专利名称：：基于刀具角度与切削用量参数变化的车削力预测方法
技术领域：
：本发明属于机械制造
技术领域：
，涉及一种车削力的预测方法，特别涉及一种基于刀具角度与切削用量参数变化的车削力预测方法。
背景技术：
：在零件的切削加工中，切削力不仅对刀具的磨损、耐用度和被加工零件的表面质量有很大影响，而且影响到机床的性能和切削效率。因此，预估切削力对刀具刃磨、切削参数的合理选取和机床设计具有重要意义。车削力受多种因素的影响，如刀具角度、刀具材料、切削用量条件、切削液、被加工材料的材质及其热处理条件等，这些影响因素中，有些因素可以定量表达，有些因素只能定性描述。因此，建立准确、通用的车削力模型具有一定的难度。目前使用的车削力预报模型主要有以下四种1)基于实验数据的完全经验模型。这种模型需要做大量的切削实验，一般通过指数曲线拟合方法找到切削力与切削用量参数之间的关系，因此只能适用于切削用量参数变化，而刀具角度参数、刀具材料、工件材料和润滑条件等一定的特定切削条件下的车削力预测，其通用性较差。2)基于切削机理和材料本构关系的物理模型。这种模型主要考虑主剪切区的材料屈服流动特性及刀具前刀面与切屑之间的摩擦行为，需要做大量实验以建立材料在高温、高应变环境下的材料本构模型，实验难度大，而且只适用于固定刀具和被加工材料及固定切削条件范围(刀具角度参数、刀具材料、工件材料、润滑条件等一定)。另外，刀具与切屑之间的摩擦行为很复杂，需要做许多简化处理，影响建模精度。该模型主要用于有限元法预测切削力，使用起来也不方便，需要操作者具备较好的有限元法知识。3)单位切削力模型。单位切削力模型是指单位切削面积上的主切削力，这种模型是通过切削实验测出主切削力，然后用主切削力除以切削面积，得到单位切削力。使用时，再用切削面积乘以单位切削力，得到主切削力。这种模型的局限性在于仅适用于不同切削用量参数的主切削力预测；当刀具角度参数发生变化时，单位切削力模型需要重新建立。4)基于人工智能的切削力预测模型。主要有神经网络模型、灰色系统模型等。这种模型可以考虑多种定量和定性因素，利用该方法要建立具有一定通用性的切削力模型，必须做大量的典型切削实验，以提供足够多的训练模型用样本。这种模型的缺陷是建立具有一定通用性的切削力模型所需的实验数据工作量太大，其适用范围主要在其切削条件范围内。对于神经元网络模型来说，其模型的有效性还取决于神经网络的拓扑结构，且通用性越高，训练神经网络模型效率较低，需要花费大量的训练时间。综上所述，现有的车削力预测方法，需要做大量的切削实验，才能获得在一定范围内使用的车削力预测模型；而且预测模型的精度要求越好、使用范围要求越宽，需要做的切削实验量越大，导致建立该预测模型的难度也越大。另外，现有的车削力预测模型还主要适用于切削用量参数变化的情况。众所周知，切削实验需要耗费大量的人力和物力，尤其对于一些采用贵重材料和稀有材料制作的工件，不允许做大量的切削实验来预测其切削力，因此采用常规的方法几乎难以实现。
发明内容本发明的目的是提供一种基于刀具角度与切削用量参数变化的车削力预测方法，该预测方法通过很少的实验次数即可建立切削力预测模型，所建立的预测模型具有较宽的使用范围。本发明所采用的技术方案是，一种基于刀具角度与切削用量参数变化的车削力预测方法，通过一次车削实验得到的数据，来进行不同刀具角度、不同切削用量参数时的车削力预测，该方法按以下步骤进行步骤l:用车刀1车削工件2，以车刀1的刀尖为坐标原点，建立三维坐标系uvw，利用三向测力仪，测出沿该三维坐标系uvw的坐标轴分布的三向车削力值&、fv、fw，车刀i的刀具角度参数为前角n、刃倾角;u实际主偏角^和实际副偏角^'，切削用量参数为切削深度^和进给量/;步骤2:根据步骤1建立的三维坐标系UVW，保持坐标系原点与V轴不变，将u轴和W轴构成的平面绕V轴顺时针转动实际主偏角的余角的角度，建立三维坐标系ur^wn步骤3:根据步骤2建立的三维坐标系IV^W,，保持坐标系原点与U,轴不变，将V,轴和W,轴构成的平面绕Ui轴顺时针转动刃倾角&的角度，建立三维坐标系U2V2W2;步骤4:根据步骤3建立的三维坐标系U2V2W2，保持坐标系原点与W2轴不变，将V2轴和U2轴构成的平面绕W2轴顺时针转动前角y。的角度，建立三维坐标系U3V3W3;步骤5:根据步骤1测得的三向切削力i^、^和&，通过下式将该三向切削力尸、R和Fw转换为步骤4建立的三维坐标系U3V3W3中的三向切削<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(1)式中，T为由三维坐标系UVW到三维坐标系U3V3W3的坐标转换矩阵；步骤6:根据步骤5得到的三向切削力i^、&和尸^，按照下述公式计算三向切削力系数/^、《w、<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(2)式中，S为车刀前刀面上的有效切削面积；步骤7:车削力预测计算根据步骤6得到的三向切削力系数ii^、《w、《w，通过下式预测计算出任意给定刀具角度和切削用量参数的车刀1切削工件2时，在三维坐标系UVW下的三向车削力《、Fv、Fw:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>本发明的预测方法将影响车削力的多种因素中的定性影响因素以切削力系数的方式予以表达，而将其中的定量影响因素以公式中的变量形式进行表征，通过很少的实验次数即可预测车削力，且使用范围较宽。适用于同种材料的刀具在使用同样的切削液或不用切削液的条件下，加工同种材质和相同热处理状态的工件时，对不同切削用量参数及不同刀具角度参数的车削力预测。图1是本发明预测方法建立的三维坐标系及该坐标系中三向车削力的分布示意图2是本发明预测方法建立的不同计算坐标系的示意图3是本发明预测方法计算车刀有效切削面积的示意图。图中，l.车刀，2.工件。具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。车刀的切削力受多种因素的影响，在这些影响因素中，有些可以定量表达，如刀具角度参数和切削用量参数；有些只能定性描述，如刀具材料、切削液、被加工材料的材质及其热处理状态。本发明方法将影响车削力的多种因素中的定性影响因素以切削力系数的方式予以表达，而将定量影响因素以公式中的变量形式进行表征，使得采用本发明方法建立的车削力模型可适用于同种材质的刀具在同种切削液或不用切削液的条件下，加工同种材质和相同热处理状态的工件时，对不同切削用量参数及不同刀具角度参数条件下的车削力预测。现有的车削力实验研究表明中等切削速度条件下，切削速度对车削力影响不大。本发明方法在建立车削力预测模型时，不考虑切削速度的影响，主要考虑切削进给量、切削深度参数，同时，对于刃磨锋利(新刃磨)的车刀，不考虑其后刀面磨损的影响，因此在刀具的角度参数中主要考虑刀具的前角、刃倾角、主偏角、副偏角等参数。故本发明方法将排除"切削深度、进给量、刀具的前角、刃倾角、主偏角、副偏角"以外的影响车削力的因素，以三个方向的切削力系数来考虑，并以此为基础建立车削力预测模型。本发明的车削力预测方法，具体按下述步骤进行步骤l:将车刀l安装在测力仪上，对工件2进行切削，以车刀l的刀尖为坐标原点，建立如图1所示的三维坐标系UVW，利用三向测力仪，测出车刀1车削工件2时，沿所建立的三维坐标系UVW的坐标轴产生的三向车削力值&、Fv、因瞬时车削力有波动，该三向车削力值取平均值。车刀1的角度为如图2所示的前角&、刃倾角4、实际主偏角^和图3中所示的实际副偏角A'，选定的切削量为图3中所示的切削深度/和进给量/;步骤2:根据步骤1建立的三维坐标系UVW，保持坐标系原点与V轴不变，将U轴和W轴构成的平面绕V轴顺时针转动实际主偏角&的余角的角度，建立三维坐标系QV,Wp如图2所示；步骤3:根据步骤2建立的三维坐标系"V,Wp保持坐标系原点与Q轴不变，将K轴和Wt轴构成的平面绕U,轴顺时针转动刃倾角A的角度，建立三维坐标系U2V2W2，如图2所示；步骤4:根据步骤3建立的三维坐标系U2V2W2，保持坐标系原点与W2轴不变，将V2轴和U2轴构成的平面绕W2轴顺时针转动前角y。的角度，建立三维坐标系U3V3W3，如图2所示；步骤5:根据步骤1测得的三向切削力F"、K和i;，通过下式将该三向切削力&、K和i^转换为步骤4建立的三维坐标系U3V3W3中的三向切削<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>(1)式中，T为从坐标系UVW到坐标系U3V3W3的坐标转换矩阵，其计算公式如下7;=J3一sin(^)0-cos(A>)010cos斷0sin,100-0cos(义力sin(义力0-sin(义s)cos(义"cosO0)sinO0)0.-sinO0)cos(,0)0001步骤6:根据步骤5得到的三向切削力i^、&3和7^3，按照下述公式计算出三向切削力系数&3、&3、&3&3-(2)式中，S为车刀前刀面上的有效切削面积，即图3中四边形BCDE的面积在前刀面上的投影面积，即cosOo)，(;i》/2.sinA>'sinA>'车刀l在工件2的表面上切削，其切削深度为^车刀l刀尖所处的位置点为A，沿工件轴向做进给量/距离的切削后，刀尖到达B点；此时，车刀1主切削刃上与工件2未加工表面的交点由D点到达C点；线段AD与车刀1刀尖到达B点时的副切削刃的交点设为E，如图3所示，四边形BCDE在前刀面上的投影面积，即为车刀前刀面上的有效切削面积S;步骤7:车削力预测计算根据步骤6得到的三向切削力系数&3、尺W、尺W，通过下式预测计算出任意给定刀具角度参数和切削用量参数的车刀1切削工件2时，在三维坐标系UVW下的三向车削力《、《、<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>(3)(4)实施例采用瑞士产Kistler9257B测力仪、Kistler5070A电荷放大器和Kistler9403刀架，通过计算机车削力数据采集系统进行三向车削力实时记录。采用两把新刃磨的车刀，且为干切削。表1为两把车刀的刀具几何参数。表l两把车刀的刀具几何参数<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>(l)取l号刀，将其安装于刀架上，选定切削用量参数为主轴转速n=475r/min，进给量f=0.16mm/r，切削深度t-1.0mm;对工件进行切削，通过测力仪得到三向切削力&、fv、」f;的値，根据该值分别计算得到三向切削力系数《3、4、&3。三向切削力与计算得到的对应的三向切削力系数如表2所示。表2:1号刀的车削力及对应的三向切削力系数单位N<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>由表3可得出，实际三向车削力与通过本发明方法预测的车削力之间的最大相对误差2.52%。(2)取2号刀，将其安装于刀架上，选定切削用量参数主轴转速n=475r/min、进给量^0.28mm/r、切削深度t=1.0mm，对上述工件再进行切削。通过测力仪得到实际三向车削力；同时，以上述一号车刀实验所得到的三向切削力系数为基础，预测计算出2号刀的三向车削力；该预测三向车削力和实测三向车削力的对比如表4所示。<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>表4中显示，采用本发明预测方法预测得到的车削力与实际三向车削力之间的最大相对误差为8.56%。产生较大误差的主要原因是用1号车刀所获得的三向切削力系数为基础，预测2号车刀的三向车削力，两种车刀的材质与热处理状态存在差异。本发明预测方法，对于同种材质的刀具在同样的切削润滑条件下，加工同种材质和相同热处理状态的工件时，对任意刀具角度参数和切削用量参数的车削力进行预测具有较高精度。一般只需做一次切削实验，即可得到刀具的三向切削力系数，因此切削实验次数最少，且对刀具没有特殊要求。权利要求1.一种基于刀具角度与切削用量参数变化的车削力预测方法，通过一次车削实验得到的数据，来进行不同刀具角度、不同切削用量参数时的车削力预测，其特征在于，该方法按以下步骤进行步骤1用车刀(1)车削工件(2)，以车刀(1)的刀尖为坐标原点，建立三维坐标系UVW，利用三向测力仪，测出沿该三维坐标系UVW的坐标轴分布的三向车削力值Fu、Fv、Fw，车刀(1)的刀具角度参数为前角γ0、刃倾角λs、实际主偏角Kr和实际副偏角，切削用量参数为切削深度t和进给量f；步骤2根据步骤1建立的三维坐标系UVW，保持坐标系原点与V轴不变，将U轴和W轴构成的平面绕V轴顺时针转动实际主偏角Kr的余角的角度，建立三维坐标系U1V1W1；步骤3根据步骤2建立的三维坐标系U1V1W1，保持坐标系原点与U1轴不变，将V1轴和W1轴构成的平面绕U1轴顺时针转动刃倾角λs的角度，建立三维坐标系U2V2W2；步骤4根据步骤3建立的三维坐标系U2V2W2，保持坐标系原点与W2轴不变，将V2轴和U2轴构成的平面绕W2轴顺时针转动前角γ0的角度，建立三维坐标系U3V3W3；步骤5根据步骤1测得的三向切削力Fu、Fv和Fw，通过下式将该三向切削力Fu、Fv和Fw转换为步骤4建立的三维坐标系U3V3W3中的三向切削力Fu3、Fv3和Fw3式中，T为由三维坐标系UVW到三维坐标系U3V3W3的坐标转换矩阵；步骤6根据步骤5得到的三向切削力Fu3、Fv3和Fw3，按照下述公式计算三向切削力系数Ku3、Kv3、Kw3式中，S为车刀前刀面上的有效切削面积；步骤7车削力预测计算根据步骤6得到的三向切削力系数Ku3、Kv3、Kw3，通过下式预测计算出任意给定刀具角度和切削用量参数的车刀(1)切削工件(2)时，在三维坐标系UVW下的三向车削力Fu、Fv、Fw2.按照权利要求1所述的车削力预测方法，其特征在于，所述步骤5中，坐标转换矩阵T的计算公式为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>3.按照权利要求1所述的车削力预测方法，其特征在于，所述步骤6中的有效切削面积S的计算公式为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>为车刀(1)在工件(2)表面上切削的切削深度，/为进给:全文摘要本发明公开的一种基于刀具角度与切削用量参数变化的车削力预测方法，利用测力仪，测得一次车削中沿坐标系坐标轴分布的切削力，通过变换标系，计算出该切削力在变换后的坐标系中的三向车削力系数，再根据该车削力系数，计算得到预测的车削力，以实现对同种材质的刀具在同样的切削润滑条件下，加工材质相同和具有相同热处理状态的工件，在任意刀具角度参数和切削用量参数时的三向车削力的预测。本发明预测车削力的方法所需的切削实验工作量少，所获得的切削力模型具有较宽的使用范围，其预测精度可满足实际需要，便于推广应用。文档编号G06F17/50GK101412196SQ200810232190公开日2009年4月22日申请日期2008年11月10日优先权日2008年11月10日发明者刘军海,张广鹏,李少英申请人:西安理工大学