所涉及的铣削力建模过程未涉及材料特性对铣削力带来的影响，因而对不同难加工材料曲面零件加工过程铣削力精确预测存在较大限制。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的缺陷，发明一种基于材料特性的难加工材料高速铣削力建模方法，将材料特性引入高速铣削力建模过程中，实现一种模型对不同难加工材料高速铣削力的精确预测，提高模型的鲁棒性，为难加工材料曲面高速铣削过程控制提供理论与技术支撑，提高难加工材料曲面零件加工质量及加工效率。

本发明所采用的技术方案一种基于材料特性的高速铣削力建模方法，其特征在于，首先基于微元思想及斜角切削原理，将切削过程等效为一系列微小斜角切削加工的线性叠加，并将微元铣削力表示为前刀面挤压工件材料产生的正压力与切屑沿前刀面滑动产生的摩擦力；以此为基础将材料特性引入铣削力建模过程中，建立基于材料特性的正压力与摩擦力的计算模型，提高模型对工件材料及铣削条件的适用性；然后，建立工件坐标系下的铣削力模型；最后基于单层平均力逆向求解方法对模型中的系数进行辨识，建立适用于不同种难加工材料的高速铣削力预测模型。建模方法的具体步骤如下：

1)瞬时微元铣削力计算

为建立铣削力模型，首先建立刀具坐标系Xc-Yc-Zc，局部坐标系t-r-a及工件坐标系Xw-Yw-Zw，并确定局部坐标系到刀具坐标系的转换矩阵A和刀具坐标系到工件坐标系的转换矩阵B。

基于微元思想及斜角切削原理，局部坐标系下微元铣削力(dFt,dFa,dFr)可表示为：