[发明专利]一种基于有限元模拟的刀具偏心跳动辨识方法

说明书

本发明涉及一种基于有限元模拟的刀具偏心跳动辨识方法，包括以下步骤：用铣刀实际高速铣削过程构建刀具斜角切削时铣削力与铣削厚度的有限元模型；从有限元模型中分离出刀具偏心跳动并构建其有限元模型；利用有限元软件构建包含刀具偏心跳动有限元模型的铣削力模型。上述技术方案利用有限元软件对高速铣削中三维斜角切削进行有限元模拟，建立瞬时铣削力与瞬时铣削厚度的动态响应模型，并通过一维搜索分离出刀具偏心跳动，再次建立偏心跳动‑瞬时铣削力模型与偏心跳动‑瞬时铣削厚度模型，完成刀具偏心跳动参数辨识，该方法得到的刀具偏心跳动实测与预测基本一致，有效保证了后期优化铣削参数时的准确性。

技术领域

本发明涉及刀具偏心跳动辨识方法领域，具体涉及一种基于DEFORM-3D有限元模拟的高速铣削刀具偏心跳动分离与辨识方法。

背景技术

伴随着信息技术的飞速发展，利用三维有限元模拟高速铣削物理状态被验证为一种高效的铣削应力分析途径，被越来越多地运用在复杂工况下铣削力建模与预测、残余铣削力分析以及工件终端切削成形等金属切削领域研究中。在数控高速铣削中所用的铣刀大部分为多刃铣刀，且为空间螺旋状，比较复杂，在制造过程中经常出现刀刃不对称或者偏心现象，同时受到刀柄和主轴锥孔接触刚度的影响，使得刀具回转中心与几何中心不重合，从而引起铣削过程中刀具的偏心跳动。其是高速铣削时不可忽视的重要参数，直接影响着工件表面的质量与刀具的寿命。近年来，刀具偏心跳动的宏观特性与微观算式被国内外学者多次研究。但其研究的刀具偏心跳动参数确定方法的误差较大，难以满足数控高速铣削的实际应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于有限元模拟的刀具偏心跳动辨识方法，其得到刀具偏心跳动实测与预测一致性高，为后期铣削参数的优化奠定可靠的基础。

为解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案：

一种基于有限元模拟的刀具偏心跳动辨识方法，包括以下步骤：

(1)用铣刀实际高速铣削过程构建刀具斜角切削时铣削力与铣削厚度的有限元模型；

11)将瞬时铣削力分解成切向力F_x、径向力F_y和轴向力F_z三个分量；

12)则第i个刀齿上第j个切削微元的切向受力、径向受力与轴向受力表示为：

瞬时切削厚度与瞬时刀具角位移分别表示为：

式中：K_x、K_y、K_z为切向、径向与轴向铣削力系数；N为刀具齿数，M为刀具齿数的微元数，为瞬时切削厚度，d_z为切削微元的轴向高度，为立铣刀旋转角度；用表示切削微元的瞬时角位移，f_z为每齿的进给量，β表示刀具螺旋角，D为刀具直径；

将铣削力与切削厚度线性关系考虑进切削力系数并通过回归分析可得出切削微元的瞬时铣削力-瞬时切削厚度数学模型：

式中：铣削力与切削厚度线性关系为F_q＝α_qh+b_q；q表示切向、径向与轴向三个方向的矢量；

(2)从步骤(1)的有限元模型中分离出刀具偏心跳动并构建其有限元模型；

将瞬时铣削力分为理想铣削力与刀偏铣削力两部分；根据切削厚度的指数函数，将理想铣削力表示为：

式中：