CN111666650B - 一种基于模压高硅氧铣磨的切削参数与刀具参数匹配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于模压高硅氧铣磨的切削参数与刀具参数匹配方法，步骤一，根据金刚石磨粒的粒度、浓度以及切削参数、刀具参数建立单颗金刚石磨粒的最大压入深度模型；步骤二，基于最大压入深度模型结合刀具参数，分别建立切削抗力和进给抗力的理论模型；步骤三，基于最大压入深度模型，建立切屑体积模型；步骤四，建立刀具的容屑空间模型；步骤五，通过比较刀具容屑空间模型和切屑体积模型，判定切削参数与刀具参数是否匹配，若匹配则确定切削参数和刀具参数；否则，调整刀具参数/切削参数，从步骤一开始执行，直至二者匹配。

Description

一种基于模压高硅氧铣磨的切削参数与刀具参数匹配方法

技术领域

本发明涉及一种基于模压高硅氧铣磨的切削参数与刀具参数匹配优化算法，属于复合材料切削技术领域，主要用于金刚石磨粒刀具铣磨防热复合材料的力学仿真及刀具选用参数推荐，可有效提升材料去除率并降低因切削参数选用与刀具选用不匹配造成的加工效率低、刀具易堵塞、加工质量差等问题。

背景技术

模压高硅氧复合材料普遍采用金刚石磨粒刀具铣磨方式加工。金刚石磨粒刀具铣磨具有良好的经济性，但现有刀具易堵塞，切削参数与刀具参数不匹配，严重制约着产品加工效率的提高。造成金刚石磨粒刀具堵塞的直接原因是切屑体积大于刀具的容屑空间，大量切屑堆积在金刚石磨粒之间，造成刀具失效。切屑体积是由材料性能和切削参数共同决定的，在切削材料确定后，切屑大小主要受切削参数的影响。刀具的容屑空间是相邻磨粒之间的空间大小，由磨粒的粒度、浓度、出露高度共同决定。由此可以看出，造成金刚石磨粒刀具堵塞的根本原因是切削参数和刀具参数的不匹配。也就是说，提高金刚石磨粒刀具加工效率、刀具寿命和加工质量的核心，是探寻切削参数与刀具参数之间的关系，建立切削参数与刀具参数匹配优化算法，同时优化加工刀具及切削参数，实现模压高硅氧复合材料的高效高质加工。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于模压高硅氧铣磨的切削参数与刀具参数匹配优化方法，该切削参数与刀具参数匹配优化算法能够解决模压高硅氧复合材料在铣磨加工时的刀具参数与切削参数适配问题。

本发明解决技术的方案是：一种基于模压高硅氧铣磨的切削参数与刀具参数匹配方法，包含以下步骤：

步骤一，根据金刚石磨粒的粒度、浓度以及切削参数、刀具参数建立单颗金刚石磨粒的最大压入深度模型；

步骤二，基于最大压入深度模型结合刀具参数，分别建立切削抗力和进给抗力的理论模型；

步骤三，基于最大压入深度模型，建立切屑体积模型；

步骤四，建立刀具的容屑空间模型；

步骤五，通过比较刀具容屑空间模型和切屑体积模型，判定切削参数与刀具参数是否匹配，若匹配则确定切削参数和刀具参数；否则，调整刀具参数/切削参数，从步骤一开始执行，直至二者匹配。

优选的，步骤一中所述的最大压入深度模型表达式如下：

其中，a_e表示切削宽度，f_r表示进给速度，S_a代表金刚石磨粒的粒度，C_α表示金刚石磨粒浓度，D表示刀具直径，S表示主轴转速。

优选的，步骤二中所述的切削抗力和进给抗力理论模型如下：

F_x＝k₁·N_α·w²·σ_b

其中，w为金刚石磨粒的最大压入深度，k₁、k₂为修正系数，σ_b为材料的屈服强度，a_e表示切削宽度，a_p表示切削深度，f_r表示进给速度，l_a表示刀具与工件表面再一个加工周期的宏观接触长度，N_α为参与切削的有效金刚石磨粒数.

优选的，k₁,k₂通过切削力测量实验进行标定。

优选的，步骤三中假设单颗磨粒切削掉的材料体积为切屑体积C_v，则

其中，w为金刚石磨粒的最大压入深度，D表示刀具直径。

优选的，刀具的容屑空间利用球的体积公式近似表达。

优选的，刀具的容屑空间模型表达式如下：

其中，S_a代表金刚石磨粒的粒度，C_α表示金刚石磨粒浓度。

进一步的，步骤五中当C_T＞C_V时，表示此时切削参数与刀具参数匹配，C_T为刀具容屑空间和C_V为切屑体积。

优选C_T取值为(1～1.2)C_V。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

提出一种切削参数和刀具参数的匹配优化方法。刀具容屑空间的大小主要由金刚石磨粒的粒度和浓度决定，而切屑空间则主要由切削参数决定，即主轴转速、进给速度、切深以及切宽。在实际加工中，切削参数主要由加工时所允许的最大切削力、加工质量、材料去除率、加工经济性等共同决定，在加工中为优先决定量。相对来看，刀具参数(金刚石的粒度和浓度)可以在满足加工需求的前提下，做适当的调整来获得更为理想的容屑空间，有效避免金刚石刀具的堵塞，提高刀具寿命和切削性能。

附图说明

图1为算法流程图；

图2为磨粒与材料的宏观接触长度示意图；

图3、4为磨料刀具容屑空间示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

一种基于模压高硅氧铣磨的切削参数与刀具参数匹配方法，如图1所示，步骤如下：

针对单颗金刚石磨粒最大压入深度w，建立如下的表达式：

其中，a_e表示切削宽度，f_r表示进给速度，S_a代表金刚石磨粒的粒度，Cα表示金刚石磨粒浓度，D表示刀具直径，S表示主轴转速。

铣磨时，铣磨力可表示为两个分力，分别为切削抗力F_x和进给抗力F_y。F_x主要是由切削产生，可由单位切削抗力和有效磨粒数的乘积表示，如下式所示：

F_x＝k₁·N_α·w²·σ_b

其中，w为金刚石磨粒的最大压入深度，k₁为修正系数(通过实验标定，例如0.4、0.6等)，σ_b为材料的屈服强度。N_α为参与切削的有效金刚石磨粒数，由金刚石磨粒浓度定义得出，如下式所示：

其中，a_p表示切削深度，S_a代表金刚石磨粒的粒度，Cα表示金刚石磨粒浓度，l_a表示刀具与工件表面在一个加工周期的宏观接触长度，如图2所示，可由下式表示：

其中，a_e表示切削宽度，D代表刀具直径。

进给抗力F_y与单位时间的切削面积成正比，可表示为：

其中，其中，k₂为修正系数(通过实验标定，例如0.4、0.6等)，a_e表示切削宽度，a_p表示切削深度，f_r表示进给速度，S表示主轴转速，σ_b为材料的屈服强度。

切屑体积C_v可看作是单颗磨粒切削掉的材料体积，可由下式表达：

其中，w为金刚石磨粒的最大压入深度，D为刀具直径。

刀具容屑空间C_T可由球的体积公式近似表达如图3、4所示，如下式：

其中，R_r为容屑空间半径，可由下式表达：

其中，S_a代表金刚石磨粒的粒度，Cα表示金刚石磨粒浓度。

通过比较C_T和C_V的大小，即可判定刀具参数与切削参数是否匹配。即当C_T＞C_V时，表示此时切削参数可用，不会造成刀具堵塞，否则应当调整刀具参数和切削参数。优选C_T取值为(1～1.2)C_V，匹配效果最优。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员的公知常识。

Claims (4)

1.一种基于模压高硅氧铣磨的切削参数与刀具参数匹配方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一，根据金刚石磨粒的粒度、浓度以及切削参数、刀具参数建立单颗金刚石磨粒的最大压入深度模型；所述的最大压入深度模型表达式如下：

其中，a_e表示切削宽度，f_r表示进给速度，S_a代表金刚石磨粒的粒度，C_α表示金刚石磨粒浓度，D表示刀具直径，S表示主轴转速；

步骤二，基于最大压入深度模型结合刀具参数，分别建立切削抗力和进给抗力的理论模型；所述的切削抗力和进给抗力理论模型如下：

F_x＝k₁·N_α·w²·σ_b

其中，F_x为切削抗力、F_y为进给抗力；w为金刚石磨粒的最大压入深度，k₁、k₂为修正系数，σ_b为材料的屈服强度，a_p表示切削深度，N_α为参与切削的有效金刚石磨粒数；

步骤三，基于最大压入深度模型，建立切屑体积模型；假设单颗磨粒切削掉的材料体积为切屑体积C_v，则

步骤四，建立刀具的容屑空间模型；刀具的容屑空间模型表达式如下：

其中，R_r为容屑空间半径；

步骤五，通过比较刀具容屑空间模型和切屑体积模型，判定切削参数与刀具参数是否匹配，若匹配则确定切削参数和刀具参数；否则，调整刀具参数和切削参数，从步骤一开始执行，直至二者匹配。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：k₁、k₂为修正系数通过切削力测量实验进行标定。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤五中当C_T＞C_V时，表示此时切削参数与刀具参数匹配，C_T为刀具容屑空间和C_V为切屑体积。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：C_T取值为(1～1.2)C_V。