[發明專利]一種平底螺旋立銑刀正交車銑軸類零件的切削力建模方法

有效

• 申請號: 201310655052.8
• 申請日: 2013-12-05
• 公開（公告）號: CN103646141B
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發明（設計）人: 閆蓉;彭芳瑜;邱鋒;汪勇;林森;李斌
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 華中科技大學專利中心42201
• 代理人: 朱仁玲

1.一種平底螺旋立銑刀正交車銑軸類零件的切削力建模方法，其特征在于包括如下步驟：

S1：分別建立螺旋立銑刀坐標系和軸類零件坐標系，確定兩個坐標系間的坐標變換，所述正交車銑切削中螺旋立銑刀坐標系和軸類零件坐標系間的坐標變換，通過如下公式計算得到：

$\left(\begin{array}{c}{x}_w\\ y_w\\ z_w\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}0& \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\\ 0& -\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ 1& 0& 0\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{x}_F\\ y_F\\ z_F\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}(R-a_p)\cos \mathrm{\θ}+e\sin \mathrm{\θ}\\ (R-a_p)\sin \mathrm{\θ}-e\cos \mathrm{\θ}\\ {\mathrm{\λNf}}_{a}t\end{array}\right)$

其中，x_w，y_w和z_w是軸類零件坐標系中點的坐標值，x_F，y_F和z_F是刀具坐標系中點的坐標值，R為工件半徑，a_p為給定的切削深度，θ為工件轉角，e為t＝0時刀具坐標系的z_F軸相對z_w軸在y_w軸負方向存在的偏心，t為切削時間，f_a為軸向進給，N為刀具齒數，λ為銑刀和工件的轉速比，n_F為銑刀轉速，n_w為工件轉速；

S2：在建立的軸類零件坐標系中，明確正交車銑切削運動軌跡，確定軸向進給、徑向進給和總進給，所述正交車銑總進給通過如下公式計算得到：

$f_z=\sqrt{f_a^2+f_t^2}$

其中，f_t為切向進給，f_a為軸向進給，v_fa是銑刀軸向進給速度，R為工件半徑，n_w為工件轉速，a_p為給定的切削深度；

S3：在建立的螺旋立銑刀坐標系中，根據計算得到的正交車銑運動軌跡和確定的進給，確定正交車銑切屑幾何：

a：將螺旋立銑刀軸向離散成數層，根據獲得的進給和正交車銑運動軌跡，在建立的坐標系，確定每個離散層的正交車銑切屑厚度；

b：確定各個轉角位置的正交車銑切削深度，判斷離散層是否處于切削深度范圍內；

c：根據確定的正交車銑切屑厚度和切削深度，確定正交車銑切削的切入切出角，判斷每個刀齒在各個轉角位置是否處于切削中；

S4：對每個離散層建立微元正交車銑切削力計算公式，根據確定的正交車銑切屑厚度、切削深度和正交車銑切入切出角，判斷各離散層是否參與切削，確定微元切削力的積分限，積分參與切削的微元切削力，獲得當前切削狀態總切削力；

其中，瞬時正交車銑切削力由機械模型計算，先得到正交車銑微元切削力計算公式，然后根據確定的正交車銑切屑厚度、切削深度和正交車銑切入切出角，判斷離散層是否參與切削，確定微元切削力的積分限，積分參與切削的微元切削力，獲得當前切削狀態總切削力；所述當前切削狀態總切削力的算法如下：

根據Altintas的切削力機械模型，第j個刀齒的第i個微元的切削力可表示為：

式中，K_tc，K_rc和K_ac分別是剪切作用對切向、徑向和軸向切削力的作用系數，K_te，K_re和K_ae分別是刃口摩擦作用對切向、徑向和軸向切削力的作用系數，是第j個刀齒的第i個微元的切屑厚度，N為刀齒數，是第j個刀齒的第i個微元的瞬時接觸角；

將上式(1)中的微元切向力、微元徑向力和微元軸向力變換為銑刀坐標系x_Fy_Fz_F中的沿x軸的微元切削力分量、沿y軸的微元切削力分量和沿z軸的微元切削力分量，得到：

將微元切削力沿銑刀軸向積分，根據式(1)和(2)可得：

$\begin{array}{cc}{F}_{q,j}={\∫}_0^{q_p}\left(\begin{array}{ccc}-{\mathrm{cos\φ}}_{ij}& -{\mathrm{sin\φ}}_{ij}& 0\\ {\mathrm{sin\φ}}_{ij}& -{\mathrm{cos\φ}}_{ij}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}{K}_{tc}& K_{te}\\ K_{rc}& K_{re}\\ K_{ac}& K_{ae}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}h\left({\mathrm{\φ}}_{ij}\right)\\ 1\end{array}\right)g\left({\mathrm{\φ}}_{ij}\right)dz,& q=x,y,z\end{array}---\left(3\right)$

式中，a_p為名義切削深度，是銑刀切入角，是銑刀切出角；

將所有螺旋切削刃的瞬時切削力進行求和，得到作用在銑刀上的總的瞬時切削力：

$F_x=\underset{j=0}{\overset{N-1}{\Σ}}{F}_{x,j},F_y=\underset{j=0}{\overset{N-1}{\Σ}}{F}_{y,j}{F}_z=\underset{j=0}{\overset{N-1}{\Σ}}{F}_{z,j}---\left(5\right).$