CN109396955A - 一种面向旋风包络铣削工艺的切削力预测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向旋风包络铣削工艺的切削力预测方法及系统，该方法包括：获取工件参数、刀具参数和刀盘参数，确定刀盘与工件相对几何位置，建立刀具切削状态下刀盘坐标系；在刀盘坐标系下，根据工件参数和旋风铣刀参数，计算刀具的切入角度、切出角度和最大切削深度点角度；计算刀具切触点相对当前切削刀具的刀盘坐标系的坐标，计算切削深度；根据刀具形状和上述计算得到的切削深度，计算刀具加工时未变形切削面积；根据刀具参数，修正刀具余偏角，计算刀具圆弧刃区的等效余偏角，进一步计算整个刀具切削加工区域的等效余偏角；计算切削力，切削力的分力为斜角切削的走刀抗力和吃刀抗力以及切削主切削力。

Description

一种面向旋风包络铣削工艺的切削力预测方法及系统

技术领域

本发明属于旋风包络铣削的技术领域，尤其是涉及一种面向旋风包络铣削工 艺的切削力预测方法及系统。

背景技术

旋风铣削是一种利用装在高速旋转刀盘上的多把刀具从工件毛坯上铣削出 螺纹的高效加工技术，广泛应用于异型螺杆类零件加工。传统的旋风铣削主要采 用成型刀具。为了降低刀具成本并提高数控旋风铣床的柔性，人们采用具有一定 刀尖半径的普通刀具代替成型刀具，利用数控技术包络加工出螺旋面，该方法称 为旋风包络铣削。近些年来，螺杆的旋风包络铣削技术得到了长足的发展，能够 实现在普通三轴机床上高效高精度地进行复杂螺杆类零件的加工，极大地降低了 螺杆的生产加工成本。

铣削力(切削力)是铣削过程中的重要物理参数，它直接影响铣削过程中工 件的成型精度、表面质量、刀具寿命和机床系统的稳定性等，关系到产品的质量 和成本。由于旋风铣削装置的安装特殊性和旋风铣削机夹刀具不断交替铣削的特 性，在旋风铣削加工中很难实现切削力的在线测量，无法为螺杆旋风加工工艺参 数设定做出指导。

综上所述，针对现有技术的旋风包络铣削中无法进行切削力的在线测量得到 切削力的问题，尚缺乏有效的解决方案。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种面向旋风包络铣削工艺的切 削力预测方法及系统，根据工件和旋风铣刀参数，以及旋风包络铣削时刀具与工 件的位置关系，计算出每把铣刀切削过程中切削深度和相应的切削面积，估算切 削力，为螺杆旋风加工工艺参数设定做出指导。

本发明的第一目的是提供一种面向旋风包络铣削工艺的切削力预测方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下一种技术方案：

一种面向旋风包络铣削工艺的切削力预测方法，该方法包括：

获取工件参数、刀具参数和刀盘参数，确定刀盘与工件相对几何位置，建立 刀具切削状态下刀盘坐标系；

在刀盘坐标系下，根据工件参数和旋风铣刀参数，计算刀具的切入角度、切 出角度和最大切削深度点角度；

计算刀具切触点相对当前切削刀具的刀盘坐标系的坐标，计算切削深度；

根据刀具形状和上述计算得到的切削深度，计算刀具加工时未变形切削面积；

根据刀具参数，修正刀具余偏角，计算刀具圆弧刃区的等效余偏角，进一步 计算整个刀具切削加工区域的等效余偏角；

计算切削力，切削力的分力为斜角切削的走刀抗力和吃刀抗力以及切削主切 削力。

在本发明中，考虑到刀具圆弧刃的存在，考虑到对余偏角进行修正。

作为进一步的优选方案，

所述工件参数包括：零件尺寸、毛坯尺寸和工件转速；

所述刀具参数包括：刀具数量和刀具几何参数；所述刀具几何参数包括刀尖 圆弧半径和余偏角；

所述刀盘参数包括：刀盘半径、刀盘转速和设定的轴向切削厚度；

在确定刀盘与工件相对几何位置之前，根据毛坯尺寸、零件尺寸和刀盘半径 确定工件与刀盘之间的安装偏心距e和安装角δ。

作为进一步的优选方案，在建立的刀具切削状态下刀盘坐标系中，毛坯在刀 具平面为一短轴轴长为r，长轴长度为r/cosδ的椭圆，即：

x²cos²δ+(y-e)²＝r² (1)。

作为进一步的优选方案，所述计算刀具的切入角度的具体步骤为:

计算刀具进入切削状态的切入点坐标(x₁，y₁):

根据切入点的坐标(x₁，y₁)计算刀具的切入角度：

其中，x₁为切入点横坐标值，y₁切入点纵坐标值，R为刀盘半径，θ₁为切入 角。

作为进一步的优选方案，所述计算刀具的最大切削深度点角度的具体步骤 为:

计算刀具到达切削深度最大点的坐标(x₂，y₂):

根据切削深度最大点的坐标(x₂，y₂)计算刀具的最大切削深度点角度：

其中，x₂为最大切削深度点横坐标值，y₂最大切削深度点纵坐标值，n₁为 工件转速，n₂为刀盘转速，θ₂为最大切削深度点角。

作为进一步的优选方案，所述计算刀具的切出角度的具体步骤为:

计算刀具离开切削状态的切出点坐标(x₃，y₃):

其中，(x_A，y_A)为切入点的y轴对称点，满足：

根据切出点坐标(x₃，y₃)计算刀具的切出角度：

其中，x₃为切入点横坐标值，y₃切入点纵坐标值，x_A为切入点的y轴对称 点横坐标值，y_A切入点的y轴对称点纵坐标值，θ₃为切出角。

作为进一步的优选方案，所述切削深度计算步骤包括：

判断切削角θ与切入角θ₁、切出角θ₃和最大切削深度点角θ₂的大小关系或判 断刀具切触点与工件待加工表面边界的位置关系；

若θ₁≤θ≤θ₂或刀具切触点位于工件待加工表面边界切入点至最大切削深度 点段，该段任意刀具切触点坐标(x_a，y_a)为：

其中，x_b为当前切削刀具的刀盘坐标系中任意刀具切触点横坐标值，y_b为当 前切削刀具的刀盘坐标系中任意刀具切触点纵坐标值，

该段的切削深度h₁(θ)为：

若θ₂＜θ≤θ₃或工件待加工表面边界为上一刀具残留轨迹，即上一刀具切削 工件椭圆边界最大切削深度点至切入点段的残留轨迹，

在上一刀具切削工件时的相对刀盘坐标系中，计算任意刀具切触点坐标 (x_b-1，y_b-1)：

将任意刀具切触点坐标由上一刀具切削工件时的相对刀盘坐标系转换为当 前切削刀具的刀盘坐标系，在当前切削刀具的刀盘坐标系中，计算任意刀具切触 点坐标(x_b，y_b)：

其中，x_b-1为上一刀具切削工件时的相对刀盘坐标系中任意刀具切触点横坐 标值，y_b-1为上一刀具切削工件时的相对刀盘坐标系中任意刀具切触点纵坐标值， κ为∠O₁O_wO，O₁为上一刀具切削工件时的相对刀盘坐标系的原点，O为当前切 削刀具的刀盘坐标系的原点，O_w为工件圆心，n₁为工件转速，n₂为 刀盘转速，z为刀具数量；

计算刀具切触点角度，即切削角θ，和该段的切削深度h₂(θ)：

作为进一步的优选方案，根据刀具形状和上述计算得到的切削深度，计算刀 具加工时未变形切削面积A₀：

其中，r_t为刀具圆弧半径，h为上一步计算的切削深度，b为轴向切削厚度， ψ₁为余偏角，ψ_C为余偏角的上限值。

作为进一步的优选方案，通过将刀具圆弧刃区微分的微元da进行加权平均， 计算得到圆弧刀刃区的等效余偏角ψ₂：

其中，ΔA为参与切削的圆弧刃区微元面积，ψ为微元的余偏角，A₂为参与 切削的圆弧刃区面积，r_t为刀具圆弧半径，b为轴向切削厚度，ψ₁为余偏角，ψ_C为余偏角的上限值；

进一步计算整个刀具切削加工区域的等效余偏角ψ_S：

其中，A₀为刀具参与切削加工的总面积即加工时未变形切削面积，A₁为参 与切削的直线切削刃区面积，A₂为参与切削的圆弧刃区面积。

作为进一步的优选方案，根据具加工时未变形切削面积A₀和整个刀具切削 加工区域的等效余偏角ψ_S，计算切削力分力：

其中，F_v为切削主切削力，F_f为斜角切削的走刀抗力，F_p为斜角切削的吃 刀抗力，τ_s为剪切屈服强度，ω为铣削合力F与剪切面的夹角，为剪切角。

本发明的第二目的是提供一种计算机可读存储介质。

为了实现上述目的，本发明采用如下一种技术方案：

一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由计算终端 设备的处理器加载并执行以下处理：

获取工件参数、刀具参数和刀盘参数，确定刀盘与工件相对几何位置，建立 刀具切削状态下刀盘坐标系；

在刀盘坐标系下，根据工件参数和旋风铣刀参数，计算刀具的切入角度、切 出角度和最大切削深度点角度；

计算刀具切触点相对当前切削刀具的刀盘坐标系的坐标，计算切削深度；

根据刀具形状和上述计算得到的切削深度，计算刀具加工时未变形切削面积；

根据刀具参数，修正刀具余偏角，计算刀具圆弧刃区的等效余偏角，进一步 计算整个刀具切削加工区域的等效余偏角；

计算切削力，切削力的分力为斜角切削的走刀抗力和吃刀抗力以及切削主切 削力。

本发明的第三目的是提供一种计算终端。

为了实现上述目的，本发明采用如下一种技术方案：

一种计算终端，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令； 计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行以下 处理：

获取工件参数、刀具参数和刀盘参数，确定刀盘与工件相对几何位置，建立 刀具切削状态下刀盘坐标系；

在刀盘坐标系下，根据工件参数和旋风铣刀参数，计算刀具的切入角度、切 出角度和最大切削深度点角度；

计算刀具切触点相对当前切削刀具的刀盘坐标系的坐标，计算切削深度；

根据刀具形状和上述计算得到的切削深度，计算刀具加工时未变形切削面积；

根据刀具参数，修正刀具余偏角，计算刀具圆弧刃区的等效余偏角，进一步 计算整个刀具切削加工区域的等效余偏角；

计算切削力，切削力的分力为斜角切削的走刀抗力和吃刀抗力以及切削主切 削力。

本发明的有益效果：

(1)本发明所述的一种面向旋风包络铣削工艺的切削力预测方法及系统， 简单易用，只要输入零件尺寸、毛坯尺寸、工件转速、刀具数量、刀具几何参数、 刀盘半径、刀盘转速、设定的轴向切削厚度，即可提预测加工时的切削力。

(2)本发明所述的一种面向旋风包络铣削工艺的切削力预测方法及系统， 通过切削力的预测，为工艺参数的优化提供依据，从而提高产品质量和加工效率。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请 的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明的螺杆旋风铣削示意图；

图3为本发明的螺杆旋风铣削运动示意图；

图4切削面积示意图；

图5铣削受力示意图；

其中，δ为刀盘安装角，e为刀盘与工件的偏心距，O-XY为当前切削状态下 的刀盘坐标系，O₁-X₁Y₁为前一刀齿切削时的相对刀盘坐标系，Q1为切入点，Q3 为切出点，Q2最大切削深度点，θ₁为切触点相对于O-XY坐标系与X轴的夹角。 R为铣刀随刀盘旋转的半径，r为待加工毛坯工件半径，b为切削厚度，h为切削 深度，O为刀尖圆弧圆心，r_t为刀尖圆弧半径，ψ₁为刀具余偏角，ψ_s为圆弧刃微 元处等效余偏角。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明：

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。 除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普 通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限 制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出， 否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使 用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或 它们的组合。

实施例1：

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种面向旋风包络铣削工艺的切 削力预测方法及系统，根据工件和旋风铣刀参数，以及旋风包络铣削时刀具与工 件的位置关系，计算出每把铣刀切削过程中切削深度和相应的切削面积，估算切 削力，为螺杆旋风加工工艺参数设定做出指导。

本发明的一种典型实施例是：

如图1所示，

一种面向旋风包络铣削工艺的切削力预测方法，该方法包括：

(1)获取工件参数、刀具参数和刀盘参数；

所述工件参数包括：零件尺寸、毛坯尺寸(毛坯半径r)和工件转速n₁；

所述刀具参数包括：刀具数量和刀具几何参数；所述刀具几何参数包括刀尖 圆弧半径r_t和余偏角ψ；

所述刀盘参数包括：刀盘半径R、刀盘转速n₂和设定的轴向切削厚度b；

在确定刀盘与工件相对几何位置之前，根据毛坯尺寸(毛坯半径r)、零件 尺寸(加工出的螺杆工件的几何参数)和刀盘半径确定工件与刀盘之间的安装偏 心距e和安装角δ。

(2)确定刀盘与工件相对几何位置，建立刀具切削状态下刀盘坐标系和相 邻两刀齿切削状态时坐标系之间的关系，在刀盘坐标系下，根据工件参数和旋风 铣刀参数，计算刀具的切入角度、切出角度和最大切削深度点角度；

(3)计算刀具切触点相对当前切削刀具的刀盘坐标系的坐标，计算切削深 度；

(4)根据刀具形状和上述计算得到的切削深度，计算刀具加工时未变形切 削面积；

(5)根据刀具参数，修正刀具余偏角，计算刀具圆弧刃区的等效余偏角， 进一步计算整个刀具切削加工区域的等效余偏角；

(6)计算切削力，切削力的分力为切削主切削力F_v，斜角切削的走刀抗力 F_f和斜角切削的吃刀抗力F_p。

在本实施例中，考虑到刀具圆弧刃的存在，考虑到对余偏角进行修正。

旋风包络铣削的基本原理如图2所示，旋风铣削刀盘上均匀安装多把机夹刀 具，刀盘回转轴线与工件轴线之间有安装角δ。在加工过程中旋风铣削可以分为 4个运动：工件绕轴线缓慢转动，刀盘在电机的带动下做高速切削运动，同时在 数控系统的控制下相对工件做轴向进给运动和径向进给运动。轴向进给运动用以 实现整个杆件的铣削加工，径向进给运动调节刀盘与工件的偏心距e。上述4个 运动相互协作实现对工件的旋风包络铣削。

在本实施例中，如图3所示，在刀盘平面分析旋风铣刀对工件的铣削运动， 在当前切削状态下的刀盘坐标系O-XY中，毛坯在刀具平面为一短轴轴长为r， 长轴长度为r/cosδ的椭圆，即：

x²cos²δ+(y-e)²＝r² (1)。

如图3所示，在切削加工过程中刀具自Q₁点进入切削状态，在Q₂点切削深 度达到最大，自Q₃点离开切削状态，Q₁为切入点、Q₂为最大切削深度点、Q₃为 切出点。设θ₁为切入角、θ₃为切出角、θ₂为最大切削深度点角。

所述计算刀具的切入角度的具体步骤为:

计算刀具进入切削状态的切入点坐标(x₁，y₁):

根据切入点的坐标(x₁，y₁)计算刀具的切入角度：

其中，x₁为切入点横坐标值，y₁切入点纵坐标值，R为刀盘半径，θ₁为切入 角。

在本实施例中，所述计算刀具的最大切削深度点角度的具体步骤为:

计算刀具到达切削深度最大点的坐标(x₂，y₂):

根据切削深度最大点的坐标(x₂，y₂)计算刀具的最大切削深度点角度：

其中，x₂为最大切削深度点横坐标值，y₂最大切削深度点纵坐标值，n₁为 工件转速，n₂为刀盘转速，θ₂为最大切削深度点角。

在本实施例中，所述计算刀具的切出角度的具体步骤为:

计算刀具离开切削状态的切出点坐标(x₃，y₃):

其中，(x_A，y_A)为切入点的y轴对称点，满足：

根据切出点坐标(x₃，y₃)计算刀具的切出角度：

其中，x₃为切入点横坐标值，y₃切入点纵坐标值，x_A为切入点的y轴对称 点横坐标值，y_A切入点的y轴对称点纵坐标值，θ₃为切出角。

每把刀具切削的过程都可分成两个阶段：当切削角θ₁≤θ≤θ₂时，待加工表 面边界为工件椭圆边界Q₁Q₂，当切削角θ₂＜θ≤θ₃时，待加工表面为上一刀具残 留轨迹Q₂Q₃。

在本实施例中，所述切削深度计算步骤包括：

判断切削角θ与切入角θ₁、切出角θ₃和最大切削深度点角θ₂的大小关系或判 断刀具切触点与工件待加工表面边界的位置关系；

若θ₁≤θ≤θ₂或刀具切触点位于工件待加工表面边界切入点至最大切削深度 点段Q₁Q₂，该段任意刀具切触点坐标(x_a，y_a)为：

其中，x_b为当前切削刀具的刀盘坐标系中任意刀具切触点横坐标值，y_b为当 前切削刀具的刀盘坐标系中任意刀具切触点纵坐标值，

该段的切削深度h₁(θ)为：

若θ₂＜θ≤θ₃或工件待加工表面边界为上一刀具残留轨迹Q₂Q₃，即上一刀具 切削工件椭圆边界最大切削深度点至切入点段的残留轨迹Q₂Q₃，

如图3所示，在Q₂Q₃段，圆弧Q₂Q₃的圆心位于偏心圆(图3虚线圆)O₁处，则O₁Q₁＝R、O₁O_w＝e，O₁-X₁Y₁为前一刀齿切削时 的相对刀盘坐标系，

在上一刀具切削工件时的相对刀盘坐标系O₁-X₁Y₁中，计算任意刀具切触点 坐标(x_b-1，y_b-1)在Q₂Q₃段满足：

将任意刀具切触点坐标由上一刀具切削工件时的相对刀盘坐标系O₁-X₁Y₁转 换为当前切削刀具的刀盘坐标系O-XY，在当前切削刀具的刀盘坐标系O-XY中， 计算任意刀具切触点坐标(x_b，y_b)：

其中，x_b-1为上一刀具切削工件时的相对刀盘坐标系中任意刀具切触点横坐 标值，y_b-1为上一刀具切削工件时的相对刀盘坐标系中任意刀具切触点纵坐标值， κ为∠O₁O_wO，O₁为上一刀具切削工件时的相对刀盘坐标系的原点，O为当前切 削刀具的刀盘坐标系的原点，O_w为工件圆心，n₁为工件转速，n₂为 刀盘转速，z为刀具数量；

计算刀具切触点角度，即切削角θ，和该段的切削深度h₂(θ)：

在本实施例中，根据刀具形状和上述计算得到的切削深度，计算刀具加工时 未变形切削面积A₀：

其中，r_t为刀具圆弧半径，h为上一步计算的切削深度，b为轴向切削厚度， ψ₁为余偏角，ψ_C为余偏角的上限值。

如图4所示，考虑到刀具存在圆弧刃，为了使计算结果更准确，通过等效余 偏角对切削力方向进行修正。

在本实施例中，通过将刀具圆弧刃区微分的微元da进行加权平均，计算得 到圆弧刀刃区的等效余偏角ψ₂：

其中，ΔA为参与切削的圆弧刃区微元面积，ψ为微元的余偏角，A₂为参与 切削的圆弧刃区面积，r_t为刀具圆弧半径，b为轴向切削厚度，ψ₁为余偏角，ψ_C为余偏角的上限值；

进一步计算整个刀具切削加工区域的等效余偏角ψ_S：

其中，A₀为为刀具参与切削加工的总面积即加工时未变形切削面积，A₁为 参与切削的直线切削刃区面积，A₂为参与切削的圆弧刃区面积。

如图5所示，刀具(余偏角为ψ、倾角为0)以切削深度h切削厚度b进行 切削，可以看作是切削厚度为a＝h/cosψ切削深度为S＝bcosψ的直角切削。切屑 沿与主切削刃垂直的方向流出。从正方向(切削方向)来看，切屑流出的方向与 吃刀抗力Fr的方向一致，因而将吃刀抗力Fr分解得到斜角切削的走刀抗力Ff 与吃刀抗力Fp，切削主切削力Fv。

在本实施例中，根据具加工时未变形切削面积A₀和整个刀具切削加工区域 的等效余偏角ψ_S，计算切削力分力：

其中，F_v为切削主切削力，F_f为斜角切削的走刀抗力，F_p为斜角切削的吃 刀抗力，τ_s为剪切屈服强度，ω为铣削合力F与剪切面的夹角，为剪切角。

在本实施例中，以加工双头挤出螺杆为例，计算其最大切削力。

螺杆加工基本信息：刀具为普通机夹菱形刀片,余偏角为15度、刀尖圆弧半 径为0.5mm切削刃长度为20mm的机夹硬质合金刀片，刀具数量为2，旋风铣 刀随刀盘回转半径为60mm，工件材料为正火45号钢，加工螺杆外径35.6，底 径23.6mm。毛坯半径为18mm，安装角为23.2度，刀具在切削底径时的偏心距 为48.2mm，切削厚度为0.12mm，毛坯转速为30r/min,刀盘转速为500r/min。

1.输入参数

由上述条件可知r＝18mm，R＝60mm，δ＝23.2度，e＝48.2mm，n1＝30r/min， n2＝500r/min，Z＝2，rt＝0.5mm,ψ＝15度，b＝0.12。

2.计算刀具切入角、切出角和最大切削深度点角度

带入参数由式(1)可知毛坯椭圆方程为

x²cos²23.2+(y-48.2)²＝18²

由式(2)可求的刀具切入点坐标(x₁，y₁)

得到切入点坐标(x₂，y₂)为(16.67，57.64)，带入式(3)得切入角

由式(4)得到切削深度最大处的坐标(x₂，y₂)

求得(x₂，y₂)为(14.4，60.44)，带入式(5)得

由式(7)(6)求得切出点的坐标(x₃，y₃)

求得切出点的坐标(x₃，y₃)为(-0.19，59.9)，带入式(8)可得

3.计算刀具切触点相对当前切削刀具刀盘坐标系的坐标并由之求出切削深 度

本算例仅计算最大切削厚度出的切削力，故带入由式 (9)可得

由式(3)得切削深度

4.由刀具形状计算未变形切削面积

又r_t＝0.5mm，ψ1＝15度，带入式(15)得

5.计算等效余偏角

由式(16)得到刀具圆弧刃区等效余偏角为

由式(17)得整个切削刃区等效余偏角为

5.计算切削力，包括走刀抗力Ff与吃刀抗力Fp，切削主切削力Fv。

根据相关文献提供，硬质合金刀具正交切削正火45号钢实验得出切削参数 如下：ω为53.25度，剪切角Ф为25.1度，剪切屈服强度取720N/mm²。带入 式(18)得

对比相关文献(《金属切削加工理论》[日]中山一雄著)中所给出在近似加 工参数下同样刀具切削正火45号钢所测的的切削力数据，本发明所得结果与之 较为吻合，证明了预测方法的有效性。

实施例2：

本发明的一种典型实施例是：

一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由计算终端 设备的处理器加载并执行以下处理：

获取工件参数、刀具参数和刀盘参数，确定刀盘与工件相对几何位置，建立 刀具切削状态下刀盘坐标系；

在刀盘坐标系下，根据工件参数和旋风铣刀参数，计算刀具的切入角度、切 出角度和最大切削深度点角度；

计算刀具切触点相对当前切削刀具的刀盘坐标系的坐标，计算切削深度；

根据刀具形状和上述计算得到的切削深度，计算刀具加工时未变形切削面积；

根据刀具参数，修正刀具余偏角，计算刀具圆弧刃区的等效余偏角，进一步 计算整个刀具切削加工区域的等效余偏角；

计算切削力，切削力的分力为斜角切削的走刀抗力和吃刀抗力以及切削主切 削力。

实施例3：

本发明的一种典型实施例是：

一种计算终端，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令； 计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行以下 处理：

获取工件参数、刀具参数和刀盘参数，确定刀盘与工件相对几何位置，建立 刀具切削状态下刀盘坐标系；

在刀盘坐标系下，根据工件参数和旋风铣刀参数，计算刀具的切入角度、切 出角度和最大切削深度点角度；

计算刀具切触点相对当前切削刀具的刀盘坐标系的坐标，计算切削深度；

根据刀具形状和上述计算得到的切削深度，计算刀具加工时未变形切削面积；

根据刀具参数，修正刀具余偏角，计算刀具圆弧刃区的等效余偏角，进一步 计算整个刀具切削加工区域的等效余偏角；

计算切削力，切削力的分力为斜角切削的走刀抗力和吃刀抗力以及切削主切 削力。

本发明的有益效果：

(1)本发明所述的一种面向旋风包络铣削工艺的切削力预测方法及系统， 简单易用，只要输入零件尺寸、毛坯尺寸、工件转速、刀具数量、刀具几何参数、 刀盘半径、刀盘转速、设定的轴向切削厚度，即可提预测加工时的切削力。

(2)本发明所述的一种面向旋风包络铣削工艺的切削力预测方法及系统， 通过切削力的预测，为工艺参数的优化提供依据，从而提高产品质量和加工效率。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域 的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内， 所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种面向旋风包络铣削工艺的切削力预测方法，其特征在于，该方法包括：

获取工件参数、刀具参数和刀盘参数，确定刀盘与工件相对几何位置，建立刀具切削状态下刀盘坐标系；

在刀盘坐标系下，根据工件参数和旋风铣刀参数，计算刀具的切入角度、切出角度和最大切削深度点角度；

计算刀具切触点相对当前切削刀具的刀盘坐标系的坐标，计算切削深度；

根据刀具形状和上述计算得到的切削深度，计算刀具加工时未变形切削面积；

根据刀具参数，修正刀具余偏角，计算刀具圆弧刃区的等效余偏角，进一步计算整个刀具切削加工区域的等效余偏角；

计算切削力，切削力的分力为斜角切削的走刀抗力和吃刀抗力以及切削主切削力。

2.如权利要求1所述的一种面向旋风包络铣削工艺的切削力预测方法，其特征在于，

所述工件参数包括：零件尺寸、毛坯尺寸和工件转速；

所述刀具参数包括：刀具数量和刀具几何参数；所述刀具几何参数包括刀尖圆弧半径和余偏角；

所述刀盘参数包括：刀盘半径、刀盘转速和设定的轴向切削厚度；

在确定刀盘与工件相对几何位置之前，根据毛坯尺寸、零件尺寸和刀盘半径确定工件与刀盘之间的安装偏心距e和安装角δ。

3.如权利要求1所述的一种面向旋风包络铣削工艺的切削力预测方法，其特征在于，在建立的刀具切削状态下刀盘坐标系中，毛坯在刀具平面为一短轴轴长为r，长轴长度为r/cosδ的椭圆，即：

x²cos²δ+(y-e)²＝r² (1)。

4.如权利要求3所述的一种面向旋风包络铣削工艺的切削力预测方法，其特征在于，所述计算刀具的切入角度的具体步骤为:

计算刀具进入切削状态的切入点坐标(x₁，y₁):

根据切入点的坐标(x₁，y₁)计算刀具的切入角度：

其中，x₁为切入点横坐标值，y₁切入点纵坐标值，R为刀盘半径，θ₁为切入角。

5.如权利要求4所述的一种面向旋风包络铣削工艺的切削力预测方法，其特征在于，所述计算刀具的最大切削深度点角度的具体步骤为:

计算刀具到达切削深度最大点的坐标(x₂，y₂):

根据切削深度最大点的坐标(x₂，y₂)计算刀具的最大切削深度点角度：

其中，x₂为最大切削深度点横坐标值，y₂最大切削深度点纵坐标值，n₁为工件转速，n₂为刀盘转速，θ₂为最大切削深度点角。

6.如权利要求5所述的一种面向旋风包络铣削工艺的切削力预测方法，其特征在于，所述计算刀具的切出角度的具体步骤为:

计算刀具离开切削状态的切出点坐标(x₃，y₃):

其中，(x_A，y_A)为切入点的y轴对称点，满足：

根据切出点坐标(x₃，y₃)计算刀具的切出角度：

其中，x₃为切入点横坐标值，y₃切入点纵坐标值，x_A为切入点的y轴对称点横坐标值，y_A切入点的y轴对称点纵坐标值，θ₃为切出角。

7.如权利要求6所述的一种面向旋风包络铣削工艺的切削力预测方法，其特征在于，所述切削深度计算步骤包括：

判断切削角θ与切入角θ₁、切出角θ₃和最大切削深度点角θ₂的大小关系或判断刀具切触点与工件待加工表面边界的位置关系；

若θ₁≤θ≤θ₂或刀具切触点位于工件待加工表面边界切入点至最大切削深度点段，该段任意刀具切触点坐标(x_a，y_a)为：

其中，x_b为当前切削刀具的刀盘坐标系中任意刀具切触点横坐标值，y_b为当前切削刀具的刀盘坐标系中任意刀具切触点纵坐标值，

该段的切削深度h₁(θ)为：

若θ₂＜θ≤θ₃或工件待加工表面边界为上一刀具残留轨迹，即上一刀具切削工件椭圆边界最大切削深度点至切入点段的残留轨迹，

在上一刀具切削工件时的相对刀盘坐标系中，计算任意刀具切触点坐标(x_b-1，y_b-1)：

将任意刀具切触点坐标由上一刀具切削工件时的相对刀盘坐标系转换为当前切削刀具的刀盘坐标系，在当前切削刀具的刀盘坐标系中，计算任意刀具切触点坐标(x_b，y_b)：

其中，x_b-1为上一刀具切削工件时的相对刀盘坐标系中任意刀具切触点横坐标值，y_b-1为上一刀具切削工件时的相对刀盘坐标系中任意刀具切触点纵坐标值，κ为∠O₁O_wO，O₁为上一刀具切削工件时的相对刀盘坐标系的原点，O为当前切削刀具的刀盘坐标系的原点，O_w为工件圆心，n₁为工件转速，n₂为刀盘转速，z为刀具数量；

计算刀具切触点角度，即切削角θ，和该段的切削深度h₂(θ)：

8.如权利要求7所述的一种面向旋风包络铣削工艺的切削力预测方法，其特征在于，根据刀具形状和上述计算得到的切削深度，计算刀具加工时未变形切削面积A₀：

其中，r_t为刀具圆弧半径，h为上一步计算的切削深度，b为轴向切削厚度，ψ₁为余偏角，ψ_C为余偏角的上限值；

通过将刀具圆弧刃区微分的微元da进行加权平均，计算得到圆弧刀刃区的等效余偏角ψ₂：

其中，ΔA为参与切削的圆弧刃区微元面积，ψ为微元的余偏角，A₂为参与切削的圆弧刃区面积，r_t为刀具圆弧半径，b为轴向切削厚度，ψ₁为余偏角，ψ_C为余偏角的上限值；

进一步计算整个刀具切削加工区域的等效余偏角ψ_S：

其中，A₀为刀具参与切削加工的总面积即加工时未变形切削面积，A₁为参与切削的直线切削刃区面积，A₂为参与切削的圆弧刃区面积；

根据具加工时未变形切削面积A₀和整个刀具切削加工区域的等效余偏角ψ_S，计算切削力分力：

其中，F_v为切削主切削力，F_f为斜角切削的走刀抗力，F_p为斜角切削的吃刀抗力，τ_s为剪切屈服强度，ω为铣削合力F与剪切面的夹角，为剪切角。

9.一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，其特征在于，所述指令适于由计算终端设备的处理器加载并执行以下处理：

获取工件参数、刀具参数和刀盘参数，确定刀盘与工件相对几何位置，建立刀具切削状态下刀盘坐标系；

在刀盘坐标系下，根据工件参数和旋风铣刀参数，计算刀具的切入角度、切出角度和最大切削深度点角度；

计算刀具切触点相对当前切削刀具的刀盘坐标系的坐标，计算切削深度；

根据刀具形状和上述计算得到的切削深度，计算刀具加工时未变形切削面积；

根据刀具参数，修正刀具余偏角，计算刀具圆弧刃区的等效余偏角，进一步计算整个刀具切削加工区域的等效余偏角；

计算切削力，切削力的分力为斜角切削的走刀抗力和吃刀抗力以及切削主切削力。

10.一种计算终端，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，其特征在于，所述指令适于由处理器加载并执行以下处理：

获取工件参数、刀具参数和刀盘参数，确定刀盘与工件相对几何位置，建立刀具切削状态下刀盘坐标系；

在刀盘坐标系下，根据工件参数和旋风铣刀参数，计算刀具的切入角度、切出角度和最大切削深度点角度；

计算刀具切触点相对当前切削刀具的刀盘坐标系的坐标，计算切削深度；

根据刀具形状和上述计算得到的切削深度，计算刀具加工时未变形切削面积；

根据刀具参数，修正刀具余偏角，计算刀具圆弧刃区的等效余偏角，进一步计算整个刀具切削加工区域的等效余偏角；

计算切削力，切削力的分力为斜角切削的走刀抗力和吃刀抗力以及切削主切削力。