CN107085412B - 一种控制曲线车削加工切削力突变的方法 - Google Patents

一种控制曲线车削加工切削力突变的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种控制曲线车削加工切削力突变的方法，采用B样条曲线法将切削刃和工件轮廓曲线参数化处理，建立包含关键几何参数的统一计算模型，解析切削力模型系数和力矢量、速度矢量、流屑矢量之间的约束关系，提出切削力模型系数标定方法，进而确定切削力模型系数，通过建立的切削力模型，可以判断切削力在实际曲线加工过程中产生突变的位置，进而调整刀具在切削力突变处的进给量，使切削力在此处变化趋于稳定，相对于现有对直线切削建模技术的应用，可以高效完成曲线车削加工。

Description

一种控制曲线车削加工切削力突变的方法
技术领域
本发明涉及一种控制曲线车削加工切削力突变的方法，属于曲线车削加工工艺领域。
背景技术
曲线车削加工是兵器、车辆等工业领域常见的加工工艺，如弹体外圆车削、中凸变椭圆活塞型面车削等。由于工件轮廓曲线曲率变化，切削力容易出现大幅度变化，对刀具和工件造成切削载荷冲击，加剧刀片磨损、破损，甚至引起刀具折断，影响零件加工质量，降低生产效率。现有技术面对弹体外圆车削和内孔镗削加工时，切削力在实际加工过程中会产生突变，通常采用过小的刀具进给量以避免产生切削力突变，这种切削用量选择方式趋于保守，使得能耗过大、加工成本偏高，成为制约难加工材料切削技术发展的瓶颈；即使采用切削力建模技术，也仅仅针对直线切削，面向弹体外圆、变椭圆型面等变曲线曲率车削加工时也不具备适用性。
因此，建立曲线车削加工切削力模型，研究切削力变化规律，对实现高效优质生产具有重要意义。
发明内容
本发明的技术解决问题：为克服现有技术的不足，提供一种控制曲线车削加工切削力突变的方法，通过建曲线切削状态下的切削力模型，判断切削力在实际加工过程中产生突变的位置，进而调整刀具在切削力突变处的进给量，高效完成曲线车削加工。
本发明的技术解决方案：
一种控制曲线车削加工切削力突变的方法具体步骤为：
(1)建立坐标系
按照右手定则在工件上建立世界坐标系：以工件轴线和端面的交点为原点O，X轴与工件轴线重合并指向工件外侧，OYZ平面与工件端面重合，建立世界坐标系OXYZ；
按照右手定则在刀具上建立移动坐标系：以刀尖圆弧圆心为原点O'，X'轴与X轴平行且方向一致，O'X'Y'平面与刀具前刀面重合，建立刀具上的移动坐标系O'X'Y'Z'；
(2)确定切削层面积
任意前后两次进刀时，切削刃与工件轮廓曲线相交围成切削层区域ABCD，其中两次进刀切削刃中的圆弧刃部分交点为A，切削刃中的直线刃部分与工件轮廓曲线交点分别为B和C，圆弧刃与直线刃切点为D，基于格林运算法则计算切削层区域ABCD面积
(3)确定等效切削刃方向角Ω
等效切削刃方向角Ω可由刃倾角λs和摩擦力方向角β表示为：Ω＝β-λs，其中刃倾角λs为由加工条件决定的定值，β由切削层区域中微元上的摩擦力矢量确定；
(4)在世界坐标系OXYZ上采集直线切削状态下的切削力FX1、FY1和FZ1；
(5)直线切削力变换
通过空间矩阵变换，将采集的直线切削力[FX1,FY1,FZ1]变换为移动坐标系O'X'Y'上的切削力
(6)标定剪应力τs、法向摩擦角βn、流屑角η和法向剪切角
(7)计算切向、径向和轴向切削力系数KT、KR和KA
其中，γn为法向前角；
(8)在移动坐标系O'X'Y'Z'上计算曲线切削状态时的切削力FT3、FR3和FA3
(9)在世界坐标系OXYZ上计算曲线切削状态时的切削力FX3、FY3、FZ3
(10)根据步骤9计算得到的切削力，判断实际加工过程中切削力在刀具及工件上产生突变的位置，进而调整刀具在切削力突变位置处的进给量，使切削力在此处变化趋于稳定。
的计算方法为：采用B样条曲线法将切削刃和工件轮廓曲线分别参数化表示为和
其中N(u)和N(t)为递推公式，均可表示为
式中，n表示B样条曲线上离散点对应的参数值，i表示第i个离散点，k表示B样条曲线的幂次，
Px、Py分别为切削刃在世界坐标系OXYZ中X方向和Y方向上的B样条曲线控制点；
Qx、Qy分别为加工前工件轮廓曲线在世界坐标系OXYZ中X方向和Y方向上的B样条曲线控制点；
其中j和j+1分别为前后两次进刀。
通过
得到剪应力τs、法向摩擦角βn、流屑角η和法向剪切角
其中FTn、FRn和FAn分别为FT、FR和FA在法平面投影，As为剪切面积，f为进给量，ap为切削深度，为剪力在法平面上的投影与切削平面之间夹角，ξn为切削合力在法平面上的投影与切削平面之间夹角，ξλ为切削合力F与法平面之间的夹角，βa为摩擦角，βn为法向摩擦角。
步骤5中
其中γo为刀具前角。
步骤3中摩擦力方向角β计算方法为将切削层区域ABCD分为由圆弧刃围成的第一区域和由直线刃围成的第二区域，ΔAm,1和ΔAm,2分别表示第一区域和第二区域中的第m个微元面积，Δβm,1和Δβm,2分别表示第一区域和第二区域中第m个微元对应的摩擦角。
式中Cj+1,θ(u)和Cj+1,r(u)分别为微元的极角和极径，可分别表示为：
同理可得ΔAm,2；
微元摩擦角同理可得Δβm,2。
在步骤9和步骤10之间还可以对建模进行试验验证，在世界坐标系OXYZ上采集曲线切削状态下的切削力，作为切削力试验值，将切削力试验值与步骤9获得的切削力预测值进行比对，如果切削力幅值偏差在10％以内，则说明建模正确；如果切削力幅值偏差大于10％，则重新检验并标定剪应力τs、法向摩擦角βn、流屑角η和法向剪切角直至将切削力幅值偏差控制在10％以内。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明采用B样条曲线法将切削刃和工件轮廓曲线参数化处理，建立包含关键几何参数的统一计算模型，解析切削力模型系数和力矢量、速度矢量、流屑矢量之间的约束关系，提出切削力模型系数标定方法，进而确定切削力模型系数，通过建立的切削力模型，可以判断切削力在实际曲线加工过程中产生突变的位置，进而调整刀具在切削力突变处的进给量，使切削力在此处变化趋于稳定，相对于现有对直线切削建模技术的应用，可以高效完成曲线车削加工；
(2)本发明中基于格林运算法则计算单连通区域内的切削层面积，基于极坐标微元法计算等效切削刃方向角采用极坐标微元法，有效避免了因出现不规则几何接触区域而产生的解析困难问题。
附图说明
图1为本发明世界坐标系OXYZ示意图；
图2为本发明移动坐标系O'X'Y'Z'示意图；
图3为本发明切削层面积示意图；
图4为本发明等效切削刃方向角示意图；
图5为本发明切削力采集标定示意图；
图6为本发明法向摩擦角标定结果及其拟合曲线；
图7为本发明法向剪切角标定结果及其拟合曲线；
图8为本发明剪应力标定结果及其拟合曲线；
图9为本发明切向力系数标定结果及其拟合曲线；
图10为本发明径向力系数标定结果及其拟合曲线；
图11为本发明轴向力系数标定结果及其拟合曲线；
图12为本发明曲线车削工件轮廓示意图；
图13为本发明切削层面积的变化曲线；
图14为本发明等效切削刃方向角变化曲线；
图15为本发明在X方向上切削力预测值与试验值的比对示意图；
图16为本发明在Y方向上切削力预测值与试验值的比对示意图；
图17为本发明在Z方向上切削力预测值与试验值的比对示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。
一种控制曲线车削加工切削力突变的方法，具体步骤为：
(1)建立坐标系
如图1所示，按照右手定则在工件上建立世界坐标系：以工件轴线和端面的交点为原点O，X轴与工件轴线重合并指向工件外侧，OYZ平面与工件端面重合，建立世界坐标系OXYZ；
如图2所示，按照右手定则在刀具上建立移动坐标系：以刀尖圆弧圆心为原点O'，X'轴与X轴平行且方向一致，O'X'Y'平面与刀具前刀面重合，建立刀具上的移动坐标系O'X'Y'Z'；
(2)确定切削层面积
任意前后两次进刀时，切削刃与工件轮廓曲线相交围成切削层区域ABCD，如图3所示，其中两次进刀切削刃中的圆弧刃部分交点为A，切削刃中的直线刃部分与工件轮廓曲线交点分别为B和C，圆弧刃与直线刃切点为D，基于格林运算法则计算切削层区域ABCD面积
具体计算方法为：采用B样条曲线法将切削刃和工件轮廓曲线分别参数化表示为和
其中N(u)和N(t)为递推公式，均可表示为
式中，n表示B样条曲线上离散点对应的参数值，i表示第i个离散点，k表示B样条曲线的幂次，
Px、Py分别为切削刃在世界坐标系OXYZ中X方向和Y方向上的B样条曲线控制点；
Qx、Qy分别为加工前工件轮廓曲线在世界坐标系OXYZ中X方向和Y方向上的B样条曲线控制点；则
其中j和j+1分别为前后两次进刀。
(3)确定等效切削刃方向角Ω
等效切削刃方向角Ω可由刃倾角λs和摩擦力方向角β表示为：Ω＝β-λs，其中刃倾角λs为由加工条件决定的定值，β由切削层区域中微元上的摩擦力矢量确定，如图4所示，将切削层区域ABCD分为由圆弧刃围成的第一区域和由直线刃围成的第二区域，ΔAm,1和ΔAm,2分别表示第一区域和第二区域中的第m个微元面积，Δβm,1和Δβm,2分别表示第一区域和第二区域中第m个微元对应的摩擦角；
式中Cj+1,θ(u)和Cj+1,r(u)分别为微元的极角和极径，可分别表示为：
同理可得ΔAm,2；
微元摩擦角同理可得Δβm,2。
(4)在世界坐标系OXYZ上采集直线切削状态下的切削力FX1、FY1和FZ1；
(5)直线切削力变换
通过空间矩阵变换，将采集的直线切削力[FX1,FY1,FZ1]变换为移动坐标系O'X'Y'上的切削力
其中
γo为刀具前角。
(6)标定剪应力τs、法向摩擦角βn、流屑角η和法向剪切角
通过
得到剪应力τs、法向摩擦角βn、流屑角η和法向剪切角
其中FTn、FRn和FAn分别为FT、FR和FA在法平面投影，As为剪切面积，f为进给量，ap为切削深度，为剪力在法平面上的投影与切削平面之间夹角，ξn为切削合力在法平面上的投影与切削平面之间夹角，ξλ为切削合力F与法平面之间的夹角，βa为摩擦角，βn为法向摩擦角。
(7)计算切向、径向和轴向切削力系数KT、KR和KA
其中，γn为法向前角；
(8)在移动坐标系O'X'Y'Z'上计算曲线切削状态时的切削力FT3、FR3和FA3
(9)在世界坐标系OXYZ上计算曲线切削状态时的切削力FX3、FY3、FZ3
(10)在世界坐标系OXYZ上采集曲线切削状态下的切削力，作为切削力试验值，将切削力试验值与步骤9获得的切削力预测值进行比对，如果切削力幅值偏差在10％以内，则说明建模正确；如果切削力幅值偏差大于10％，则重新检验并标定剪应力τs、法向摩擦角βn、流屑角η和法向剪切角直至将切削力幅值偏差控制在10％以内；
(11)根据步骤9计算得到的切削力，判断实际加工过程中切削力在刀具及工件上产生突变的位置，进而调整刀具在切削力突变位置处的进给量，使切削力在此处变化趋于稳定。
实施例
试验在数控精密车削中心进行，由测力仪在世界坐标系OXYZ上采集直线切削状态下的切削力FX1、FY1和FZ1，采样频率10KHz,试件材料选用58SiMn高强度钢，刀具前角为0°，后角为5°，主偏角为93°，副偏角为52°，刀尖圆弧半径为0.8mm。
1、进行切削力模型系数标定试验
切削力模型系数标定试验的因素及水平设计如表1所示，将采集的切削力表示成切削层面积的函数，如图5所示，根据上文的标定方法对切削力模型系数进行标定，以双指数函数
对切削力模型系数进行拟合，其中A表示切削层面积，B、C、D、b和c表示双指数函数的系数，拟合系数如表2所示，标定结果如图6-8和拟合曲线如图9-11所示。
表1标定试验设计的因素及水平
表2双指数函数的拟合系数
β<sub>n</sub> φ<sub>n</sub> τ<sub>s</sub> K<sub>T</sub> K<sub>R</sub> K<sub>A</sub>
B 18.726 -18.735 - 1987.3 4880.8 -787.78
C 0.5173 -0.5172 - 2388.2 1202.6 -152.52
D 0.096 0.6892 931.45 2772.7 1202.5 407.18
b 0.0058 0.0058 - 0.0773 0.0397 0.0155
c 0.2937 -0.5172 - 472.16 0.0021 0.4003
2、进行曲线车削试验
曲线车削试验工件轮廓如图12所示，试验过程中切削层面积和等效切削刃方向角变化如图13和图14所示，切削力预测值与试验值对比如图15-17所示。
通过图15-17可以看出，在X、Y、Z三方向上切削力预测值与试验值的幅值大小偏差在10％以内，变化趋势保持一致，验证了曲线车削中该切削力建模方法的有效性。在此基础上，判断实际加工过程中切削力在刀具及工件上产生突变的位置，进而调整刀具在切削力突变位置处的进给量，使切削力在此处变化趋于稳定。
本发明采用B样条曲线法将切削刃和工件轮廓曲线参数化处理，建立包含关键几何参数的统一计算模型，解析切削力模型系数和力矢量、速度矢量、流屑矢量之间的约束关系，提出切削力模型系数标定方法，进而确定切削力模型系数，通过建立的切削力模型，可以判断切削力在实际曲线加工过程中产生突变的位置，进而调整刀具在切削力突变处的进给量，使切削力在此处变化趋于稳定，相对于现有对直线切削建模技术的应用，可以高效完成曲线车削加工。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种控制曲线车削加工切削力突变的方法，其特征在于，具体步骤为：
(1)建立坐标系
按照右手定则在工件上建立世界坐标系：以工件轴线和端面的交点为原点O，X轴与工件轴线重合并指向工件外侧，OYZ平面与工件端面重合，建立世界坐标系OXYZ；
按照右手定则在刀具上建立移动坐标系：以刀尖圆弧圆心为原点O'，X'轴与X轴平行且方向一致，O'X'Y'平面与刀具前刀面重合，建立刀具上的移动坐标系O'X'Y'Z'；
(2)确定切削层面积
任意前后两次进刀时，切削刃与工件轮廓曲线相交围成切削层区域ABCD，其中两次进刀切削刃中的圆弧刃部分交点为A，切削刃中的直线刃部分与工件轮廓曲线交点分别为B和C，圆弧刃与直线刃切点为D，基于格林运算法则计算切削层区域ABCD面积
(3)确定等效切削刃方向角Ω
等效切削刃方向角Ω可由刃倾角λs和摩擦力方向角β表示为：Ω＝β-λs，其中刃倾角λs为由加工条件决定的定值，β由切削层区域中微元上的摩擦力矢量确定；
(4)在世界坐标系OXYZ上采集直线切削状态下的切削力FX1、FY1和FZ1；
(5)直线切削力变换
通过空间矩阵变换，将采集的直线切削力[FX1,FY1,FZ1]变换为移动坐标系O'X'Y'Z'上的切削力
(6)标定剪应力τs、法向摩擦角βn、流屑角η和法向剪切角
(7)计算切向、径向和轴向切削力系数KT、KR和KA
其中，γn为法向前角；
(8)在移动坐标系O'X'Y'Z'上计算曲线切削状态时的切削力FT3、FR3和FA3
(9)在世界坐标系OXYZ上计算曲线切削状态时的切削力FX3、FY3、FZ3
(10)根据步骤9计算得到的切削力，判断实际加工过程中切削力在刀具及工件上产生突变的位置，进而调整刀具在切削力突变位置处的进给量，使切削力在此处变化趋于稳定。
2.如权利要求1所述的一种控制曲线车削加工切削力突变的方法，其特征在于，的计算方法为：采用B样条曲线法将切削刃和工件轮廓曲线分别参数化表示为和
其中N(u)和N(t)为递推公式，均可表示为
式中，n表示B样条曲线上离散点对应的参数值，i表示第i个离散点，k表示B样条曲线的幂次，
Px、Py分别为切削刃在世界坐标系OXYZ中X方向和Y方向上的B样条曲线控制点；
Qx、Qy分别为加工前工件轮廓曲线在世界坐标系OXYZ中X方向和Y方向上的B样条曲线控制点；
其中j和j+1分别为前后两次进刀。
3.如权利要求1所述的一种控制曲线车削加工切削力突变的方法，其特征在于，通过
得到剪应力τs、法向摩擦角βn、流屑角η和法向剪切角
其中FTn、FRn和FAn分别为FT、FR和FA在法平面投影，As为剪切面积，f为进给量，ap为切削深度，为剪力在法平面上的投影与切削平面之间夹角，ξn为切削合力在法平面上的投影与切削平面之间夹角，ξλ为切削合力F与法平面之间的夹角，βa为摩擦角，βn为法向摩擦角。
4.如权利要求1所述的一种控制曲线车削加工切削力突变的方法，其特征在于，步骤5中
其中γo为刀具前角。
5.如权利要求1所述的一种控制曲线车削加工切削力突变的方法，其特征在于，步骤3中摩擦力方向角β计算方法为将切削层区域ABCD分为由圆弧刃围成的第一区域和由直线刃围成的第二区域，ΔAm,1和ΔAm,2分别表示第一区域和第二区域中的第m个微元面积，Δβm,1和Δβm,2分别表示第一区域和第二区域中第m个微元对应的摩擦角。
6.如权利要求5所述的一种控制曲线车削加工切削力突变的方法，其特征在于，
式中Cj+1,θ(u)和Cj+1,r(u)分别为微元的极角和极径，可分别表示为：
同理可得ΔAm,2；
微元摩擦角同理可得Δβm,2。
7.如权利要求1所述的一种控制曲线车削加工切削力突变的方法，其特征在于，在步骤9和步骤10之间对建模进行试验验证，在世界坐标系OXYZ上采集曲线切削状态下的切削力，作为切削力试验值，将切削力试验值与步骤9获得的切削力预测值进行比对，如果切削力幅值偏差在10％以内，则说明建模正确；如果切削力幅值偏差大于10％，则重新检验并标定剪应力τs、法向摩擦角βn、流屑角η和法向剪切角直至将切削力幅值偏差控制在10％以内。
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