[发明专利]一种球头铣刀多轴铣削钛合金铣削力预测方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属材料机加工领域，具体涉及一种球头铣刀多轴铣削钛合金铣削力预测方法。

背景技术

铣削加工是零件表面成形的主要方法之一，随着数控技术持续不断的发展，被广泛的应用到复杂曲面的机械加工中。球头铣刀广泛应用于多轴精加工曲面由于其更好的适应性，并且刀具的方向对铣削加工过程和工件表面质量有显著影响。表面完整性好的零件对其疲劳性能，耐腐蚀性、稳定性和可靠性起着重要作用。钛合金的性能优异性使其广泛应用于在航空、航天等领域，但是，相对于其他材料，钛合金具有较差的切削加工性，在一定程度上影响其在航空航天制造业中的应用。钛合金难加工的主要影响因素有：切削温度高、切削散热差、粘刀现象严重等。而切削加工中的切削力对切削过程中的产生的热量，刀具的磨损，加工系统的振动起着决定性的作用，因此准确的预测切削力在切削加工中显得尤为重要。

发明内容

随着钛合金的广泛应用，国内外学者对钛合金的加工性进行了大量的研究，本发明基于三轴球头铣刀的力学模型，提出一种考虑刀具倾斜角的对切入角和切出角的影响建立多轴铣削力方法，然后根据平均切削力方法识别切削力系数，并仿真分析加工参数与刀具几何参数对切削力的影响，为优化多轴铣削加工工艺方法提供了一定的理论基础。

本发明通过以下技术方案实现：

一种球头铣刀多轴铣削钛合金铣削力预测方法，包括以下步骤：

步骤1：通过分析球头铣刀的空间几何参数关系，在刀具坐标系下建立刀具参数的几何关系；

步骤2：考虑刀具倾斜角的影响，通过传递矩阵建立工件坐标系与步骤1所述刀具坐标系的几何关系；

步骤3：在考虑剪切力和犁切力双重效应的基础上建立球头铣刀铣削力模型，针对刀具每个切削微元受力分析，建立在刀具坐标系下刀具径向、轴向、切向力学方程；

步骤4：根据刀具和和工件几何投影计算轴向切入角与切出角并对切削深度与径向切削宽度对切入角与切出角影响仿真分析；

步骤5：通过近似运算确定刀具位置角k_u与k_l上下边界；

步骤6：通过切削实验，根据测得不同进给速度下切削力，采用线性回归识别刀具与工件的切削力系数；

步骤7：根据已建立球头铣刀切削力的铣削力模型，通过修改不同的切削参数，得到不同的切削力仿真图像，进而进行分析对比。

优选地，具体包括如下步骤：

步骤1：首先分析球头铣刀的空间几何参数关系，通过旋转机床坐标系Z轴旋转得到刀具坐标系(X_c，Y_c，Z_c)，X_c指向刀刃曲线的切线方向，原点为球头铣刀顶点；假设P点是切削刃上一点，C点是球头铣刀刀头球心，则直线PC与Z轴负方向之间的夹角k定义为点P的位置角或轴向切深角：

其中R₀为球头铣刀半径，R(z)为局部半径，通过下式所得：

X_c轴与OP在XOY平面内的夹角ψ定义为P点滞后角，则在刀具坐标系下P点的坐标Z_c可以表示为：

Z_c＝R₀(1-cosk)(3)

当点P在球头铣刀的第j个切削刃上时，其Y轴方向的角位置可以表示如下：

径向滞为连接P点与(0,0,z)点的直线与切削刃底部的切线之间的夹角，滞后角ψ(v)取决于螺旋角，通过下式计算：

式中：i₀——铣刀球面部分与圆柱部分交界处的螺旋角；

切深角φ_j(v)为螺旋槽j的切削刃上一点的角位移，从U轴开始测量，计算公式如下：

φ_j(v)＝φ+(j-1)φ_p-ψ(v)(5)

式中：φ——铣刀底部定点处的切深角；φ_p——刀具齿间角；