CN111633468A - 基于切削力的圆刃口刀具接触情况确定方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供基于切削力的圆刃口刀具接触情况确定方法及装置，方法包括：步骤1.建立圆刃口刀具切削过程死区几何模型，描述圆刃口处接触行为和接触节点；步骤1‑1.在圆刃口刀具切削过程，描述完整的犁耕过程，建立死区几何模型；步骤1‑2.确定关键接触节点S₁，S₃的位置；步骤1‑3.确定接触节点S₂处的接触特征；步骤2.基于接触行为建立切削力模型；步骤2‑1.建立基于接触节点的接触应力分布模型；步骤2‑2.基于接触应力建立切削力模型；步骤3.基于切削力数据确定切削模型未知参数；步骤3.基于切削力数据确定切削模型未知参数。本发明解决了切削力模型忽略刃口半径的问题，能够准确有效地确定圆刃口刀具的真实接触情况。

Description

基于切削力的圆刃口刀具接触情况确定方法及装置

技术领域

本发明属于金属高精加工领域，具体涉及基于切削力的圆刃口刀具接触情况确定方法及装置。

技术背景

高精加工以及难加工材料加工领域，过大的切削力和切削热导致刀具过度磨损，以至降低刀具寿命，破坏工件表面质量。刀具圆刃口的引入可有效降低刀具磨损，并且自1960年学者提出加工过程中的犁耕效应以来，考虑圆刃口的切削过程力热建模和仿真一直是切削研究的热点和难点。

部分学者致力于从材料变形的角度定义工件的剪切和犁耕作用，试图用滑移线去模拟复杂的材料变形行为，但是太过简化的滑移线场模型导致切削力模型缺乏真实性。其他学者则从刀工接触的角度定义圆刃口处的刀工接触行为。但是，都无法在圆形接触情况下建立合适的正应力模型，准确确定圆刃口刀具接触情况始终是研究难题。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于切削力的圆刃口刀具接触情况确定方法及装置，具体采用了以下方案：

<方法>

如图1所示，本发明提供了一种基于切削力的圆刃口刀具接触情况确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.建立圆刃口刀具切削过程死区几何模型，同时描述基于材料变形的圆刃口处接触行为和接触节点；

步骤1-1.在圆刃口刀具切削过程，描述完整的犁耕过程，同时建立死区几何模型；将金属切削过程中，刀具圆刃口处的那部分与刀具之间的相对速度为0的工件材料称为死区结构；

步骤1-2.确定关键接触节点S₁，S₃的位置

S₁,S₃点性质相似，为死区结构的两个结束位置，在S₁,S₃点处金属材料发生了剪切变形，剪切应变无限大，具体如公式1：

λ＝cot∠s₁s′₁s″₁+cot∠s₁s″₁s′₁＝∞ 公式1

式中，λ表示总的剪切应变，其中∠s₁s′₁s″₁和∠s₁s″₁s′₁的具体表示如公式2：

式中，β表示摩擦角，具体模型如公式3，w₁的具体模型如公式4：

μ＝tanβ 公式3

α_e和圆心角α_si之间关系如公式5：

综合公式7～11，可得出S₁点和S₃点处的圆心角α_s1和α_s3的大小，进而得到S₁点和S₃点在圆刃口上的具体位置；

步骤1-3.基于有限元仿真模型确定接触节点S₂处的接触特征

在S₂节点处具体接触行为如公式6示意：

式中，

表示在S₂点处的圆心角，

表示S₂点处的正应力，

表示S₂点处的切应力；

步骤2.基于接触行为建立切削力模型

步骤2-1.建立基于接触节点的接触应力分布模型

将圆刃口与前刀面的接触节点记为S₄，S₄点的圆心角与刀具前角的关系定于如公式7：

圆刃口处的正应力与圆心角的函数关系为：

接触正应力模型为：

切应力行为模型为：

式中，r表示前角，α_si表示圆刃口处圆心角，i＝1～4中整数，l_c表示前刀面接触长度，c_k，n，μ，σ分别表示模型参数；

将前刀面和切屑接触的结束节点记为S₅，该点S₅由前刀面接触长度l_c确定；

步骤2-2.基于接触应力建立切削力模型

五个接触节点S₁～S₅将整个接触区域分为三个区域，分别为m，r，c区域，以接触行为为基础，总切削力模型如公式11：

步骤3.基于切削力数据确定切削模型未知参数。

本发明提供的基于切削力的圆刃口刀具接触情况确定方法中，步骤3包括如下子步骤：

步骤3-1.多种未变形切厚和刃口半径下的切削力实验过程

通过切削实验获得切削力值和对应的切削刀具结构参数以及切削参数；

步骤3-2.切削模型未知参数反求

采用布谷鸟智能算法确定切削力模型中的两个未知参数c₁,c₂，这两个参数代表着圆刃口处接触正应力模型的模型参数，优化目标为模型切削力和实验切削力之间的误差最小：

s＝|F_tex-F_t|+|F_fex-F_f| 公式12

公式中，F_tex,F_fex分别表示实验测得的切削方向力和进给方向力。

本发明提供的基于切削力的圆刃口刀具接触情况确定方法中，m，r，c三个区域的切削力分别如公式13,14,15所示：

<装置>

进一步，本发明还提供了一种基于切削力的圆刃口刀具接触情况确定装置，其特征在于，包括：

死区建模部，描述圆刃口刀具完整的犁耕过程，并建立切削过程死区几何模型，将金属切削过程中，刀具圆刃口处的那部分与刀具之间的相对速度为0的工件材料称为死区结构；

S₁和S₃位置确定部，基于如下公式1至5得出S₁点和S₃点处的圆心角α_s1和α_s3的大小，进而确定死区结构的两个结束节点S₁,S₃的位置；

λ＝cot∠s₁s′₁s″₁+cot∠s₁s″₁s′₁＝∞ 公式1

μ＝tanβ 公式3

式中，λ表示总的剪切应变，β表示摩擦角；

S₂位置确定部，基于如下公式6得出S₂点处的圆心角α_s2的大小，进而确定接触节点S₂的位置；

式中，

表示在S₂点处的圆心角，

表示S₂点处的正应力，

表示S₂点处的切应力；

接触应力建模部，建立基于接触节点的接触应力分布模型，将圆刃口与前刀面的接触节点记为S₄，S₄点的圆心角如公式7：

圆刃口处的正应力与圆心角的函数关系为：

接触正应力模型为：

切应力行为模型为：

式中，r表示前角，α_si表示圆刃口处圆心角，i＝1～4中整数，l_c表示前刀面接触长度，c_k,n,μ,σ分别表示模型参数；

将前刀面和切屑接触的结束节点记为S₅，该点S₅由前刀面接触长度l_c确定；

切削力建模部，五个接触节点S₁～S₅将整个接触区域分为为m，r，c三个区域，以接触行为为基础，总切削力模型如公式11：

模型参数确定部，基于切削力数据确定切削模型未知参数；以及

控制部，与死区建模部、S₁和S₃位置确定部、S₂位置确定部、接触应力建模部、切削力建模部、模型参数确定部均通信相连，控制它们的运行。

本发明提供的基于切削力的圆刃口刀具接触情况确定装置，还可以具有以下特征：

模型参数确定部通过切削实验获得切削力值和对应的切削刀具结构参数以及切削参数，然后采用布谷鸟智能算法确定切削力模型中的两个未知参数c₁,c₂，优化目标为模型切削力和实验切削力之间的误差最小：

s＝|F_tex-F_t|+|F_fex-F_f| 公式12

式中，F_tex,F_fex分别表示实验测得的切削方向力和进给方向力。

本发明提供的基于切削力的圆刃口刀具接触情况确定装置，还可以具有以下特征：在切削力建模部中，m，r，c三个区域的切削力分别如公式13,14,15所示：

本发明提供的基于切削力的圆刃口刀具接触情况确定装置，还可以包括：输入显示部，与死区建模部、S₁和S₃位置确定部、S₂位置确定部、接触应力建模部、切削力建模部、模型参数确定部、控制部均通信相连，基于输入的操作指令显示出相应的信息。

本发明提供的基于切削力的圆刃口刀具接触情况确定装置，还可以具有以下技术特征：输入显示部，显示出圆刃口刀具的模型图，并在该模型图的上显示出确定的S₁～S₅的具体位置和圆心角大小，还标示出死区结构，并显示相应位置处材料的变形情况和接触行为，圆刃口区域的正应力分布和切应力分布曲线，以及接触区域的分区情况。

发明的作用与效果

本发明将死区几何的假设引入刀工接触行为的探究，确定摩擦双区行为，进一步确定多个接触特征点，借用离散化方法建立接触力模型，最后反向确定刀工接触行为参数，重点借用工件材料分离行为确定了工件已加工表面和切屑之间的分离点，同时采用抛物线模型拟合圆刃口处的正向接触应力，确定了圆刃口处复杂的接触行为和接触参数，探索了圆刃口半径影响下的切削力模型，解决了切削力模型忽略刃口半径的问题，能够更加准确有效地确定圆刃口刀具的真实接触情况。通过本发明，可建立不同切削情况下刃口半径和切削力大小的关系，进而确定合适的刃口尺寸，合适的刃口半径选择可以有效减小切削过程载荷大小，进而减少刀具磨损，提高加工效率。本发明提供的方法为技术人员在实际加工中圆刃口半径的选择提供了参考，具有较强的实际指导意义。

附图说明

图1为本发明所涉及的基于切削力的圆刃口刀具接触情况确定方法的流程图；

图2为本发明所涉及的关键接触节点的示意图；

图3为本发明所涉及的圆刃口处接触节点几何参数的示意图；

图4为本发明所涉及的死区节点(S₁,S₃)处的材料变形情况的示意图；

图5为本发明所涉及的基于abaqus仿真的S₂节点处的接触行为的示意图；

图6为本发明所涉及的圆刃口处接触行为(包括接触切应力和接触正应力)的模型设置图；

图7为本发明所涉及的本发明不同接触区域的分区图；

图8为本发明所涉及的实验力和解析力的对比分析图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明涉及的基于切削力的圆刃口刀具接触情况确定方法进行详细地说明。

<实施例>

如图1所示，本实施例所提供的基于切削力的圆刃口刀具接触情况确定方法包括以下步骤：

步骤1.建立圆刃口刀具切削过程死区几何模型，同时描述基于材料变形的圆刃口处接触行为和接触节点；

步骤1-1.在圆刃口刀具切削过程，描述完整的犁耕过程，同时建立死区几何模型；将金属切削过程中，刀具圆刃口处的那部分与刀具之间的相对速度为0的工件材料称为死区结构。具体死区结构如图2所示，由于死区的存在，导致刀具工件之间的接触区别于经典切削模型，显示出S₁到S₅五个节点。

步骤1-2.基于最小能量原理确定关键接触节点S₁，S₃的位置

S₁,S₃点性质相似，为死区结构的两个结束位置，如图3所示，在S₁,S₃点处金属材料发生了剪切变形，如图4所示，剪切应变无限大，具体如公式1：

λ＝cot∠s₁s′₁s″₁+cot∠s₁s″₁s′₁＝∞ 公式1

式中，λ表示总的剪切应变，其中∠s₁s′₁s″₁和∠s₁s″₁s′₁的具体表示如公式2：

式中，β表示摩擦角，具体模型如公式3，w₁的具体模型如公式4：

μ＝tanβ 公式3

α_e和圆心角α_si之间关系如公式5：

综合公式7-11，可得出S₁点和S₃点处的圆心角α_s1和α_s3的大小，进而得到S₁点和S₃点的在圆刃口上的具体位置。

步骤1-3.基于有限元仿真模型确定接触节点S₂处的接触特征

如图5所示，通过ABAQUS二维正交切削仿真可以发现，在S₂节点处正应力达到最高，切应力为0，在S₂节点处具体接触行为如公式6示意：

式中，

表示在S₂点处的圆心角，

表示S₂点处的正应力，

表示S₂点处的切应力。

步骤2.基于接触行为建立切削力模型

步骤2-1.建立基于接触节点的接触应力分布模型

圆刃口刀具切削过程中，基于S₁～S₅五个节点的接触模型具体如图6所示。这些节点将整个接触区域分为三个区域，如图7所示，分别为m，r，c区域，将圆刃口与前刀面的接触节点记为S₄，该点S₄的圆心角如公式7：

a.圆刃口接触区域：

此时圆心角

圆刃口接触区域的接触正应力如公式2所示。更近一步地，S₂点将整个圆刃口接触区域分为两个部分。当圆心角

定义为接触区域m，在此区域内，摩擦角β<0。同时需要指出的是由于死区的存在，结合库伦摩擦定律，导致切应力分布存在两种情况：

其中

表示S₁点处剪切应力，具体模型如公式9所示：

当圆心角

时，定义为接触区域r，在此区域内，摩擦角β>0。同上可知，切应力分布如公式10示意：

其中

表示S₁点处剪切应力，具体模型如公式11：

除此之外，根据正应力曲线的对称性可知

b.前刀面接触区域:

当圆心角

时，是前刀面接触区域，定义为接触区域c。在此基础上，接触切应力如公式12所示：

τ_c(l)＝μσ₂ 公式12

步骤2-2.基于接触应力建立切削力模型

m，r，c区域的切削力分别如公式13,14,15所示：

总的切削力为三个接触分力的总和，总切削力模型如公式16：

步骤3.基于切削力数据确定切削模型未知参数

步骤3-1.多种未变形切厚和刃口半径下的切削力实验过程

通过切削实验获得切削力值和对应的切削刀具结构参数以及切削参数。本实施例所用的实验数据来自学者C.-F.Wyen进行的正交切削实验，切削金属材料为钛合金，具体实验设置参数以及相应的切削力数据如下表1。切削速度设置为70m/min，切削厚度为1mm。

表1

步骤3-2.切削模型未知参数反求

采用布谷鸟智能算法确定切削力模型中的两个未知参数c₁,c₂，这两个参数代表着圆刃口处接触正应力模型的模型参数，优化目标为模型切削力和实验切削力之间的误差最小：

s＝|F_tex-F_t|+|F_fex-F_f| 公式17

公式中，F_tex,F_fex分别表示实验测得的切削方向力和进给方向力。

为了验证采用方法的精确性和适用性，本实施例将接触模型应用于切削力建模，并且将解析值和实验值进行对比，对比结果如图8示意显示了本次所用模型具有很高的精确性。本实施例提出了以研究圆刃口刀具切削过程中刀工接触为基础，提供了一个完善的考虑到圆刃口半径的切削力模型。通过本方法，可建立不同切削情况下刃口半径和切削力大小的关系。合适的刃口半径选择可以有效减小切削过程载荷大小，进而减少刀具磨损，提高加工效率。本次发明提供的方法为技术人员在实际加工中圆刃口半径的选择提供了参考，具有较强的实际指导意义。

以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的基于切削力的圆刃口刀具接触情况确定方法，并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。

Claims (8)

1.一种基于切削力的圆刃口刀具接触情况确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.建立圆刃口刀具切削过程死区几何模型，同时描述基于材料变形的圆刃口处接触行为和接触节点；

步骤1-1.在圆刃口刀具切削过程，描述完整的犁耕过程，同时建立死区几何模型；将金属切削过程中，刀具圆刃口处的那部分与刀具之间的相对速度为0的工件材料称为死区结构；

步骤1-2.确定关键接触节点S₁，S₃的位置

S₁,S₃点性质相似，为死区结构的两个结束位置，在S₁,S₃点处金属材料发生了剪切变形，剪切应变无限大，具体如公式1：

λ＝cot∠s₁s₁'s″₁+cot∠s₁s″₁s′₁＝∞ 公式1

式中，λ表示总的剪切应变，其中∠s₁s′₁s″₁和∠s₁s″₁s′₁的具体表示如公式2：

式中，β表示摩擦角，具体模型如公式3，w₁的具体模型如公式4：

μ＝tanβ 公式3

α_e和圆心角α_si之间关系如公式5：

综合公式7-11，可得出S₁点和S₃点处的圆心角α_s1和α_s3的大小，进而得到S₁点和S₃点的在圆刃口上的具体位置；

步骤1-3.基于有限元仿真模型确定接触节点S₂处的接触特征

在S₂节点处具体接触行为如公式6示意：

式中，

表示在S₂点处的圆心角，

表示S₂点处的正应力，

表示S₂点处的切应力；

步骤2.基于接触行为建立切削力模型

步骤2-1.建立基于接触节点的接触应力分布模型

将圆刃口与前刀面的接触节点记为S₄，S₄点的圆心角如公式7：

圆刃口处的正应力与圆心角的函数关系为：

接触正应力模型为：

切应力行为模型为：

式中，r表示前角，α_si表示圆刃口处圆心角，i＝1～4中整数，l_c表示前刀面接触长度，c_k,n,μ,σ分别表示模型参数；

将前刀面和切屑接触的结束节点记为S₅，该点S₅由前刀面接触长度l_c确定；

步骤2-2.基于接触应力建立切削力模型

五个接触节点S₁～S₅将整个接触区域分为三个区域，分别为m，r，c区域，以接触行为为基础，总切削力模型如公式11：

步骤3.基于切削力数据确定切削模型未知参数。

2.根据权利要求1所述的基于切削力的圆刃口刀具接触情况确定方法，其特征在于：

其中，步骤3包括如下子步骤：

步骤3-1.多种未变形切厚和刃口半径下的切削力实验过程

通过切削实验获得切削力值和对应的切削刀具结构参数以及切削参数；

步骤3-2.切削模型未知参数反求

采用布谷鸟智能算法确定切削力模型中的两个未知参数c₁,c₂，这两个参数代表着圆刃口处接触正应力模型的模型参数，优化目标为模型切削力和实验切削力之间的误差最小：

s＝|F_tex-F_t|+|F_fex-F_f| 公式12

公式中，F_tex,F_fex分别表示实验测得的切削方向力和进给方向力。

3.根据权利要求1所述的基于切削力的圆刃口刀具接触情况确定方法，其特征在于：

其中，m，r，c三个区域的切削力分别如公式13,14,15所示：

4.一种基于切削力的圆刃口刀具接触情况确定装置，其特征在于，包括：

死区建模部，描述圆刃口刀具完整的犁耕过程，并建立切削过程死区几何模型，将金属切削过程中，刀具圆刃口处的那部分与刀具之间的相对速度为0的工件材料称为死区结构；

S₁和S₃位置确定部，基于如下公式1至5得出S₁点和S₃点处的圆心角α_s1和α_s3的大小，进而确定死区结构的两个结束节点S₁,S₃的位置；

λ＝cot∠s₁s′₁s″₁+cot∠s₁s″₁s′₁＝∞ 公式1

μ＝tanβ 公式3

式中，λ表示总的剪切应变，β表示摩擦角；

S₂位置确定部，基于如下公式6得出S₂点处的圆心角α_s2的大小，进而确定接触节点S₂的位置；

式中，

表示在S₂点处的圆心角，

表示S₂点处的正应力，

表示S₂点处的切应力；

接触应力建模部，建立基于接触节点的接触应力分布模型，将圆刃口与前刀面的接触节点记为S₄，S₄点的圆心角如公式7：

圆刃口处的正应力与圆心角的函数关系为：

接触正应力模型为：

切应力行为模型为：

式中，r表示前角，α_si表示圆刃口处圆心角，i＝1～4中整数，l_c表示前刀面接触长度，c_k,n,μ,σ分别表示模型参数；

将前刀面和切屑接触的结束节点记为S₅，该点S₅由前刀面接触长度l_c确定；

切削力建模部，接触节点S₂,S₄两个节点将整个接触区域分为三个区域，分别为m，r，c区域，以接触行为为基础，总切削力模型如公式11：

模型参数确定部，基于切削力数据确定切削模型未知参数；以及

控制部，与所述死区建模部、所述S₁和S₃位置确定部、所述S₂位置确定部、所述接触应力建模部、所述切削力建模部、所述模型参数确定部均通信相连，控制它们的运行。

5.根据权利要求4所述的基于切削力的圆刃口刀具接触情况确定装置，其特征在于：

其中，所述模型参数确定部通过切削实验获得切削力值和对应的切削刀具结构参数以及切削参数，然后采用布谷鸟智能算法确定切削力模型中的两个未知参数c₁,c₂，优化目标为模型切削力和实验切削力之间的误差最小：

s＝|F_tex-F_t|+|F_fex-F_f| 公式12

式中，F_tex,F_fex分别表示实验测得的切削方向力和进给方向力。

6.根据权利要求4所述的基于切削力的圆刃口刀具接触情况确定装置，其特征在于：

其中，所述切削力建模部中m，r，c三个区域的切削力分别如公式13,14,15所示：

7.根据权利要求4所述的基于切削力的圆刃口刀具接触情况确定装置，其特征在于，还包括：

输入显示部，与所述死区建模部、所述S₁和S₃位置确定部、所述S₂位置确定部、所述接触应力建模部、所述切削力建模部、所述模型参数确定部、所述控制部均通信相连，基于输入的操作指令显示出相应的信息。

8.根据权利要求7所述的基于切削力的圆刃口刀具接触情况确定装置，其特征在于：

其中，所述输入显示部，显示出圆刃口刀具的模型图，并在该模型图的上显示出确定的S₁～S₅的具体位置和圆心角大小，还标示出死区结构，并显示相应位置处材料的变形情况和接触行为，圆刃口区域的正应力分布和切应力分布曲线，以及接触区域的分区情况。

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