[发明专利]一种基于边界条件判断的正交车铣加工端面刃切削力建模方法

摘要

本发明公开了一种基于边界条件判断的正交车铣加工端面刃切削力建模方法，该方法有五个步骤第一，建立刀具坐标系；第二，沿着径向将刀具端面刃划分成若干个微元；第三，通过边界条件判断法确定微元是否参与切削；第四，求取切屑厚度，并在此基础上计算微元切削力；第五，对所有参与切削的微元上的切削力进行加和以得到总的切削力。通过统一的边界条件方程来判断微元的切削状态的方法避免了现有技术在进行正交车铣加工端面刃切削力预测时需要将切削过程划成多个阶段来分别讨论的缺点；由于考虑了跳动的影响，预测结果更为准确。本发明中的表达式简单易懂，省去了繁冗的特征角计算过程，适合于虚拟加工仿真系统的开发，具有较好的应用前景。

主权项

一种基于边界条件判断的正交车铣加工端面刃切削力建模方法，包含以下步骤：步骤1：以刀具底面中心O为原点，以刀具轴线方向为Z轴建立笛卡尔直角坐标系，即刀具坐标系，其中，X轴为与工件轴线平行的方向；步骤2：沿着刀具径向将端面刃划分成若干个微元，假设第j个刀齿上的第i个微元切削刃到刀具底面中心的距离为Lj,i，则时刻t该微元在刀具坐标系中的坐标为：xj,iyj,izj,i=Lj,i·sin(2π·nT60·t+(j-1)·2πN)Lj,i·cos(2π·nT60·t+(j-1)·2πN)0---(1)]]>其中，nT表示刀具转速，N为刀具齿数；步骤3：假设任一微元在刀具坐标系中的位置为(xj,i,yj,i,zj,i)，针对顺铣加工，通过式(2)判断该切削刃微元是否处于切削状态；针对逆铣加工，通过式(3)判断其是否处于切削状态；如果式(2)或式(3)成立，则说明该微元处于切削状态；否则，说明该微元未处于切削状态；yj,i≤cotβ·xj,i-RTsinβ+b·cotβyj,i≥-(RW-ap)·tan(θz2)yj,i2+(RW-ap+zj,i)2≤RW---(2)]]>yj,i≥-cotβ·xj,i+RTsinβ-b·cotβyj,i≤(RW-ap)·tan(θz2)yj,i2+(RW-ap+zj,i)2≤RW---(3)]]>其中，RW和RT分别表示工件和刀具的半径，ap表示切深，b、θz和β由下式给出b=fvnWθz=2π·nWN·nTβ=arctanb2π(RW-ap)---(4)]]>式中，fv表示刀具沿着工件轴线方向进给速度，nW表示工件的旋转速度；步骤4：对于处于切削状态的端面刃微元，计算其切削厚度，顺铣时，切厚计算公式为：hj,i=[(RW-ap)tanθz2+yj,i]tanθz+ϵj-ϵj-1---(5)]]>逆铣时，切厚计算公式为：hj,i=[(RW-ap)tanθZ2-yj,i]tanθz+ϵj-ϵj-1---(6)]]>式中：εj表示第j个端面刃沿着刀具轴线方向的跳动；采用机械力学模型，计算作用在处于切削状态的微元上的切向及进给方向切削力dFt,j,i，dFf,j,i：dFt,j,i=Ktc·hj,i·dz+Kte·dzdFf,j,i=Kfc·hj,i·dz+Kfe·dz---(7)]]>式中，Ktc、Kfc是剪切力系数，Kte、Kfe是刃口力系数，dz是微元切削刃的长度；对于未处于切削状态的微元，其对应的切向及进给方向切削力均为0；通过式(6)将作用在各个微元上的切削力转换到刀具坐标系的X、Y和Z方向：dFX,j,idFY,j,idFZ,j,i=-cos(2π·nT60·t+(j-1)·2πN)0sin(2π·nT60·t+(j-1)·2πN)001dFt,j,idFf,j,i---(8)]]>步骤5：对所有微元重复进行步骤3和步骤4，并将所有参与切削的微元上的切削力相加，得到正交车铣加工过程中端面刃切削所产生的切削力FX、FY和FZ；FXFYFZ=Σj=1NΣi=1MdFX,j,idFY,j,idFZ,j,i---(9).]]>