CN110281087B - 一种旋转超声振动磨削切削力预测方法 - Google Patents

一种旋转超声振动磨削切削力预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供一种旋转超声振动磨削切削力预测方法，分别建立塑性流去除模式下第一单磨粒径向切削力模型和脆性断裂去除模式下第二单磨粒径向切削力模型，结合延脆性去除比例系数，得到单磨粒径向切削力模型；考虑旋转超声振动磨削加工过程中工件受单磨粒径向力和摩擦力共同作用，通过计算所有磨粒径向力和摩擦力在主切削力方向上的分力之和，得到主切削力值；最后，引入调节系数C，用于保证延脆性去除比例系数大于0，从而建立切削力F与调节系数C、材料性能参数、刀具参数、超声振动参数及加工参数之间的关系式；本发明提供的切削力预测方法更符合实际加工过程，可以提高旋转超声振动磨削切削力的预测精度。

Description

一种旋转超声振动磨削切削力预测方法
技术领域
本发明实施例涉及旋转超声振动磨削加工技术领域，尤其涉及一种旋转超声振动磨削切削力预测方法。
背景技术
碳纤维复合材料具有比强度高、比模量高、密度小等优异特性，因而在航空航天、汽车、交通等领域得到越来越广泛的应用。虽然这类材料一般为近净成形制造，但为了满足装配过程的加工精度要求，仍然需要进行铣边、钻孔、磨削等二次加工。而碳纤维复合材料中的增强碳纤维和基体树脂具有明显不同的物理、力学性能，导致其具有各向异性和各相分布不连续的特点，使其加工过程易出现诸如纤维断裂、纤维拔出、界面脱粘及层间分层等加工缺陷。旋转超声振动磨削加工是一种将传统磨削加工与超声加工相结合的加工方式，与传统磨削加工相比，具有切削力小、加工损伤少及刀具磨损小等优势，特别适合硬脆材料的加工。
旋转超声振动磨削加工过程中切削力对加工过程的稳定性及表面/亚表面损伤具有重要影响，因此，需要对切削力建立有效预测模型。由于碳纤维复合材料加工过程中是由脆性断裂去除为主，目前切削力预测模型大多数是基于脆性去除模式建立。然而在实际旋转超声振动磨削加工中，单磨粒压入深度随着旋转和进给运动是连续变化的，例如，逆铣条件下在单个加工周期内，压入深度从零逐渐增加到最大，在此过程中，当压入深度从零增加到延脆性转化临界压入深度过程，材料以塑性流动模式去除；当压入深度从延脆性转化临界压入深度增加到最大压入深度过程中，材料以脆性断裂模式去除。因此，实际加工过程中延脆性去除模式同时存在。目前尚缺乏一种同时考虑延脆性去除模式的切削力预测方法。
发明内容
本发明实施例提供一种旋转超声振动磨削切削力预测方法，考虑了实际切削加工过程中塑性流动去除和脆性断裂去除同时存在，实现碳纤维复合材料切削力预测，并且可以为机械加工工艺参数优化提供理论支持。
本发明实施例提供一种旋转超声振动磨削切削力预测方法，包括：
S1，分别建立旋转超声振动磨削加工过程中延性去除模式下的第一单磨粒径向切削力模型和脆性去除模式下的第二单磨粒径向切削力模型；
S2，基于旋转超声振动磨削加工过程中的延脆性去除比例系数；以及所述第一单磨粒径向切削力模型和所述第二单磨粒径向切削力模型，建立单磨粒径向切削力模型；
S3，获取所有单磨粒径向力和摩擦力在主切削力方向上的分力之和，得到主切削力值；并引入调节系数C，以保证延脆性去除比例系数大于0，建立切削力F与调节系数C、材料性能参数、刀具参数、超声振动参数及加工参数之间的关系式，以得到主切削力预测模型，并基于所述主切削力预测模型预测旋转超声振动磨削的主切削力。
作为优选的，建立旋转超声振动磨削加工过程中延性去除模式下的第一单磨粒径向切削力模型，具体包括：
获取延性去除模式下单磨粒在单个超声振动周期内去除材料体积和切削区参与切削的有效磨粒数，以得到微观角度的第一材料去除率；
基于延性去除模式下的切削加工参数获取宏观角度的第二材料去除率；
基于所述第一材料去除率和所述第二材料去除率获取延性去除模式下单磨粒压入深度与切削加工参数的关系；
基于预先得到的延性去除模式下单磨粒径向切削力与单磨粒压入深度之间的关系，建立延性去除模式下的所述单磨粒径向切削力与切削加工参数关联的所述第一单磨粒径向切削力模型。
作为优选的，建立旋转超声振动磨削加工过程中脆性去除模式下的第二单磨粒径向切削力模型，具体包括：
获取脆性去除模式下单磨粒在单个超声振动周期内去除材料体积和切削区参与切削的有效磨粒数，以得到微观角度的第三材料去除率；
基于脆性去除模式下的切削加工参数获取宏观角度的第四材料去除率；
基于所述第三材料去除率和所述第四材料去除率获取脆性去除模式下单磨粒压入深度与切削加工参数的关系；
基于预先得到的脆性去除模式下单磨粒径向切削力与单磨粒压入深度之间的关系，建立脆性去除模式下的所述单磨粒径向切削力与切削加工参数关联的所述第二单磨粒径向切削力模型。
作为优选的，所述切削加工参数包括主轴转速、进给速度、切削宽度和切削深度。
作为优选的，基于旋转超声振动磨削加工过程中的延脆性去除比例系数，具体包括：
基于旋转超声振动磨削加工过程中的切削加工参数获取所述延脆性去除比例系数：
Figure BDA0002090126150000031
kd+kb＝1
上式中，K为延脆性去除比例系数，kd为延性去除比例，kb为脆性去除比例；n为旋转超声振动磨削加工过程中的主轴转速，fr为进给速度，ae为切削宽度；k0，k1，k2，k3为预先得到的不同材料在设定切削加工参数范围内的常数。
作为优选的，所述单磨粒径向切削力模型为：
Figure BDA0002090126150000032
上式中，Fnd为第一单磨粒径向切削力模型，Fnb为第二单磨粒径向切削力模型。
作为优选的，基于所有磨粒的单磨粒径向切削力模型和对应的单磨粒摩擦力建立主切削力预测模型，具体包括：
对旋转超声振动磨削加工过程中工件受单磨粒作用力进行分析，得到工件受径向力和摩擦力的作用；
获取切削区轴向所有磨粒径向切削力和摩擦力在工件垂直于进给方向上的分力之和，基于所述分力之和沿切削区圆周方向积分得到主切削力值，并引入调节系数C，以使延脆性去除比例系数大于0，而建立切削力F与调节系数C、材料性能参数、刀具参数、超声振动参数及加工参数之间的关系式，以得到主切削力预测模型。
作为优选的，基于旋转超声振动磨削加工过程中的延脆性去除比例系数，具体包括：
通过开展旋转超声振动磨削单因素试验，通过测力仪测量各加工参数条件下的切削力，代入主切削力表达式，分别得到各加工参数对应的延脆性去除比例系数K值，进而计算得到多组k1，k2,和k3，计算各参数平均值；将计算结果代入到延脆性去除比例系数K表达式中，计算得到多组k0，取平均值作为最终k0值；将计算得到的各参数平均值代入K表达式中，得到最终延脆性去除比例系数K的表达。
本发明实施例提供的一种旋转超声振动磨削切削力预测方法，同时考虑塑性流去除和脆性断裂去除，更符合实际切削加工过程；引入延脆性去除比例系数K，用于计算延性去除比例和脆性去除比例；对旋转超声振动磨削侧面磨粒进行受力分析，考虑了摩擦力作用，通过所有磨粒径向力和摩擦力在主切削力方向上的分力之和计算主切削力值，更符合实际加工过程。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为根据本发明实施例的旋转超声振动磨削切削力预测方法框图；
图2为根据本发明实施例的旋转超声振动磨削示意图；
图3为根据本发明实施例的旋转超声振动磨削切削力预测方法具体流程示意图；
图4为根据本发明实施例的旋转超声振动磨削加工过程中工件受力分析示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
旋转超声振动磨削加工是一种将传统磨削加工与超声加工相结合的加工方式，与传统磨削加工相比，具有切削力小、加工损伤少及刀具磨损小等优势，特别适合硬脆材料的加工。
旋转超声振动磨削加工过程中切削力对加工过程的稳定性及表面/亚表面损伤具有重要影响，因此，需要对切削力建立有效预测模型。由于碳纤维复合材料加工过程中是由脆性断裂去除为主，目前切削力预测模型大多数是基于脆性去除模式建立。然而在实际旋转超声振动磨削加工中，单磨粒压入深度随着旋转和进给运动是连续变化的，例如，逆铣条件下在单个加工周期内，压入深度从零逐渐增加到最大，在此过程中，当压入深度从零增加到延脆性转化临界压入深度过程，材料以塑性流动模式去除；当压入深度从延脆性转化临界压入深度增加到最大压入深度过程中，材料以脆性断裂模式去除。因此，实际加工过程中延脆性去除模式同时存在。在本实施例中，分别基于延性去除模式下的单磨粒径向切削力和脆性去除模式下的单磨粒径向切削力，结合旋转超声振动磨削加工过程中的延脆性去除比例系数，建立单磨粒径向切削力模型，并结合单磨粒摩擦力建立主切削力预测模型，基于所述主切削力预测模型预测旋转超声振动磨削的主切削力。本发明具有以下优点：同时考虑塑性流去除和脆性断裂去除，更符合实际切削加工过程；引入延脆性去除比例系数K，用于计算延性去除比例和脆性去除比例；对旋转超声振动磨削侧面磨粒进行受力分析，考虑了摩擦力作用，通过所有磨粒径向力和摩擦力在主切削力方向上的分力之和计算主切削力值，更符合实际加工过程。
以下将通过实施例进行展开说明和介绍。
图1为根据本发明实施例的一种旋转超声振动磨削切削力预测方法框图，该方法包括：
S1，分别建立旋转超声振动磨削加工过程中延性去除模式下的第一单磨粒径向切削力模型和脆性去除模式下的第二单磨粒径向切削力模型；
S2，基于旋转超声振动磨削加工过程中的延脆性去除比例系数；以及所述第一单磨粒径向切削力模型和所述第二单磨粒径向切削力模型，建立单磨粒径向切削力模型；
S3，获取所有单磨粒径向力和摩擦力在主切削力方向上的分力之和，得到主切削力值；并引入调节系数C，以保证延脆性去除比例系数大于0，建立切削力F与调节系数C、材料性能参数、刀具参数、超声振动参数及加工参数之间的关系式，以得到主切削力预测模型，并基于所述主切削力预测模型预测旋转超声振动磨削的主切削力。
在上述实施例的基础上，S1，分别建立旋转超声振动磨削加工过程中延性去除模式下的第一单磨粒径向切削力模型和脆性去除模式下的第二单磨粒径向切削力模型；
在本实施例中，提供一种旋转超声振动磨削切削力预测方法，适应于碳纤维增强复合材料、陶瓷类等脆性材料的旋转超声振动磨削加工，本实施例以碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic，CFRP)层合板为试验试件，材料性能参数如表1所示；所用刀具为柱形金刚石磨粒刀具，刀具参数如表2所示；具体加工方式如图2所示，刀具随主轴旋转并沿轴向(z向)作超声振动，工件沿y反方向作进给运动，本实施例采用顺铣加工方式。
表1 CFRP复合材料性能参数表
密度(ρ) 1.6g/cm<sup>3</sup>
泊松比(ν) 0.33
弹性模量(E<sub>2</sub>) 13GPa
压缩强度(σ<sub>y</sub>) 1600MPa
树脂断裂韧性(G<sub>c</sub>) 500J/m<sup>2</sup>
碳纤维断裂韧性(G<sub>f</sub>) 2J/m<sup>2</sup>
碳纤维体积分数(V％) 67％
铺层方向(°) 0°,45°,90°,135°
表2金刚石磨粒刀具参数表
Figure BDA0002090126150000061
Figure BDA0002090126150000071
如图3中所示，建立旋转超声振动磨削加工过程中延性去除模式下的第一单磨粒径向切削力模型，具体包括：
获取延性去除模式下单磨粒在单个超声振动周期内去除材料体积和切削区参与切削的有效磨粒数，以得到微观角度的第一材料去除率；
基于延性去除模式下的切削加工参数获取宏观角度的第二材料去除率；
基于所述第一材料去除率和所述第二材料去除率获取延性去除模式下单磨粒压入深度与切削加工参数的关系；
基于预先得到的延性去除模式下单磨粒径向切削力与单磨粒压入深度之间的关系，建立延性去除模式下的所述单磨粒径向切削力与切削加工参数关联的所述第一单磨粒径向切削力模型。
在本实施例中，作为一种优选的实施方式，如图3中所示，延性去除模式下的单磨粒径向切削力模型：
Fnd＝σy·B (1)
上式(1)中，σy为CFRP复合材料压缩强度，B为磨粒与工件接触面在工件上的投影面积。因此，Fnd可转换为：
Fnd＝π·σy·(2·r·σd-σd 2) (2)
上式(2)中，δd为延性去除模式下单磨粒压入深度。
本实施例中，还需要获取延性去除模式下单磨粒压入深度δd和加工参数之间的关系表达式，从微观角度分析，首先，基于单磨粒运动学分析，计算单磨粒在单个超声振动周期内去除材料体积为：
Figure BDA0002090126150000072
上式(3)中，n为旋转超声振动磨削加工过程中的主轴转速；R为刀具半径；f为超声振动频率；A为超声振幅。
切削区参与切削的总磨粒数为：
Figure BDA0002090126150000073
上式(4)中，ρ为金刚石密度；r为单磨粒半径；Cα为磨粒浓度；A0为切削区面积；ap为切削深度；ae为切削宽度；C1为常数，C1＝7×10-7。
材料去除率为单位时间内所有有效磨粒去除材料总体积，实际切削过程中，不是所有磨粒均参与切削，因此，引入常数系数k，k取0.5，得到微观角度材料去除率为：
MRR＝k·Nα·f·Vg (5)
基于上述各式，可得延性去除模式下材料去除率为：
Figure BDA0002090126150000081
从宏观角度分析，考虑切削加工参数(进给速度fr、切削宽度ae和切削深度ap)计算延性去除模式下材料去除率，得到宏观角度材料去除率表达式：
MMR＝fr·ae·ap (7)
由微观角度材料去除率和宏观角度材料去除率相等，得到延性去除模式下单磨粒压入深度和加工参数之间的关系表达式：
Figure BDA0002090126150000082
基于式(2)和式(8)，得到延性去除模式下的所述单磨粒径向切削力与切削加工参数关联的所述第一单磨粒径向切削力模型
在上述各实施例的基础上，如图3中所示，建立旋转超声振动磨削加工过程中脆性去除模式下的第二单磨粒径向切削力模型，具体包括：
获取脆性去除模式下单磨粒在单个超声振动周期内去除材料体积和切削区参与切削的有效磨粒数，以得到微观角度的第三材料去除率；
基于脆性去除模式下的切削加工参数获取宏观角度的第四材料去除率；
基于所述第三材料去除率和所述第四材料去除率获取脆性去除模式下单磨粒压入深度与切削加工参数的关系；
基于预先得到的脆性去除模式下单磨粒径向切削力与单磨粒压入深度之间的关系，建立脆性去除模式下的所述单磨粒径向切削力与切削加工参数关联的所述第二单磨粒径向切削力模型。
在本实施例中，作为一种优选的实施方式，脆性去除模式下的单磨粒径向切削力模型：
Figure BDA0002090126150000091
式中，Fnb为第二单磨粒径向切削力模型；E为CFRP的弹性模型；υ为泊松比；r为单磨粒半径；δb为脆性去除模式下单磨粒压入深度。
在上述各实施例的基础上，所述切削加工参数包括主轴转速、进给速度和切削宽度。
建立脆性去除模式下单磨粒压入深度δb和加工参数之间的关系表达式。结合脆性断裂去除行为，重复上述实施例式(2)～(8)中步骤的方法，计算在单个超声振动周期内去除材料体积和切削区参与切削的有效磨粒数，进而得到微观角度的材料去除率表达式；从宏观角度考虑切削加工参数(进给速度、切削宽度和切削深度)计算脆性去除模式下材料去除率，得到宏观角度材料去除率表达式；由微观角度材料去除率和宏观角度材料去除率相等，得到脆性去除模式下单磨粒压入深度δb和加工参数之间的关系表达式：
Figure BDA0002090126150000092
上式(10)中，Kv为断裂体积系数，可由压痕试验获得；Kc为CFRP复合材料断裂韧性，可由基体树脂和增强体碳纤维参数计算得到。
基于上式(9)和式(10)，得到脆性去除模式下单磨粒径向切削力Fnb与加工参数之间的关系表达式，即第二单磨粒径向切削力模型。
S2，基于旋转超声振动磨削加工过程中的延脆性去除比例系数K；以及所述第一单磨粒径向切削力模型和所述第二单磨粒径向切削力模型，建立单磨粒径向切削力Fn模型；
考虑到单磨粒从切入到切出过程中同时包含延性去除和脆性去除，单磨粒径向切削力由延性去除模式下径向切削力Fnd和脆性去除模式下径向切削力Fnb乘以各自所占比例之和，即Fn＝kdFnd+kbFnb，其中，kd为延性去除比例，kb为脆性去除比例；
考虑到旋转超声振动加工碳纤维复合材料过程中延脆性去除比例与切削加工参数相关，如主轴转速n、进给速度fr和切削宽度ae，引入延脆性去除比例系数K：
Figure BDA0002090126150000101
kd+kb＝1 (12)
上式中，K为延脆性去除比例系数，kd为延性去除比例，kb为脆性去除比例；n为旋转超声振动磨削加工过程中的主轴转速，fr为进给速度，ae为切削宽度；k0，k1，k2，k3对于特定材料在一定加工参数范围内为常数。
在上述各实施例的基础上，延性去除比例kd和脆性去除比例kb表达式可以由式(11)(12)计算得到，将计算得到的延性去除比例kd和脆性去除比例kb表达式代入上述步骤中单磨粒径向切削力表达式中，得到单磨粒径向切削力表达式：
Figure BDA0002090126150000102
上式中，Fnd为第一单磨粒径向切削力模型，Fnb为第二单磨粒径向切削力模型。
S3，计算所有磨粒径向力和摩擦力在主切削力方向上的分力之和，得到主切削力值；引入调节系数C，用于保证延脆性去除比例系数大于0，从而建立切削力F与调节系数C、材料性能参数、刀具参数、超声振动参数及加工参数之间的关系式，并基于所述主切削力预测模型预测旋转超声振动磨削的主切削力。
对旋转超声振动磨削加工过程中工件受单磨粒作用力进行分析，得到工件受径向力和摩擦力的作用；
获取切削区轴向所有单磨粒径向切削力和单磨粒摩擦力在垂直于进给方向上的分力之和，并基于所述分力之和沿切削区圆周方向积分得到主切削力预测模型。此外，为了保证K>0，引入调节系数C，从而建立切削力F与调节系数C、材料性能参数、刀具参数、超声振动参数及加工参数之间的关系式。
在本实施例中，作为一种优选的实施方式，首先，对旋转超声振动磨削加工过程中工件受单磨粒作用力进行分析，如图4所示，工件受径向力Fn和摩擦力Ffriction的作用，其中摩擦力Ffriction沿磨粒运动轨迹切线方向，其值为：
Ffriction＝μ·Fn (14)
上式中，μ为摩擦系数。
将摩擦力Ffriciton沿纵向和横向分解为Ffv和Ffh，如图4(a)所示，其中横向的分力Ffh方向为刀具圆周的切线方向，如图4(b)中所示，其值为：
Ffh＝Ffriction·cosβ (15)
由于超声振动幅值远小于振动周期长度，β取值近似为0，即：
Ffh＝Ffriction (16)
然后，计算切削区轴向所有磨粒的径向力Fnd和摩擦力Ffh在x方向上的分力之和为Fl：
Figure BDA0002090126150000111
上式中，
Figure BDA0002090126150000112
为单磨粒径向力方向与进给方向夹角的余角。
其中切削区轴向磨粒数Nl为：
Figure BDA0002090126150000113
其中，C2＝8.4×10-4。
最后，主切削力Fx可由Fl沿圆周方向积分获得，此外，为了保证K>0引入调节系数C，从而建立切削力Fx与调节系数C、材料性能参数、刀具参数、超声振动参数及加工参数之间的关系式：
Figure BDA0002090126150000114
其中，
Figure BDA0002090126150000115
得到最终切削力预测模型：
Figure BDA0002090126150000116
在本实施例中，延脆性去除比例系数K表达式基于试验获得。通过开展旋转超声振动磨削单因素试验，测量各加工参数条件下的切削力，代入切削力表达式，分别得到各加工参数对应的延脆性去除比例系数K值，进而计算得到多组k1，k2和k3，计算各参数平均值；将计算结果代入到延脆性去除比例系数K表达式中，计算得到多组k0，取平均值作为最终k0值；将计算得到的各参数平均值代入K表达式中，得到最终延脆性去除比例系数K的表达式，进而得到最终的切削力预测公式。
本实施例中，通过如图2所示的旋转超声振动磨削方式，开展CFRP复合材料的加工试验，利用测力仪Kistler 9257B获取实际切削力，本实施例采用单因素试验，试验切削加工参数如表3所示。
表3本发明实施例的试验切削加工参数表
Figure BDA0002090126150000121
为了保证K>0，调节系数C取值为4，将试验获得的切削力值、调节系数C、材料性能参数、刀具参数、超声振动参数及加工参数代入切削力表达式，得到15组K值，进而计算得到多组k1，k2,和k3，计算各参数平均值分别为0.9，-0.63，-0.77，进而计算得到k0平均值为0.005，因此，得到K的最终表达式为：
K＝0.005·n0.9·fr -0.63·ae -0.77
将K的表达式代入切削力公式中，即可得到最终的切削力预测公式。。
综上所述，本发明实施例提供的一种旋转超声振动磨削切削力预测方法，分别基于延性去除模式下的单磨粒径向切削力和脆性去除模式下的单磨粒径向切削力，结合旋转超声振动磨削加工过程中的延脆性去除比例系数，建立单磨粒径向切削力模型，并结合单磨粒摩擦力建立主切削力预测模型，基于所述主切削力预测模型预测旋转超声振动磨削的主切削力。本发明具有以下优点：同时考虑塑性流去除和脆性断裂去除，更符合实际切削加工过程；引入延脆性去除比例系数K，用于计算延性去除比例和脆性去除比例；对旋转超声振动磨削侧面磨粒进行受力分析，考虑了摩擦力作用，通过所有磨粒径向力和摩擦力在主切削力方向上的分力之和计算主切削力值，更符合实际加工过程。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种旋转超声振动磨削切削力预测方法，其特征在于，包括：
S1，分别建立旋转超声振动磨削加工过程中延性去除模式下的第一单磨粒径向切削力模型和脆性去除模式下的第二单磨粒径向切削力模型；
S2，基于旋转超声振动磨削加工过程中的延脆性去除比例系数以及所述第一单磨粒径向切削力模型和所述第二单磨粒径向切削力模型，建立单磨粒径向切削力模型；
S3，基于主切削力预测模型预测旋转超声振动磨削的主切削力；
基于所有磨粒的单磨粒径向切削力模型和对应的单磨粒摩擦力建立主切削力预测模型，具体包括：
对旋转超声振动磨削加工过程中工件受单磨粒作用力进行分析，得到工件受径向力和摩擦力的作用；
获取切削区刀具轴向所有磨粒径向切削力和摩擦力在工件垂直于进给方向上的分力之和，基于所述分力之和沿切削区圆周方向积分得到主切削力值，并引入调节系数C，以使延脆性去除比例系数大于0，建立主切削力与调节系数C、材料性能参数、刀具参数、超声振动参数及加工参数之间的关系式，以得到主切削力预测模型；
获取旋转超声振动磨削加工过程中的延脆性去除比例系数，具体包括：
基于旋转超声振动磨削加工过程中的切削加工参数获取所述延脆性去除比例系数：
Figure FDA0002914701960000011
kd+kb＝1
上式中，K为延脆性去除比例系数，kd为延性去除比例，kb为脆性去除比例；n为旋转超声振动磨削加工过程中的主轴转速，fr为进给速度，ae为切削宽度；k0，k1，k2，k3为预先得到的不同材料在设定切削加工参数范围内的常数。
2.根据权利要求1所述的旋转超声振动磨削切削力预测方法，其特征在于，建立旋转超声振动磨削加工过程中延性去除模式下的第一单磨粒径向切削力模型，具体包括：
获取延性去除模式下单磨粒在单个超声振动周期内去除材料体积和切削区参与切削的有效磨粒数，以得到微观角度的第一材料去除率；
基于延性去除模式下的切削加工参数获取宏观角度的第二材料去除率；
基于所述第一材料去除率和所述第二材料去除率获取延性去除模式下单磨粒压入深度与切削加工参数的关系；
基于预先得到的延性去除模式下单磨粒径向切削力与单磨粒压入深度之间的关系，建立延性去除模式下的所述单磨粒径向切削力与切削加工参数关联的所述第一单磨粒径向切削力模型。
3.根据权利要求1所述的旋转超声振动磨削切削力预测方法，其特征在于，建立旋转超声振动磨削加工过程中脆性去除模式下的第二单磨粒径向切削力模型，具体包括：
获取脆性去除模式下单磨粒在单个超声振动周期内去除材料体积和切削区参与切削的有效磨粒数，以得到微观角度的第三材料去除率；
基于脆性去除模式下的切削加工参数获取宏观角度的第四材料去除率；
基于所述第三材料去除率和所述第四材料去除率获取脆性去除模式下单磨粒压入深度与切削加工参数的关系；
基于预先得到的脆性去除模式下单磨粒径向切削力与单磨粒压入深度之间的关系，建立脆性去除模式下的所述单磨粒径向切削力与切削加工参数关联的所述第二单磨粒径向切削力模型。
4.根据权利要求2或3所述的旋转超声振动磨削切削力预测方法，其特征在于，所述切削加工参数包括主轴转速、进给速度、切削宽度和切削深度。
5.根据权利要求1所述的旋转超声振动磨削切削力预测方法，其特征在于，所述单磨粒径向切削力模型为：
Figure FDA0002914701960000021
上式中，Fnd为第一单磨粒径向切削力模型，Fnb为第二单磨粒径向切削力模型。
6.根据权利要求1所述的旋转超声振动磨削切削力预测方法，其特征在于，获取旋转超声振动磨削加工过程中的延脆性去除比例系数，具体包括：
通过开展旋转超声振动磨削单因素试验，通过测力仪测量各加工参数条件下的切削力，代入主切削力表达式，分别得到各加工参数对应的延脆性去除比例系数K值，进而计算得到多组k1，k2,和k3，计算各参数平均值；将计算结果代入到延脆性去除比例系数K表达式中，计算得到多组k0，取平均值作为最终k0值；将计算得到的各参数平均值代入K表达式中，得到最终延脆性去除比例系数K的表达式；所述主切削力表达式为主切削力与调节系数C、材料性能参数、刀具参数、超声振动参数及加工参数之间的关系式。
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