CN107791102B - 一种适用于铣削仿真的摩擦系数测试方法 - Google Patents

一种适用于铣削仿真的摩擦系数测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种适用于铣削仿真的摩擦系数测试方法，包括：步骤(1)确定摩擦系数测试试验所需参数；步骤(2)搭建摩擦系数测试试验台及数据采集；步骤(3)获取刀杆测量点处的静态结构刚度；步骤(4)获取铣削过程中的进给抗力和主切削力；步骤(5)计算铣削进给夹角和摩擦系数。本发明能够提供一种适用于铣削仿真的摩擦系数测试方法，能够获取适用于铣削仿真的摩擦系数，提高仿真精度。

Description

一种适用于铣削仿真的摩擦系数测试方法
技术领域
本发明涉及材料加工摩擦系数测试的技术领域，具体涉及一种适用于铣削仿真的摩擦系数测试方法，适用于各类材料的铣削摩擦系数测试。
背景技术
目前国内外对材料加工领域的研究已大量采用计算机仿真模拟手段，但是仿真仍然有一定的局限性，主要原因之一就体现在有限元模拟过程中对材料和边界条件的处理上。材料之间摩擦系数的选取正是其中的难点之一，它直接影响到数值模拟的精度和效率。由于目前在国内的研究中，还不能直接提供材料成型数值模拟所需的现成数据，而一般资料和文献中所提供的数据仅提供一个较宽泛的数值范围，存在着很大的不精确性，所以通过自行的实验设计得到所需的参数势在必行。国内外相关研究表明，摩擦系数的大小不仅跟工件和刀具的材料有关，而且还和切削方式以及切削参数息息相关。现今，摩擦系数的测试往往是由车削试验获取的，该方法虽然便于组织试验和获取数据，但是测试数据不能很好的应用于其他类型的切削加工的仿真中，因而，适用于不同切削类型的摩擦系数测试方法是当今科研领域急切需要的。
发明内容
本发明主要解决的技术问题为：现有摩擦系数试验是采用车削加工来完成，计算结果不能满足铣削仿真计算要求，本发明结合铣削加工工艺特点，考虑加工刀具的几何特性和结构特性，提出了一种适用于铣削仿真的的摩擦系数测试方法，测试所得摩擦系数能够更好的适应铣削仿真需求，提高铣削仿真精度。
本发明采用的技术方案是：一种适用于铣削仿真的摩擦系数测试方法，其方法流程如下：
步骤(1)、确定摩擦系数测试试验所需参数；
步骤(2)、搭建摩擦系数测试试验台及数据采集；
步骤(3)、获取刀杆测量点处的静态结构刚度；
步骤(4)、获取铣削过程中的进给抗力和主切削力；
步骤(5)、计算铣削进给夹角和摩擦系数。
进一步的，所述步骤(1)需要确定的试验参数为铣刀参数和切削参数，其中主要铣刀参数包括刀具半径R(mm)、刀具前角γ(°)、刀具螺旋角β(°)、刀杆弹性模量E(N/mm2)，主要切削参数包括主轴转速a(rpm)、每齿近给量f(mm)、铣削宽度woc(mm)、铣削深度doc(mm)、刀杆悬伸长度L1(mm)、测量点伸出距离L2(mm)。
进一步的，所述步骤(2)中搭建的试验台由三部分组成，分别为铣削刀具，被铣削工件和振动测试仪器，其中振动测试仪器负责采集刀杆位移细信息，刀具按照设定切削参数进行切削，被铣削工件保持固定。
进一步的，所述步骤(3)中测量点处静态刚度计算公式为：
式中:Ks表示测量点静态刚度、I表示测量点处截面惯性矩，其中截面惯性矩由CAD软件自动求解。
进一步的，所述步骤(4)中需要计算的力为进给抗力F(x)和主切削力F(y)，计算公式为：
F(x)＝Ks·δx
F(y)＝Ks·δy
其中δx和δy分别为刀具测量点在进给方向和切削方向的位移，由测量装置测得，取值为单位时间内进给方向和切削方向的最小二乘估计值。
进一步的，所述步骤(5)中需要计算进给夹角θ和摩擦系数μ，计算公式如为：
本发明的原理：根据铣削加工特性以及振动测试原理，搭建并组织铣削试验，通过测试装置获取铣削刀具位移及受力，通过分析铣刀几何结构与受力方式，获取适用于铣刀的摩擦系数计算公式，从而获得适用于铣削仿真的摩擦系数。
本发明与现有技术相比的有益效果是：首先，提出了一套完整、可靠的铣削摩擦系数测试方法；其次，针对铣削工艺，建立铣削摩擦系数计算公式，能够有效的提高铣削仿真计算精度。本发明可操作性强、精确度高，只需经过简单的实验测试和数据计算，即可得到适用于铣削仿真的摩擦系数，为铣削机理研究及其表面完整性控制提供可靠数据。
附图说明
图1为本发明的一种适用于铣削仿真的摩擦系数测试方法，流程图；
图2为本发明的测试示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。
本发明提供一种适用于铣削仿真的摩擦系数测试方法，其方法流程如下：
步骤(1)、确定摩擦系数测试试验所需参数；
所述步骤(1)中需要确定的试验参数为铣刀参数和切削参数，其中主要铣刀参数包括刀具半径R(mm)、刀具前角γ(°)、刀具螺旋角β(°)、刀杆弹性模量E(N/mm2)，主要切削参数包括主轴转速a(rpm)、每齿近给量f(mm)、铣削宽度woc(mm)、铣削深度doc(mm)、刀杆悬伸长度L1(mm)、测量点伸出距离L2(mm)。
步骤(2)搭建摩擦系数测试试验台及数据采集；
所述步骤(2)中搭建的试验台如附图2所示由三部分组成，分别为铣削刀具，被铣削工件和振动测试仪器，振动测试仪器负责采集刀杆位移细信息，刀具按照设定切削参数进行切削，被铣削工件保持固定，其中振动测试仪器由2个光学测振头和一个控制器组成，1号测振头调试好后保持不动，2号测振头与刀具在进给方向上保持相对位置不变，控制器实现信号的滤波及解码等数据输出工作。获得控制器输出的数据后，需首先分离出刀具空转时的位移数据，去除测量点处刀杆径向不重合和圆度等误差，之后查看测量数据，保证切削振动频率低于一阶振动频率，否则改变切削参数后重新测量。
步骤(3)、获取刀杆测量点处的静态结构刚度；
所述步骤(3)中测量点处静态刚度计算公式为：
式中，Ks表示测量点静态刚度、I表示测量点处截面惯性矩，其中截面惯性矩由CAD软件自动求解。
步骤(4)、获取铣削过程中的进给抗力和主切削力；
所述步骤(4)中需要获取的力为进给抗力F(x)和主切削力F(y)，计算公式为：
F(x)＝Ks·δx
F(y)＝Ks·δy
其中δx和δy分别为刀具测量点在进给方向和切削方向的位移，由测量装置测得，取值为单位时间内进给方向和切削方向的最小二乘估计值。
步骤(5)、计算铣削进给夹角和摩擦系数。
所述步骤(5)中，需要计算进给夹角θ，计算公式如为：
摩擦系数μ的计算公式为：
实施例1
下面举例具体说明本发明方法，但本发明的保护范围不限于下述实例：
步骤(1)：结合实际条件，确定铣削刀具参数如表1，切削参数如表2。
表1铣削刀具参数
表2加工测量参数
步骤(2)中参照附图2搭建摩擦系数测试试验台并采集参数。
步骤(3)：计算测量点出静载荷刚度,
步骤(4)：导出激光振动测量仪测量数据，部分数据和数据处理结果如表3所示，利用公式求出进给抗力F(x)＝272N，主切削力F(y)＝489N。
表3位移数据及处理结果
步骤(5)：计算进给夹角进一步计算摩擦系数
使用有限元软件进行铣削仿真计算，根据铣削仿真需要添加模型并设置相应参数，在设置界面接触时，选择摩擦方程为Penalty方程，输入摩擦系数0.414，设置完成后提交计算，获取所需仿真结果。

Claims (1)

1.一种适用于铣削仿真的摩擦系数测试方法，其特征在于，该方法步骤如下：
步骤(1)、确定摩擦系数测试试验所需参数；
步骤(2)、搭建摩擦系数测试试验台及数据采集；
步骤(3)、获取刀杆测量点处的静态结构刚度；
步骤(4)、获取铣削过程中的进给抗力和主切削力；
步骤(5)、计算铣削进给夹角和摩擦系数；
所述步骤(1)中需要确定的试验参数为铣刀参数和切削参数，其中铣刀参数包括刀具半径R(mm)、刀具前角γ(°)、刀具螺旋角β(°)、刀杆弹性模量E(N/mm2)，切削参数包括主轴转速a(rpm)、每齿近给量f(mm)、铣削宽度woc(mm)、铣削深度doc(mm)、刀杆悬伸长度L1(mm)、测量点伸出距离L2(mm)；
所述步骤(2)中搭建的试验台由三部分组成，分别为铣削刀具，被铣削工件和振动测试仪器，其中振动测试仪器负责采集刀杆位移细信息，刀具按照设定切削参数进行切削，被铣削工件保持固定；
所述步骤(3)中测量点处静态结构刚度计算公式为：
式中：Ks表示测量点静态刚度、I表示测量点处截面惯性矩，其中截面惯性矩由CAD软件自动求解；
所述步骤(4)中需要获得的进给抗力F(x)和主切削力F(y)计算公式为：
F(x)＝Ks·δx
F(y)＝Ks·δy
式中δx和δy分别为刀具测量点在进给方向和切削方向的位移，由激光振动测量仪测得，取值为单位时间内进给方向和切削方向的最小二乘估计值；
所述步骤(5)中需要计算进给夹角θ和摩擦系数μ，计算公式如为：
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