[发明专利]高速切削加工工件表面形貌的控制方法

摘要

本专利公开了一种高速切削加工工件表面形貌的控制方法，可广泛应用于车、铣、刨、拉、插等机械加工工艺中，不仅可用于加工平面，也可以用于加工曲面的表面形貌控制，实现了对加工工件预定表面的粗糙度的控制。

主权项

一种高速切削加工工件表面形貌的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、确定刀具的几何参数，所述几何参数包括前角γ、后角，安装的刃倾角和制作材料的参数，制作材料的参数包括硬度、密度；步骤二、获得1组或多组不同切削参数下切向、径向、轴向切削力系数：Ktc,Krc,Kac,Kte,Kre,Kae，其中，Ktc表示切向力系数；Krc表示径向力系数；Kac表示轴向力系数；Kte切向刃口力系数，Kre径向刃口力系数；Kae表示轴向刃口力系数，t表示切向，r表示径向，a表示轴向，c表示力系数，e表示刃口力系数，则有：β＝arcsin(sinη·sini+cosη·cosi·cosα)KtcKrcKac=1hdzcosi-sini0cosγsinicosγcosisinγ-sinγsini-sinγcosicosγ-cosθsinθ0sinθcosθ0101-1FxFyFz]]>γ为刀具前角，η表示切屑流动方向与刀具切削刃垂直方向的夹角，i表示切削刃与垂直工件运动方向的夹角，为刀具剪切面法向剪切角，θ为切削过程中刀具的位置角度,β为有效前角，α为刀具后角，h为切削厚度,d表示求微分；z表示工件坐标系x‑y‑z的z方向,dz为轴向切深微元，d表示求微分，h表示切削厚度；Fx表示x方向切削力；Fy表示y向切削力，Fz表示z向切削力；步骤三、在设定的切削力系数下开展高速铣削试验，获得加工后工件的表面轮廓，工件表面轮廓是由切削加工系统中刀具与工件相对位移形成的，即若没有振动，工件是理想的表面，则表面轮廓等同于刀具与工件的相对位移X1(T)；X1(T)=XYZ]]>X,Y,Z表示工件坐标系x‑y‑z下，刀具的刀尖与工件在x，y，z方向的相对位移。步骤四、根据高速切削加工瞬时刚性力模型建立切削力模型：Ft＝∫Ktc·h·dz+Kte·dsFr＝∫Krc·h·dz+Kre·dsFa＝∫Kac·h·dz+Kae·dsdFt＝Ktc·h·dz+Kte·dsdFr＝Krc·h·dz+Kre·dsdFa＝Kac·h·dz+Kae·ds其中，Ft表示切向切削力,Fr表示径向切削力,Fa表示轴向切削力，h为切削厚度；z表示工件坐标系x‑y‑z的z方向；dFt为切向力微元，dFr为径向力微元，dFa为向力微元，ds为切削刃长度微元，dz为轴向切深微元，d表示求微分，h表示切削厚度；步骤五、依据机械振动理论,建立高速去切削加工工件与刀具相对运动动力学模型，则有：M1·x1··(T)+x1·(T)·C1(T)-x1(T)·K1(T)=f1(T)]]>x1(T)=X(T)Y(T)Z(T),f1(t)=FxFyFz]]>其中，M1为切削系统等效质量，C1(T)为切削加工系统等效阻尼系数，K1(T)为切削加工系统等效刚度，f1(T)切削力，x1(T)表示振动位移函数，T表示时间；步骤六、将刀具切削面t‑r‑a坐标切削力通过坐标转换成x‑y‑z坐标切削力：A3-r=cosθ1-sinθ10-sinθ1cosθ10001,Ar-a=1000cosβ1-sinβ10-sinβ1cosβ1]]>FxFyFz=Ar-a·A3-r·FtFrFa]]>其中，θ1，β1，分别为由刀具切削面t‑r‑a坐标向坐标系x‑y‑z转换时，切削面坐标绕a轴的旋转角度及绕t轴的旋转角度；A3‑r表示刀具切削面t‑r‑a坐标饶a轴的旋转θ1角度的转换矩阵，r表示切削加工的径向；Ar‑a表示刀具切削面t‑r‑a坐标绕a轴的旋转θ1角度旋转后的坐标系绕t轴的旋转β1角度的坐标转换矩阵；Fx表示x方向切削力；Fy表示y向切削力，Fz表示z向切削力；步骤七、获得足够三组或三组以上的表面轮廓形貌x1(t)，即可获得M1，C1(t)，K1(t)的值，建立切削加工与工件表面形貌的映射规律；步骤八、通过步骤五中的动力学模型，即可获得在同一个高速切削加工机床下任意工件表面轮廓形貌x(t)所需要的刀具材料几何参数，切削参数；、实现高速切削加工表面形貌的控制。