[发明专利]弱刚度微铣削系统的切削力建模方法

说明书

本发明公开了弱刚度微铣削系统的切削力建模方法，包括如下步骤：1)获取刀具加工的输入参数；2)通过计算微铣刀每个刀齿的实际运动轨迹，对刀齿的历史轨迹的相互作用判断其所属的切削情况；3)计算考虑刀具变形的实际瞬时未变形切屑厚度；4)对瞬时未变形切屑厚度进行分类，判断刀具在当前位置角下的切削机理模型；5)采用与瞬时未变形切屑厚度相应的切削机理模型对铣削过程中的切削力进行计算；本发明有效地提高微切削力的加工精度，与实测切削力的幅值和形状等关键特征高度吻合，合理地揭示了微铣削过程中的动力学现象，减小了基于切削力进一步研究计算误差。

技术领域

本发明属于机械制造技术领域，具体涉及弱刚度微铣削系统的切削力建模方法。

背景技术

微铣削作为微制造中重要的技术，相较于MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem，微机电系统)、LIGA等具有明显的技术优势，主要包括：可加工的材料范围广；加工精度高；3D表面成形能力强；加工效率高。在微切削加工中，刀具与工件之间的作用力能够直接反映切削状态，是机械制造领域重要的物理量之一，因此被广泛关注。目前，对切削力建模方法的研究，考虑的主要因素集中在刀具跳动、刀具磨损等因素对切削力的影响，而没有针对具有复杂结构微直径铣刀及其弱刚度特性、刀具跳动、刀齿间历史轨迹相互作用、尺寸效应等特征的弱刚度微铣削系统切削力的建模方法。因此无法实现精准地预测弱刚度微铣削系统的切削力及其幅值、频率、变化特征等，影响对微铣削过程中的刀具磨损判断、微铣削工艺优化等研究，很难准确地揭示微铣削过程中的动力学特征、也难以保证基于微铣削力研究的准确性。

因此，现有技术中需要一种能够克服上述问题的切削力建模方法。

发明内容

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，弱刚度微铣削系统的切削力建模方法，包括如下步骤：

1)获取刀具加工的输入参数。

2)通过计算微铣刀每个刀齿的实际运动轨迹，对刀齿的历史轨迹的相互作用判断其所属的切削情况。

3)计算考虑刀具变形的实际瞬时未变形切屑厚度。

4)对实际瞬时未变形切屑厚度进行分类，判断刀具在当前位置角下的切削机理模型。所述切削机理模型包括纯弹性模型、弹塑性混合模型和完全塑性剪切模型。

5)采用与瞬时未变形切屑厚度相应的切削机理模型对铣削过程中的切削力进行计算。

进一步，在步骤1)中，获取刀具加工的输入参数包括刀具跳动量、刀具跳动角、斜向跳动倾角、刀具悬伸量、刀具结构、刀具材料、加工参数、刀具直径、刀具参数、切削参数、跳动参数、刀具跳动时间、位置角增量和轴细分参数。

进一步，在步骤2)中，计算微铣刀每个刀齿的实际运动轨迹包括如下步骤：

2.1)计算考虑微铣刀跳动的刀具偏心位置坐标。

定义微铣刀轴向为Z轴，将微铣刀沿Z轴细分多个微单元。将铣削过程中第j个齿在t₀时刻的铣刀底部端点记为点E，以E点在t₀时刻为参考，在相同刀齿上深度为z的任一点P的时刻为：

滞后角在距底端特定高度的表达式为：

式(1)和式(2)中，i表示第i个微元，j表示第j个齿，K为轴向划分的单元总数，N_z为刀齿数，ω为主轴转速(rad/s)，λ_s为微铣刀螺旋角，R为微铣刀半径，a_p为轴向切深。

计算考虑刀具跳动的刀具中心位置，刀具的跳动包含径向跳动偏移量ρ和斜向跳动(L-z)sinτ，二者关系为：

ρ＝ρ’+(L-z)sinτ (3)