[发明专利]一种平底螺旋立铣刀的铣削力解析建模方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种数控加工技术，尤其涉及一种平底螺旋立铣刀的铣削力解析建模方法。

背景技术

铣削力是表征切削过程特征的重要物理量之一，通过对铣削力进行建模和仿真，可以提前预测加工中可能存在的过载、变形等情况，精确的铣削力预测对加工稳定性，切削参数优化，误差补偿和控制，及零件表面完整性等具有重要的意义。

铣削力建模的主要方法有：经验法、机械法、数值法。经验法主要借助大量的切削实验数据，通过概率统计与回归分析的理论，应用这些切削参数的正交回归试验拟合出切削力与切削参数的指数关系形式；该方法比较简单实用，然而对不同的切削工艺条件，需要进行大量耗时耗成本的实验，因此通用性较差；况且预测的切削力一般是等效平均力，不适合预测瞬时铣削力的情况。机械法将铣刀的切削刃沿刀轴方向离散为一系列的微元，将作用在微元上的切削力看作是微元面积与切削力系数乘积的表达，其中切削力系数的标定通常是在给定刀-工组合与切削条件的情况下，通过铣削实验的数据拟合或直角切削数据库来获取的；该方法表达形式简明清晰，预测精度高，易于程序实现，但是它还需依靠部分繁琐的铣削实验，且对特定的刀-工组合通用性略差。数值法主要采用有限元技术，应用网格划分技术和Lagrange或Euler公式对切削力进行预测。但其存在的问题有：计算过程比较耗时；网格的生产是相当困难和费时的；核心算法对于一般很难掌握和修改，不利于对切削机理进行深入研究。现有建模方法存在比较耗时且对于各种切削条件与刀具/工件组合需要进行繁琐标定的问题。

发明内容

针对上述现有技术的现状，本发明所要解决的技术问题在于提供一种平底螺旋立铣刀的铣削力解析建模方法，该方法从金属切削的机理入手，将铣刀的切削刃离散成一系列微元，微元的切削行为可看作直角或斜角切削过程，然后采用可预测切削理论得到微元的切削力，将所有微元受到的切削力进行叠加可得到总的铣削力值，该解析建模方法能较真实地反映切削机理及切削过程中相关的应力、应变、应变率及温度的分布情况，且计算速度快，只需输入切削条件和工件特性参数就能很快的预测出铣削力。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种平底螺旋立铣刀的铣削力解析建模方法，包括以下步骤：

步骤1，确定平底螺旋立铣刀的几何参数：铣刀直径D，单位为mm；刀齿数N_t，单位为齿；螺旋角i₀，单位为deg；刀具前角α_r，单位为deg；选定切削参数：主轴转速n_r，单位为rpm；每齿进给量f_t，单位为mm/z；径向切宽d_r，单位为mm；轴向切深a_p，单位为mm；

步骤2，将平底螺旋立铣刀沿刀轴方向等分成N个切削微元，每个切削微元的切削特性看作斜角切削过程，第i个切削刃上第j个切削微元所受到的切削力(dF_t,j,dF_r,j,dF_a,j)是由切削的剪切作用力(dF_s,dN_s)和刀具刃圆的犁耕作用力(dP_c,dP_f)叠加而成，其矩阵公式(1)表示形式如下：

其中，λ_s为切削微元的刃倾角，单位为deg，其值等于铣刀的螺旋角i₀；η_sh为剪切流动角，单位为deg；φ_n为刀具法向剪切角，单位为deg；

步骤3，通过坐标变换将切削微元受到的切削力分解到全局坐标系中，由公式(2)表示如下：

其中，φ_j为第i个切削刃上第j个切削微元的径向位置角，单位为deg；

为判断切削刃是否切削工件，令g(φ_j)为其单位阶跃函数，表述如下：

其中，1为是，0为否；φ_st为切入角，单位为deg，φ_ex为切出角，单位为deg；

步骤4，将作用在第i个切削刃上第j个切削微元上的切削力沿该切削刃参与切削的区域进行积分，得到如下公式(3)：

其中，z₂(φ_j),z₁(φ_j)是切削刃j上参与切削区域的轴向积分上下限；