脆性材料超声振动侧面磨削的切削力预测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及超声振动磨削加工领域，特别是针对脆性材料的一种脆性材料超声振 动侧面磨削的切削力预测方法。 技术背景
[0002] 陶瓷等脆性材料具有良好耐磨损、耐腐蚀性、生物相容性以及高温热稳定性等优 点，因而被广泛应用于航空航天、精密仪器以及医学修复领域。但同时，这类材料的硬度高、 断裂韧性低的特点，决定了其加工过程比较困难。因此，现有技术中通常使用超声振动侧面 磨削技术来实现脆性材料的加工，以提高脆性材料的加工效率和加工质量。
[0003] 超声振动侧面磨削脆性材料的过程中，切削力这一因子直接影响了切削加工过程 中的稳定性以及加工后工件的表面/亚表面质量，因此需要对加工过程中切削力进行预测 和分析，以实现脆性材料的低损伤加工。目前切削力预测方法主要有基于智能算法的切削 力预测、基于经验公式的切削力预测以及基于理论分析的切削力预测。
[0004] 基于智能算法进行切削力预测过程中，例如采用BP神经网络、粒子群算法以及蚁 群算法等算法进行预测时，对样本量要求较大，预测误差与样本量直接相关，样本量过小直 接导致预测误差大，而且预测过程不能考虑到实际的加工工况；
[0005] 基于经验公式的切削力预测，预测结果的准确性主要取决于所采用经验公式的类 型，通过对实验数据进行回归分析，从而得到切削力经验公式的指数或系数，但此种方法通 常只考虑到切削参数的影响，不能反映振动参数、工件材料性能等对切削力的影响。
[0000]目前已有的基于理论分析的切削力预测方法，例如Zhang CL,Zhang JF,Feng PF. 等人提出的Mathematical model for cutting force in rotary ultrasonic face milling of brittle materials，载于The International Journal of Advanced Manufacturing Technology ,2013,69(1-4)，在其提出的数学模型中仅考虑材料的脆性断 裂去除，对材料的塑性流动去除阶段不予考虑，同时，也未能考虑参与切削加工的有效磨粒 数目，与实际加工过程吻合度不高，导致预测精度欠佳。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的旨在针对现有切削力预测方法未能考虑材料塑性流动去除阶段以 及假设所有磨粒都同时参与切削加工，不能反映真实加工状况的问题，提出一种脆性材料 超声振动侧面磨削的切削力预测方法，实现脆性材料超声振动侧面磨削过程中切削力的准 确预测。
[0008] 本发明的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现，从属权利要求以另选或有 利的方式发展独立权利要求的技术特征。
[0009] 为达成上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
[0010] -种脆性材料超声振动侧面磨削的切削力预测方法，包括以下步骤：
[0011] 步骤1、临界切削深度ag。和最大切削深度agmax的确定，即根据单个旋转周期内单颗 磨粒的运动轨迹和切削表面形貌，分别确定塑性流动去除阶段和脆性断裂去除阶段、发生 塑-脆性转变时的临界切削深度ag。以及最大切削深度agmax;
[0012] 步骤2、建立单颗磨粒切削力Fn与切削深度ag的理论关系式，即根据单个旋转周期 内切削深度的变化，建立单颗磨粒切削力F n与切削深度ag的理论关系式；
[0013] 步骤3、确定塑性流动去除阶段的平均切削深度aared和平均切削力Fds，即根据塑性 流动去除阶段单颗磨粒的理论划痕体积与等效划痕体积的关系，确定该阶段的平均切削深 度 &_<!，将平均切削深度&_<!代入步骤2中建立的理论关系式中，得到塑性流动去除阶段平 均切削力F ds;
[0014] 步骤4、确定脆性断裂去除阶段的平均切削深度aareb和平均切削力Fbs，即根据脆性 断裂去除阶段单颗磨粒的理论划痕体积与划痕等效体积的关系，确定该阶段的平均切削深 度 &_^将平均切削深度8^4代入步骤2中建立的理论关系式中，得到脆性断裂去除阶段的 平均切削力Fbs;
[0015] 步骤5、计算参与加工的有效磨粒数_a，即根据单个旋转周期内，切削加工中所 有磨粒的实际去除体积￥ 3与单颗磨粒的理论去除体积Vt的关系，计算得到参与加工的有效 磨粒数目Na;
[0016] 步骤6、建立切削力F的预测公式，即基于前述步骤4和步骤5中求得的单颗磨粒在 塑性流动去除阶段的平均切削力F ds、在脆性断裂去除阶段的平均切削力Fbs以及有效磨粒 数目N a，建立切削力F与综合影响系数K、加工参数、振动参数、材料性能参数以及刀具参数 之间的关系式；
[0017] 步骤7、前述步骤6中综合影响系数K的取值计算，即采用事先标定的方式:通过多 次超声振动侧面磨削脆性材料，并利用测力仪获取切削力数据，再根据前述步骤6的预测公 式求得多组综合影响系数K，以各组综合影响系数的平均值作为最终的K值，将其代入步骤6 所建立的预测公式，得到最终的切削力F的预测公式；
[0018] 步骤8、根据前述步骤7所获得的最终切削力F的预测公式，对不同加工参数下的切 削力进行预测。
[0019] 由以上技术方案可知，本发明提出的脆性材料超声振动侧面磨削的切削力预测方 法，与现有技术相比，其显著优点在于：
[0020] (1)同时考虑到脆性材料超声振动侧面磨削过程中的塑性流动去除阶段和脆性断 裂去除阶段，更加符合实际加工过程；
[0021] (2)通过对所有磨粒的实际去除体积和单颗磨粒的理论去除体积进行分析，提出 了更加符合实际切削过程的有效磨粒计算公式；
[0022] (3)考虑到加工过程中的刀具磨损、切削温度和机床刚度的影响，引入了综合影响 系数K来表征此类因素对切削力的影响；
[0023] (4)分别对塑性流动去除阶段和脆性断裂去除阶段的理论划痕体积与等效划痕体 积进行分析，提出了平均切削厚度计算公式，并基于此建立了切削力的预测方法，为切削力 预测提供了一种新思路。
[0024] 通过以上四点考虑，使得计算过程更加符合实际加工状况，提高了脆性材料超声 振动侧面磨削过程中的切削力预测精度。
【附图说明】
[0025] 图1为本发明一实施方式的脆性材料超声振动侧面磨削的切削力预测方法的示例 性流程图。
[0026] 图2为脆性材料超声振动侧面磨削加工过程示意图。
[0027] 图3为单颗磨粒切削深度变化示意图。
[0028] 图4为塑性流动去除阶段单颗磨粒理论划痕体积与等效划痕体积示意图。
[0029]图5为脆性断裂去除阶段单颗磨粒理论划痕体积与等效划痕体积示意图。
【具体实施方式】
[0030] 为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
[0031] 本发明的脆性材料超声振动侧面磨削的切削力预测方法，适用于陶瓷类、玻璃类 等脆性材料的超声振动侧面磨削加工，本实施例以氧化锆陶瓷的超声振动侧面磨削为例， 其加工形式如图2所示，所用刀具为金刚石磨粒刀具，刀具随主轴旋转并作轴向的超声频振 动，且刀具作进给运动。图中，标号1表示金刚石磨粒，金刚石磨粒刀具的具体参数、氧化错 陶瓷的主要性能参数以及振动参数如下表1所示。
[0032] 表 1
L〇〇34」显然，这些参数是由金刚石磨粒刀具的具体型号、氧化锆陶瓷（脆性工件材料）的 固有参数和超声振动装置的设置决定的，上述表中的参数并非是对本发明的限制。
[0035] 如图1所示，根据本发明的实施例，一种脆性材料超声振动侧面磨削的切削力预测 方法，其实现具体包括以下步骤：
[0036] 步骤1、临界切削深度ag。和最大切削深度agmax的确定，即根据