[发明专利]一种三维车削力解析建模方法

说明书

本发明公开了一种三维车削力解析建模方法，包括以下步骤：将车刀的切削刃在前刀面上沿圆周方向离散成一系列切削微元；通过材料JC本构模型来计算每个切削微元的剪切流动应力；根据车刀的几何关系和坐标变换，得到切削微元的径向位置角、微元偏角、切削宽度、切削深度、切削厚度及切削载荷的表达式；根据相邻切屑的约束力平衡以及所有切屑单元上的力平衡，计算出全局与局部的切屑流角；采用修正的斜角切削预测模型计算出每个切削微元受到的切削力；将所有切削微元的切削力进行叠加，得到整个车刀三维切削力的值。本发明只需输入工件材料参数、车刀几何参数及切削参数就能很快地预测出车削力，具有较高的准确性和快速性。

技术领域

本发明涉及一种车削加工技术，尤其涉及一种三维车削力解析建模方法。

背景技术

在三维车削过程中，车刀具有复杂的几何形状，其参与切削的切削刃对工件加工表面质量具有重要的影响。因此，必须建立准确的切削力模型以保证切削力的预测精度。由于切削力预测的机械模型和经验公式只适用于特定的刀具-工件材料组合，且需要进行大量的切削实验，因此，其成本高、通用性差的缺点在很大程度上约束了对切削力的预测。而切削预测的解析模型虽然避免了开展实验成本高及繁琐性的问题，但未考虑车削过程中存在的切屑约束作用。

发明内容

为了克服现有建模方法存在实验次数多且对切屑流向不确定的问题，本发明提供一种三维车削力解析建模方法，它建立了一种三维车削力的解析预测模型，只需输入工件材料参数、车刀几何参数及切削参数就能很快地预测出车削力，具有较高的准确性和快速性，可以解决现有机械及数值方法标定成本高且工作繁琐的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种三维车削力解析建模方法，包括以下步骤：

S1、确定车刀的几何参数和选定切削参数，车刀的几何参数包括法向前角α_n、刃倾角λ_s、法向后角γ_n、主偏角k_r和刀尖圆弧半径r_e；切削参数包括切削深度a_p、进给量f_t和切削速度V；

S2、将车刀的切削刃在前刀面A_γ上沿圆周方向离散成(K+2)个切削微元，每个切削微元的切削特性看作含有切屑流出方向约束的斜角切削过程，即由于相邻切屑间的相互作用使所有切屑单元沿同一方向流出；

S3、由于前刀面A_γ上所有切屑微元都具有相同的切屑流动方向，故得到第k个切屑微元的局部切屑流角的表达式其中，为全局流动角，为切削微元偏转角；

S4、由于所有切屑微元具有相同的流动方向，将第k个切屑微元受到相邻切屑约束的力平衡和施加在所有切屑单元上的力平衡相结合，得到切屑微元的力平衡方程是由第k个切屑微元的相邻切屑单元所产生的合力，由此计算得到进而计算出

S5、根据修改后的斜角切削模型，计算第k个切削微元由主剪切区的剪切效应所产生的剪切力和法向力

其中，τ_sh为主剪切区的剪切流动应力，A_k为第k个切削微元的切削载荷，为第k个切削微元的刃倾角，为第k个切削微元的法向剪切角，为第k个切削微元的前角，为第k个切削微元的法向摩擦角，为第k个切削微元的局部切屑流动角，为第k个切削微元的剪切流动角；

S6、通过坐标变换，第k个切削微元由剪切作用引起的切向分力dF_t,j、径向分力dF_r,j、轴向分力dF_a,j的表达式为

S7、通过坐标变换，将所有切削微元产生的切削力进行叠加，得到总切削力的表达式为