一种平底螺旋立铣刀正交车铣轴类零件的切削力建模方法
【专利摘要】本发明公开了一种平底螺旋立铣刀正交车铣轴类工件的切削力建模方法，包括步骤：分别建立螺旋立铣刀坐标系和轴类零件坐标系，确定两个坐标系间的坐标变换；在建立的坐标系中，明确正交车铣切削运动轨迹，确定轴向进给、径向进给和总进给；根据计算得到的正交车铣运动轨迹和确定的进给，确定正交车铣切屑几何；对每个离散层建立微元正交车铣切削力计算公式，根据确定的正交车铣切屑厚度、切削深度和正交车铣切入切出角，判断各离散层是否参与切削，确定微元切削力的积分限，积分参与切削的微元切削力，获得当前切削状态总切削力。本发明建立的模型，能够准确地获得正交车铣轴类零件时的切削力，进而实现基于切削力的正交车铣轴类零件工艺参数优化。
【专利说明】一种平底螺旋立铣刀正交车铣轴类零件的切削力建模方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及金属切削加工领域，具体为一种平底螺旋立铣刀正交车铣轴类零件的切削力建模方法，适用于平底螺旋立铣刀正交车铣轴类零件加工。
【背景技术】
[0002]近年来，随着国家航空业的发展，新机型、新材料的研制与应用，对产品功能与性能的要求也日趋多样化，各种新材料的整体锻件在飞机起落架上得到了广泛的应用，使得这些大型复杂轴类零件的加工难度提高。车铣加工中心是高档数控机床，可以实现五轴联动加工，不仅能完成复杂曲面加工，而且能获得好的表面质量，其中正交车铣加工通过工件旋转运动与刀具旋转运动相结合完成复杂轴类零件成形加工的一种加工方式，具有满足大型复杂轴类零件一次装夹多工序加工的优点。为了在正常工况下，以最大的材料去除率正交车铣加工轴类零件，需要对正交车铣轴类零件的切削力建模，预测给定切削参数下的正交车铣轴类零件的切削力，安排合理的加工参数。
[0003]切削力预测的常用模型有:经验模型、有限元数值模型、人工智能模型及机械模型四种。经验模型根据切削力测试实验获得的切削参数以及切削力数据，用统计学原理建立切削力与切削参数间的函数关系，为了保证模型的准确性需要大量的数据。有限元模型适用于仿真切削的切入、切出阶段以及间断不连续的加工过去，但是在加工中出现了大量塑性变形的情况下，网格变形太大，造成仿真误差增加。人工智能建模技术在金属切削研究中的应用潜力巨大，但其模拟计算的精度、适用范围等问题还需要更多的理论和实验研究。机械模型以切屑形成为研究切入点，通过对切屑形成过程的建模与仿真，分析切屑过程中的应力、应变、摩擦力及切削力的规律。机械力模型是目前比较成熟并且使用较为广泛的切削力模型，其中一个重要的内容就是切削几何的确定。正交车铣的切削几何有变切厚变切深的特点，不仅切屑厚度随着刀具转角变化而变化，而且切削深度也随着刀具转角变化而变化，需要建立准确的正交车铣切削几何模型，用于正交车铣切削力建模。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种平底螺旋立铣刀正交车铣轴类零件的切削力建模方法，其通过正交车铣轴类零件过程中正交车铣切屑几何的分析，能够准确的预测稳态正交车铣轴类零件时的切削力，从而可以在正交车铣轴类零件中中优化加工参数，提高加工效率。
[0005]实现本发明目的所采用的具体技术方案如下:
[0006]一种平底螺旋立铣刀正交车铣轴类零件的切削力建模方法，具体包括如下步骤:
[0007]S1:分别建立螺旋立铣刀坐标系和轴类零件坐标系，确定两个坐标系间的坐标变换；
[0008]S2:在建立的坐标系中，明确正交车铣切削运动轨迹，确定轴向进给、径向进给和总进给；[0009]S3:在建立的坐标系中，根据计算得到的正交车铣运动轨迹和确定的进给，确定正交车铣切屑几何；
[0010]a:将螺旋立铣刀轴向离散成数层，根据获得的进给和正交车铣运动轨迹，在建立的坐标系，确定每个离散层的正交车铣切屑厚度；
[0011]b:确定各个转角位置的正交车铣切削深度，判断离散层是否切削深度范围内；
[0012]c:根据确定的正交车铣切屑厚度和切削深度，确定正交车铣切削的切入切出角，判断每个刀齿在各个转角位置是否处于切削中；
[0013]S4:对每个离散层建立微元正交车铣切削力计算公式，根据确定的正交车铣切屑厚度、切削深度和正交车铣切入切出角，判断各离散层是否参与切削，确定微元切削力的积分限，积分参与切削的微元切削力，获得当前切削状态总切削力。
[0014]所述正交车铣切削中螺旋立铣刀坐标系和轴类零件坐标系间的坐标变换，通过如下公式计算得到:
[0015]
【权利要求】
1.一种平底螺旋立铣刀正交车铣轴类零件的切削力建模方法，其特征在于包括如下步骤: S1:分别建立螺旋立铣刀坐标系和轴类零件坐标系，确定两个坐标系间的坐标变换； 52:在建立的坐标系中，明确正交车铣切削运动轨迹，确定轴向进给、径向进给和总进给； 53:在建立的坐标系中，根据计算得到的正交车铣运动轨迹和确定的进给，确定正交车铣切屑几何: a:将螺旋立铣刀轴向离散成数层，根据获得的进给和正交车铣运动轨迹，在建立的坐标系，确定每个离散层的正交车铣切屑厚度； b:确定各个转角位置的正交车铣切削深度，判断离散层是否处于切削深度范围内；c:根据确定的正交车铣切屑厚度和切削深度，确定正交车铣切削的切入切出角，判断每个刀齿在各个转角位置是否处于切削中； 54:对每个离散层建立微元正交车铣切削力计算公式，根据确定的正交车铣切屑厚度、切削深度和正交车铣切入切出角，判断各离散层是否参与切削，确定微元切削力的积分限，积分参与切削的微元切削力，获得当前切削状态总切削力。
2.根据权利要求1所述的一种平底螺旋立铣刀正交车铣轴类零件的切削力建模方法，其特征在于，所述正交车铣切削中螺旋立铣刀坐标系和轴类零件坐标系间的坐标变换，通过如下公式计算得到:
3.根据权利要求2所述的一种平底螺旋立铣刀正交车铣轴类零件的切削力建模方法，其特征在于，所述正交车铣总进给通过如下公式计算得到:
4.根据权利要求1-3任一所述的一种平底螺旋立铣刀正交车铣轴类零件的切削力建模方法，其特征在于，所述的正交车铣切屑几何在确定的坐标系和坐标变换中，由变化的切屑厚度、变化的切削深度和正交车铣切削的切入切出角确定。
5.根据权利要求3所述的一种平底螺旋立铣刀正交车铣轴类零件的切削力建模方法，其特征在于，所述正交车铣的切屑厚度由刀具转角、每齿进给、刀具半径、切削宽度确定，由如下计算公式得到:
6.根据权利要求2-5中任一项所述的一种平底螺旋立铣刀正交车铣轴类零件的切削力建模方法，其特征在于，所述的正交车铣切削深度为:
7.根据权利要求6中所述的一种平底螺旋立铣刀正交车铣轴类零件的切削力建模方法，其特征在于，所述正交车铣切削的切入切出角为:
切入角
8.根据权利要求1-7中任一项所述的一种平底螺旋立铣刀正交车铣轴类零件的切削力建模方法，其特征在于，瞬时正交车铣切削力由机械模型计算，先得到正交车铣微元切削力计算公式，然后根据确定的正交车铣切屑厚度、切削深度和正交车铣切入切出角，判断离散层是否参与切削，确定微元切削力的积分限，积分参与切削的微元切削力，获得当前切削状态总切削力。
9.根据权利要求8所述的建模方法，其中，所述当前切削状态总切削力的算法如下:根据Altintas的切削力机械模型，第j个刀齿的第i个微元的切削力可表示为:
【文档编号】G06F17/50GK103646141SQ201310655052
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年12月5日 优先权日:2013年12月5日
【发明者】闫蓉, 彭芳瑜, 邱锋, 汪勇, 林森, 李斌 申请人:华中科技大学