车削SiC颗粒增强铝基复合材料切削力预测方法
【技术领域】
[0001]本发明设及复合材料切削力预测领域，具体设及一种车削SiC颗粒增强侣基复合 材料切削力预测方法。
【背景技术】
[0002] 在金属切削加工中，切削力的变化能够影响零件的加工精度、刀具耐用度和切削 过程的平稳性等。因此，准确的获得切削过程的切削力对于提高生产效率、降低生产成本、 保证生产安全具有重要的作用。
[0003] 对切削力的获得一般通过两种途径，即切削力的预测和切削力的直接测量。目前 切削力的预测大部分是通过切削用量=要素，即切削速度、进给量、切削深度的变化，进行 前期大量的切削实验，获得其切削力数据，然后通过各种方法，譬如最小二乘法、响应面法、 人工神经网络、粗糖集等方法预测其未知条件下的切削力，而切削力的测量，一般利用专用 的切削力测量仪器，譬如压电晶体测力仪、电阻应变片测力仪，进行切削力的测量，目前国 外主要^瑞±的KSTLm?为主，而国内的测力仪主要来自于大连理工大学和北京航天航空 大学。但是无论是切削力的预测还是切削力的测量都是基于实验测量的基础上的，无论是 设备成本，还是运行成本都比较高。
[0004] SiC颗粒增强侣基复合材料是一种新型的复合材料，具有轻质、高模量、低膨胀、力 和溫度禪合下尺寸稳定等优点，目前，主要应用在航天航空、精密仪器、高速列车等领域。随 着SiC颗粒增强侣基复合材料制备技术的成熟，其具有非常广阔的应用前景。但是，目前 SiC颗粒增强侣基复合材料的切削加工还存在一些问题，主要包括两类：
[0005] 1)由于SiC颗粒增强侣基复合材料硬度较高，其切削加工性较传统连续性材料相 比，其力学性能差别较大，根据现有的技术资料，无法确定其在不同的条件下的切削参数。
[0006] 2) SiC颗粒增强侣基复合材料切削时，其刀具耐用度和零件表面的表面粗糖度很 难保证。SiC颗粒增强侣基复合材料切削时，主要使用硬度较高的PCD刀具，刀具磨损非常 剧烈，而且由于SiC颗粒物的存在，刀具磨损的主要原因是发生在前刀面物理磨损。同样， 由于颗粒物的存在，使得零件表面的粗糖度也变得交叉。
[0007] 而上述两个问题都可W通过控制切削力运一参数进行解决。区别于传统的连续性 材料，对于SiC颗粒增强侣基复合材料切削力的预测必须要考虑SiC颗粒物的影响，而目前 大部分的预测方法都忽略了SiC颗粒对于切削力的影响。
【发明内容】
[0008] 为解决上述问题，本发明提供了一种车削SiC颗粒增强侣基复合材料切削力预测 方法，通过切削变形区的受力分析来预测切削力，不需要通过大量的切削实验来进行。并 且，充分考虑了切削变形区中SiC颗粒物对切屑、刀具、零件的影响，研究切削力的各个来 源，并进行准确的预测。
[0009] 为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
[0010] 车削SiC颗粒增强侣基复合材料切削力预测方法，包括如下步骤：
[0011] S1、第I变形区AB受力分析：
[0012]Sl1、根据几何关系可得
[0013] iV=r,[Z>-r^(l+sin^?)]i/ , ，
[0014] 巧=Frtan(0+/?_/〇);
[0015] F。=巧COS(口+公―7〇)cos/?. 9
[0016] f/=FrC〇s(p + ^-r〇)sm；0 ;
[0017] 式中，FT为剪切面AB的剪切力，F。为作用于剪切面的正压力，F。为作用于前刀面 的正压力，Ff为前刀面与切屑侣基体的滑动摩擦力，TS为零件材料的剪应力，丫。为刀具前 角，P为前刀面和切屑侣基体底部的摩擦角，￥^为剪切角，6为切削深度，(1为工件每转一周 沿进给方向的切屑宽度，即剪切层宽度，r,为切削刃纯圆半径；
[0018]S12、通过W下公式计算剪切角辉：
[0019]
[0020]S13、根据材料力学平面应力状态理论，主应力Fts方向与最大剪应力FT方向的夹 角为31/4,通过W下公式计算摩擦角0 :
[0021]
[0022] S14、将切削力沿着坐标轴进行分解，可得
[0023]
[0024]
[00巧]式中，TS为零件材料的剪应力；丫。为刀具前角；b为切削深度；rZ为切削刃纯圆 半径，剪切层宽度d大小等于进给量巧1 =f;
[0026]S15、将所得的在XOY坐标平面进一步分解，可得
[0027]
[0028]
[0029] S16、取切削深度b远大于刀尖圆弧半径r￡，按下式计算主偏角kf￡:
[0030]
[0031] 由此可知，来自第一变形区，切削力的S个分量巧、巧!如下式所示
[0032]
[0033]
[0034]
[0035] S2、第II变形区抓受力分析：第II变形区主要是计算该变形区的滚动摩擦力，因 为该变形区的滑动摩擦力在第I变形区受力分析的时候已经分析过了。
[0036] S21、通过下式计算滚动摩擦力Fg=KgFni;
[0037] 式中^。可通过公式护"=护,005(口 + /?-/〇)0)8店计算，1(为滚动摩擦系数，1为参 与滚动摩擦的SiC颗粒物的数量；
[0038] S22、将Fg根据坐标轴进行分解，可知：
[0039] Fz=FnKgisin丫。;FXy=FnKgicos丫 0;
[0040] 式中，F。可通过公式=巧cos(0 + ^-7〇)cos^计算，Kg为滚动摩擦系数，i为参 与滚动摩擦的SiC颗粒物的数量；
[0041] S23、将所得的Fxy在XOY坐标平面中进一步分解，可知：
[0042]巧=巧COS;巧=巧Sin;
[004引其中，
[0044] S3、第III变形区BC的受力分析：
[004引S31、将第III变形区BC的受力简化为一个準耕面的受力，可得：
[0046] 而二吟斬，
[0047] Fp=r,cos(八-口)/;("| + 約^? 9
[0048] 巧=r, Sin (内一P)rz (奮 + P的 9
[0049] 巧=fp COS弓+安-巧Sin弓+歹. ，
[0050] fz田=Fp Sin弓+梦+巧COS弓+争.
[0051] S2、将所得的在XOY坐标平面进一步分解，可得：
[005引 巧'=巧。08*". ,
[0053] 巧*=巧 sin*w:
[0054] 其中：
[005引可得，车削外圆柱面的立个切削力分量，分别为：
[0056] ^^;=片+巧+巧1;
[0057] 巧^二与+巧+巧I ;
[0058] 戶:=呵+与1+巧1。
[0059] 其中，步骤S21中的i通过下式计算；
[0060] i =TaWi；
[0061] 式中，《1表示经剪切变形后，分布在第II变形区参与滚动摩擦的SiC颗粒的比 例，Ta表示剪切层AB所包含的SiC颗粒数。
[006引其中，剪切层AB所包含的SiC颗粒数Ta分为3部分；
[0063] 1)从剪切层拔出分布在第II变形区，比例为《1;
[0064] 。经刀具挤压后，经準耕区分布在第III变形区，比例为《2;
[006引如经刀具挤压拔出后，散落在非变形区，比例为《3;
[0066] 因此有 O 1+0 2+W 3二 1。
[0067] 其中，所述步骤S21中Ta通过下式计算：
[0068]
[0069] 式中，P为侣基复合材料中SiC中颗粒物百分数，R为SiC颗粒物的半径；A为切 削层面积，V。为切削速度。
[0070] 其中，通过下式计算切削层面积A:
[0071] A =Aa+Ab
[0072]式中，
[0073] Ag=r^-fcos0-(r/ - sin^dG
[0074] 其中，r￡为刀尖圆弧半径，0如图所示，其中01、02可由通过下式所得：
[00巧]
[0076] 其中，步骤S21中的滚动摩擦系数Kg通过W下公式计算：
[0077]
[0078] 式中，He为刀具硬度，O b为工件抗拉强度，O S为工件屈服强度，Ei为工件弹性模 量，Vi为工件泊松比，E2为刀具弹性模量，V2为刀具泊松比；e为SiC颗粒物在刀具的压 入深度。
[0079] 其中，所述SiC颗粒物在刀具的压入深度e通过下式获得：
[0080]
[0081] 式中，O ' S为刀具屈服强度。
[0082] 本发明具有W下有益效果：
[0083] 通过切削变形区的受力分析来预测切削力，不需要通过大量的切削实验来进行。 并且，充分考虑了切削变形区中SiC颗粒物对切屑、刀具、零件的影响，研究切削力的各个 来源，并进行准确的预测。
【附图说明】
[0084] 图1为SiC颗粒增强侣复合材料切削的3个变形区。
[0085]图2为本发明实施例中第I变形区的受力情况。
[0086] 图3为本发明实施例中切屑分离时各几何要素关系。
[0087] 图4为本发明实施例中来自于第一变形区在X、Y坐标方向的分解示意图。
[0088] 图5为本发明实施例中刀尖圆弧半径导致主偏角的变化示意图。
[0089] 图6为本发明实施例中第II变形区受力情况。
[0090] 图7为本发明实施例中滚动摩擦示意图。
[0091] 图8为本发明实施例中準耕力分析及分解示意图。
【具体实施方式】
[0092] 为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，W下结合实施例对本发明进行进一步 详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用W解释本发明，并不用于限定本发 明。
[0093] 切削力的来源如图1所示，实体材料从零件表面分离变成切屑时，主要进行剪切 变形，该变形区称为剪切变形区，或第I变形区。是由成一定夹角的始滑移线和终滑移线组 成的。但是由于高速切削时，SiC颗粒增强侣基复合材料的剪切变形非常快，此时夹角很小， 第一变形区一般简化为一剪切面，如图1所示，AB所代表的剪切面为第I变形区，由于零件 材料接触刀具切削刃的部分从B点开始发生剪切变形最终成为切屑。切屑形成W后，沿着 刀具的前刀面滑行，直到D点，切屑从前刀面排除，在滑行的过程中，一方面切屑基体的底 部和刀具前刀面发生摩擦而产生摩擦力，同时，由于SIC颗粒物的存在，也将增大前刀面和 切屑底部的摩擦力。从B点到D点的摩擦面称为第一摩擦变形区，或者第II变形区。而B 点到C点的零件材料被刀具切削刃挤压，最终形成零件的已加工表面，该区域称为準耕区， 或者第III变形区。本发明所提供的切削力预测方法，其切削力来源于上述3个变形区。
[0094] 本发明实施例提供了一种车削SiC颗粒增强侣基复合材料切削力预测方法，包括 如下步骤：
[009引Sl、第I变形区AB受力分析：
[0096] 如图2所示，根据几何关系可得
[0097] 巧=r, [6 -U+sin切 (1 )
[0098] 巧tan(0+yff-7〇) (2)