[发明专利]复杂型面切削力预测方法、参数调整和刀具路径规划方法

摘要

本发明公开了一种预测复杂型面切削力的方法和一种利用该预测方法进行参数调整和刀具路径规划的方法，其具有普遍适用性，能够降低模型核心参数的计算复杂度，提高所建立复杂型面切削力预测模型的有效性。该预测方法根据待加工表面轮廓线与圆弧刃相交与否，将刀具‑工件接触区域分为仅包含刀尖圆弧刃区的类型一、包含刀尖圆弧刃区和主切削刃区的类型二。对于后者，计算切削层总面积、接触刃总长、刀尖圆弧刃区的切削层面积、接触刃长度和摩擦力方向角；采用相减法得到主切削刃区的相关模型参数，两区域摩擦力方向角加权得到总摩擦力方向角；对于前者，计算刀尖圆弧刃区的模型参数即可。将计算好的模型参数代入切削力理论模型，得到切削力预测值。

主权项

一种预测复杂型面切削力的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1、根据待加工表面轮廓线与圆弧刃相交与否，将刀具‑工件接触区域的几何图形分为两类：如果不相交，则刀具‑工件接触区域只包含1区即刀尖圆弧刃区，属于类型一；如果相交，则包括1区和2区即刀尖圆弧刃区和主切削刃区，且两个区以圆弧刃圆心和圆弧刃参与切削的极点之间的连线作为区域划分线，属于类型二；步骤2、根据影响切削力微元的主要因素：切削层面积、接触刃长度和摩擦力方向角，确定采用如下切削力理论模型，作为复杂型面切削力预测模型；该切削力理论模型表达了切削层面积、接触刃长度和摩擦力方向角这三个模型参数与切削力之间的关系；Ft＝Ktc·At+Kte·LtFfr＝Kfrc1·A1+Kfrc2·A2+Kfre·Lt其中，Ft为切削力沿切削速度方向的切向力，Ffr为切削力在刀具基平面上的摩擦力，At为切削层总面积，A1为1区切削层面积，A2为2区切削层面积，Ktc、Kfrc1、Kfrc2分别为所述切向力的切削力系数、1区切削力系数和2区切削力系数，Kte、Kfre分别为切向力摩擦系数和摩擦力摩擦系数；其中，两个摩擦系数均是切削速度的多项式函数，三个切削力系数均是切削层面积、切削刃长度和切削速度的函数，用指数函数表示；其中，e为自然数，vc为瞬时切削速度，L1为1区接触刃长度，L2为2区接触刃长度，指数系数b0、b1、b2、m0、m1、m2、n0、n1和n2对于确定的刀具‑工件材料对可通过一定的直线车削实验按线性回归处理进行标定；Ffr进一步又分解为刀具基平面上相互垂直的轴向力Ff和径向力FrFf＝Ffr·cos(β)Fr＝Ffr·sin(β)其中，β为所述摩擦力的方向角；步骤3、对于任何一复杂型面车削加工，切削力预测模型的模型参数计算如下：对于类型二，计算切削层总面积At和接触刃总长Lt；计算刀尖圆弧刃区的切削层面积A1、接触刃长度L1和摩擦力方向角β1；按A2＝At‑A1及L2＝Lt‑L1计算得到主切削刃区的切削层面积A2和接触刃长度L2，主切削刃区摩擦角β2等于刀具余偏角；β2与β1加权平均得到所述摩擦力的方向角β；所述计算切削层总面积At和接触刃总长Lt的方式为：运用B样条曲线对复杂型面车削时的刀具切削刃和待加工表面轮廓线插值，参数化定义刀具‑工件接触区域，积分计算切削层总面积At和接触刃总长Lt；所述计算刀尖圆弧刃区的切削层面积A1、接触刃长度L1和摩擦力方向角β1的方式为：转换1区的边界方程到极坐标后，将刀尖圆弧刃区分割成多个扇形微元，求解每个扇形微元的面积ΔAh、接触刃长度ΔLh和摩擦力方向角Δβh，再通过累加及加权平均法分别计算得到刀尖圆弧刃区的切削层面积A1、接触刃长度L1和摩擦力方向角β1；对于类型一，计算刀尖圆弧刃区的切削层面积A1、接触刃长度L1和摩擦力方向角β1，且At＝A1、Lt＝L1，β＝β1，A2＝0；步骤4、根据需要预测的复杂型面车削所使用的刀具‑工件材料对以及已知的刀具路径和切削参数，进行复杂型面切削力预测模型中摩擦系数的关系式标定和切削力系数的指数标定，进而计算获得Kte、Kfre、Ktc、Kfrc1和Kfrc2；步骤5、按照步骤3对需要预测的复杂型面车削的模型参数进行计算，代入已标定好的切削力预测模型后得到每一次进给的复杂型面切削力的切向力Ft、轴向力Ff和径向力Fr，并合成为切削合力的预测值。