[發(fā)明專利]一種微銑刀早期破損的預(yù)測方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201611020917.3
• 申請日: 2016-11-15
• 公開（公告）號: CN106650001B
• 公開（公告）日: 2019-08-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 盧曉紅;張海幸;梁越昇;賈振元;司立坤;王華;王福瑞;任宗金
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 關(guān)慧貞

1.一種微銑刀早期破損的預(yù)測方法，其特征是，該方法基于材料力學(xué)理論求取由微銑刀螺旋刃的分布載荷引起的彎曲應(yīng)力，根據(jù)建立的微銑削力模型，求得微銑刀上微元受到的徑向力，切向力和軸向力，然后把微元力向X、Y及Z方向分解，進而計算刀具彎曲應(yīng)力；在獲取硬質(zhì)合金刀具破損的極限彎曲拉應(yīng)力的基礎(chǔ)上，通過對比基于微銑削力模型推導(dǎo)得到的刀具彎曲應(yīng)力和微銑刀破損的極限彎曲拉應(yīng)力，求得微銑刀破損時的切削參數(shù)組合；預(yù)測方法的具體步驟如下：

第一步建立微銑削力模型

建立微銑削力模型，求取刀具上微元受到的徑向力、切向力和軸向力，當(dāng)切削厚度大于最小切削厚度時，切削力以剪切效應(yīng)為主，當(dāng)切削厚度小于最小切削厚度時，切削力以耕梨效應(yīng)為主；其表達式為:

式中，dF_r、dF_c及dF_a分別為刃口微元徑向、切向和軸向微元切削力，單位為N；K_rc，K_cc，K_ac分別為徑向、切向和軸向剪切效應(yīng)力系數(shù)，單位為：N/mm²；K_rp，K_cp，K_ap分別為徑向、切向和軸向耕犁效應(yīng)力系數(shù)，單位為：N/mm³；A_p為耕犁區(qū)域面積，單位為：mm²；t_c(t,k,z)為t時刻，第k齒切削刃在軸向坐標(biāo)位置z處切削微元的瞬時切削厚度，dw為微元的切削寬度，單位為mm，β為刀具螺旋升角；將dw用dz表示為：

第二步微銑削力的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

把加載在刀具刃口的徑向、切向和軸向切削力dF_r、dF_c及dF_a沿X、Y及Z方向分解，得到公式(5)：

第三步微銑削力引起的微銑刀彎曲拉應(yīng)力

由于Z方向的軸向力不產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，忽略Z方向的微銑削力對刀具承受彎曲拉應(yīng)力的影響；根據(jù)公式(6)把分布在刀刃上的微元力dF_xj(θ),dF_yj(θ)化簡為在刀具X和Y方向的分布力Wx(θ)和Wy(θ):

式中，dw＝dz/cosβ，β為刀具螺旋刃升角，dz為刀具z方向微元；

根據(jù)材料力學(xué)理論，將微銑刀視為懸臂梁，X方向分布力Wx(θ)在刀具上每點都會產(chǎn)生彎矩，把所有分布力Wx(θ)沿著切深方向積分就得到分布力在X方向刀具各點彎矩M_X(θ)；以切削深度a_P為分界：

公式中，β為刀具螺旋升角，φ為滯后角；

同理，得到分布力在Y方向刀具各點彎矩M_Y(θ)：

根據(jù)材料力學(xué)的彎曲應(yīng)力公式(9)：

式中，σ_max，M_max是危險點的最大應(yīng)力和最大彎矩，W是抗彎截面系數(shù)，對圓形截面

微銑刀在X和Y方向都會受到彎矩，刀具截面近似為圓形，若此刻刀具在X方向受力為正，其引起的彎矩使刀具在2、3象限受拉應(yīng)力，Y方向受力為正，其引起的彎矩使刀具在3、4象限的刀具受拉應(yīng)力，即X、Y方向的切削力都在第三象限引起了拉應(yīng)力，同理X和Y方向切削力都為負(fù)值或一正一負(fù)都會在某個象限上引起拉應(yīng)力；在X和Y方向同為拉應(yīng)力時，刀具受到的最大彎矩M_max由兩個方向的合力矩計算得到；

對于微銑螺旋刃，其截面等效直徑d(z)在長度上分為三個不同的表達式，其中，微銑刀螺旋刃部分等效直徑取其直徑的0.7倍；

公式(11)中，d₁為刀柄直徑，d₂為螺旋刃外徑，α為錐臺半錐角；

第四步微銑刀危險部位的確定和極限彎曲拉應(yīng)力的測量

刀具破損實驗中，破損點為螺旋刃與錐臺的結(jié)合位置，此處結(jié)構(gòu)突變，剛度最小，是應(yīng)力集中位置，容易應(yīng)力過大而折斷；確定刀具的危險點，最大應(yīng)力σ_max關(guān)于z的函數(shù)關(guān)系為：

式中，σ_max(z)為自變量為z的函數(shù)，對應(yīng)刀具上不同位置z處的彎曲拉應(yīng)力；用MATLAB對σ_max(z)對z進行求導(dǎo)，求極值確定刀具的危險點；

極限彎曲拉應(yīng)力的測量采用實驗法，多次測量實際微切削工況下刀具破損的應(yīng)力值，作為閾值；實際微切削工況下，用測力儀測量微銑刀破損的極限力Fx和Fy，通過分析力信號，計算刀具所能承受的最大作用力，得到刀具的極限彎曲拉應(yīng)力；把實驗測得的切削合力F當(dāng)做集中載荷，通過公式(13)計算出極限彎曲拉應(yīng)力σ_max'為：

其中，l_F-危險點的懸垂量；

第五步獲取微銑刀破損曲線

將微銑削力在刀具危險部位引起的彎曲拉應(yīng)力σ_max與極限彎曲拉應(yīng)力σ_max'比較，得出微銑刀破損曲線；建立一個以切削深度和每齒進給量為自變量的模型：

σ_max(f_z,a_p)＝σ_max' (14)

根據(jù)公式(14)，用MATLAB輸出刀具破損曲線，曲線上方區(qū)域的切削參數(shù)組合為危險切削參數(shù)，會導(dǎo)致刀具破損；曲線下方區(qū)域的切削參數(shù)組合為安全切削參數(shù)，用來進行實際微銑削加工。