CN112329245A - 一种基于最大剪应力原理的切削力建模系数标定方法 - Google Patents

Abstract

一种基于最大剪应力原理的切削力建模系数标定方法，包括：建立坐标系，将切削力分解为切向力、轴向力和径向力，在法平面坐标系下采用最大剪应力原理，提出一种切削力系数标定方法，本发明能够解析切削力模型系数和切削几何参数之间的约束关系，揭示切削过程中切削力的变化规律。

Description

一种基于最大剪应力原理的切削力建模系数标定方法

技术领域

本发明涉及一种基于最大剪应力原理的切削力建模系数标定方法，属于机械制造技术领域。

背景技术

切削过程是多物理场耦合下的材料变形过程，因此，切削力建模过程中往往根据需求进行一定的简化，以提高计算效率。Merchant最初提出的剪切模型中，不考虑金属侧向流动，且认为仅在剪切平面上产生切削变形。Lee假设材料是塑性固体，采用滑移场线理论建立正交切削计算模型。Shaw重新考虑塑性带上的应力分布情况，提出一种改进后的滑移场线计算模型。Moufki提出一种考虑热力耦合效应的切削力计算模型。然而，上述切削力计算模型均不适用于斜角切削过程。

因而，研究材料斜角切削过程中的切削力变化规律，提出切削力模型系数标定方法，为生产加工提供恰当的切削参数，对促进制造技术的发展是非常重要的。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种基于最大剪应力原理的切削力建模系数标定方法，建立包含关键几何参数的力学计算模型，构型简洁，提高了力学模型的适应性。

本发明的技术方案是：

一种基于最大剪应力原理的切削力建模系数标定方法，包括步骤如下：

1)使用刀具切削圆柱体金属件，采集获得多组切削力试验数据；

2)根据任意一组切削力试验数据，将切削力在前刀面上分解为切向力F_T、轴向力F_A和径向力F_R；然后，根据刀具刃倾角λ_s，将切向力F_T、轴向力F_A和径向力F_R转换为法向切向力F_Tn、法向轴向力F_Rn和法向径向力F_An；

3)根据切削力试验数据获得切削合力F，从而确定切削合力F在法平面上的投影与切削平面之间夹角ξ_n、切削合力F与法平面之间的夹角ξ_λ、法向摩擦角β_n；根据切削合力F，确定剪力F_s，从而确定剪力F_s与法平面之间的夹角

剪力F_s在法平面上的投影与切削平面的夹角

4)根据刀具刃倾角λ_s，根据步骤3)所述剪力F_s和剪力F_s在法平面上的投影与切削平面的夹角

确定剪应力τ_s；

5)根据步骤3)所述法向摩擦角β_n、剪力F_s在法平面上的投影与切削平面的夹角

根据步骤4)所述剪应力τ_s，确定切向力系数K_R、径向力系数K_A和轴向力系数K_T。

步骤2)所述将切向力F_T、轴向力F_A和径向力F_R转换为法向切向力F_Tn、法向轴向力F_Rn和法向径向力F_An的方法，具体为：

(F_Tn,F_Rn,F_An)^T＝T(λ_s)(F_T,F_R,F_A)^T

确定步骤3)所述ξ_n的方法，具体为：

确定步骤3)所述ξ_λ的方法，具体为：

sinξ_λ＝sinβ_asinη

tan(ξ_n+γ_n)＝tanβ_acosη

其中，η为流屑角。

确定步骤3)所述法向摩擦角β_n的方法，具体为：

β_n＝ξ_n+γ_n

其中，γ_n为法向前角。

确定步骤3)所述剪力F_s在法平面投影与切削平面之间夹角

的方法，具体为：

确定步骤3)所述剪力F_s的方法，具体为：

确定步骤4)所述剪应力τ_s的方法，具体为：

其中，f为进给量，a_p为径向切削深度，A_s为剪切面积。

步骤5)所述确定切向力系数K_R、径向力系数K_A和轴向力系数K_T的方法，具体为：

其中，η为流屑角，γ_n为刀具的前角。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1)本发明针对圆柱形工件切削加工过程，采用机械力学式的建模方法，建立包含关键几何参数的力学计算模型，构型简洁，提高了力学模型的适应性。

2)本发明建立了基于最大剪应力原理的斜角切削模型，解析切削力模型系数之间的约束关系，揭示了车削力演变过程规律。

3)本发明提出了一种切削力系数标定方法，仅需数次试验即可完成车削力模型系数标定过程，降低了试验成本，提高了建模效率。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

具体实施方式

丝杠切削加工过程中，由于工件轮廓曲线曲率变化，切削力容易出现大幅度变化，对刀具和工件造成切削载荷冲击，加剧刀片磨损、破损，甚至引起刀具折断，导致工件加工质量不高，合格率偏低。建立切削力模型，研究切削力变化规律，对实现高效优质生产具有重要意义。

本发明一种基于最大剪应力原理的切削力建模系数标定方法，包括步骤如下：

1)使用刀具以不同的切削参数切削圆柱体金属件，采集获得多组切削力试验数据；大于或得等于20组；

2)根据任意一组切削力试验数据，将切削力在前刀面上分解为切向力F_T、轴向力F_A和径向力F_R；然后，根据刀具刃倾角λ_s，将切向力F_T、轴向力F_A和径向力F_R转换为法向切向力F_Tn、法向轴向力F_Rn和法向径向力F_An，具体为：

(F_Tn,F_Rn,F_An)^T＝T(λ_s)(F_T,F_R,F_A)^T

3)根据切削力试验数据获得切削合力F，从而确定切削合力F在法平面上的投影与切削平面之间夹角ξ_n、切削合力F与法平面之间的夹角ξ_λ、法向摩擦角β_n；根据切削合力F，确定剪力F_s，从而确定剪力F_s与法平面之间的夹角

剪力F_s在法平面上的投影与切削平面的夹角

确定步骤3)所述ξ_n的方法，具体为：

确定步骤3)所述ξ_λ的方法，具体为：

sinξ_λ＝sinβ_asinη

tan(ξ_n+γ_n)＝tanβ_acosη

其中，β_a为摩擦角，η为流屑角(已知，由切削力试验数据中获得)。

确定步骤3)所述法向摩擦角β_n的方法，具体为：

β_n＝ξ_n+γ_n

其中，γ_n为法向前角(已知，由切削力试验数据中获得)。

确定步骤3)所述剪力F_s在法平面投影与切削平面之间夹角

的方法，具体为：

其中，

为剪力F_s与法平面之间夹角。

4)根据刀具刃倾角λ_s，根据步骤3)所述剪力F_s和剪力F_s在法平面上的投影与切削平面的夹角

确定剪应力τ_s，具体为：

其中，f为进给量，a_p为径向切削深度，A_s为剪切面积。

5)根据步骤3)所述法向摩擦角β_n、剪力F_s在法平面上的投影与切削平面的夹角

根据步骤4)所述剪应力τ_s，确定切向力系数K_R、径向力系数K_A和轴向力系数K_T，具体为：

其中，η为流屑角，γ_n为刀具的前角。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的描述。

在圆柱形工件端面建立坐标系OXYZ，其中O点位于端面圆心，平面XOY与端面重合。切削力在前刀面上的分力可表示为切向力F_T、轴向力F_A和径向力F_R，经矩阵变换，切削力在坐标系OXYZ中可表示为：

车削过程中，切向力F_T、轴向力F_A和径向力F_R大小与每次进刀前后的切削层面积S_A相关，可表示为：

式中，γ₀为刀具前角，λ_s为刃倾角，K_R为径向力系数，K_A为轴向力系数，K_T为切向力系数。

斜角切削方式下，K_R、K_A和K_T可表示为：

其中，β_n为摩擦角，η为流屑角，

为剪切角，τ_s为剪应力，γ_n为前角；

根据最大剪应力原理，作用力和剪切面之间的夹角应为π/4，故有：

式中，F_s为剪力，F为合力，ξ_λ为F与法平面之间的夹角，

为F_s与法平面之间夹角，ξ_n为F在法平面上的投影与切削平面之间夹角，

为F_s在法平面投影与切削平面之间夹角。

从式(4)和(5)可得：

剪应力τ_s可表示为：

式中，A_s为剪切面积，可表示为：

式中，f为进给量，a_p为切削深度，λ_s为刃倾角。

F_Tn、F_Rn和F_An分别为法向切向力、法向径向力和法向轴向力，可表示为:

(F_Tn,F_Rn,F_An)^T＝T(λ_s)(F_T,F_R,F_A)^T (10)

式中，T(λ_s)为变换矩阵，可表示为

另外

切削加工过程中，作用在刀具前刀面上的载荷有正向压力F_n 和摩擦力F_f，可以得到：

F_fsinη＝Fsinξ_λ (13)

Fcosη＝F_ntan(ξ_n+γ_n) (14)

进一步有：

sinξ_λ＝sinβ_asinη (15)

tan(ξ_n+γ_n)＝tanβ_acosη (16)

其中，η为流屑角；β_n为摩擦角

ξ_n+γ_n＝β_n (17)

式中，β_a为摩擦角，β_n为法向摩擦角，η为流屑角，γ_n为法向前角，可表示为：

γ_n＝arctan(tanγ_o)cosλ_s (18)

式中，γ₀为刀具前角。

切削力系数标定步骤如图1所示：

步骤1取第i次采集的切削力数据，获得[FR，FA，FT]，代入式(10)转换成法向切削力数据[FRn，FAn，FTn]。

步骤2将切削力数据代入式(12)，(15)～(17)，解出系数ξ_n、ξ_λ、βa和βn。

步骤3将系数ξ_λ和ξ_n代入式(6)和(7)，解出系数

和

步骤4由(F_RC,F_AC,F_TC)^T求得合力F，代入式(4)求得剪力F_s。

步骤5法向剪切角

代入式(8)和式(9)，可分别解出As和τ_s。

步骤6重复步骤1～5，不少于20组系数βn、

和τ_s。

步骤7取出存储系数βn、

和τ_s，分别将其表示成切削层面积S_A的函数。

步骤8使用上述量，利用公式(3)确定将切向力系数K_R、径向力系数K_A和轴向力系数K_T表示成切削层面积S_A的函数。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种基于最大剪应力原理的切削力建模系数标定方法，其特征在于，包括步骤如下：

1)使用刀具切削圆柱体金属件，采集获得多组切削力试验数据；

2)根据任意一组切削力试验数据，将切削力在前刀面上分解为切向力F_T、轴向力F_A和径向力F_R；然后，根据刀具刃倾角λ_s，将切向力F_T、轴向力F_A和径向力F_R转换为法向切向力F_Tn、法向轴向力F_Rn和法向径向力F_An；

3)根据切削力试验数据获得切削合力F，从而确定切削合力F在法平面上的投影与切削平面之间夹角ξ_n、切削合力F与法平面之间的夹角ξ_λ、法向摩擦角β_n；根据切削合力F，确定剪力F_s，从而确定剪力F_s与法平面之间的夹角

剪力F_s在法平面上的投影与切削平面的夹角

4)根据刀具刃倾角λ_s，根据步骤3)所述剪力F_s和剪力F_s在法平面上的投影与切削平面的夹角

确定剪应力τ_s；

5)根据步骤3)所述法向摩擦角β_n、剪力F_s在法平面上的投影与切削平面的夹角

根据步骤4)所述剪应力τ_s，确定切向力系数K_R、径向力系数K_A和轴向力系数K_T。

2.根据权利要求1所述的一种基于最大剪应力原理的切削力建模系数标定方法，其特征在于，步骤2)所述将切向力F_T、轴向力F_A和径向力F_R转换为法向切向力F_Tn、法向轴向力F_Rn和法向径向力F_An的方法，具体为：

(F_Tn,F_Rn,F_An)^T＝T(λ_s)(F_T,F_R,F_A)^T

3.根据权利要求1所述的一种基于最大剪应力原理的切削力建模系数标定方法，其特征在于，确定步骤3)所述ξ_n的方法，具体为：

4.根据权利要求2所述的一种基于最大剪应力原理的切削力建模系数标定方法，其特征在于，确定步骤3)所述ξ_λ的方法，具体为：

sinξ_λ＝sinβ_asinη

tan(ξ_n+γ_n)＝tanβ_acosη

其中，η为流屑角。

5.根据权利要求2所述的一种基于最大剪应力原理的切削力建模系数标定方法，其特征在于，确定步骤3)所述法向摩擦角β_n的方法，具体为：

β_n＝ξ_n+γ_n

其中，γ_n为法向前角。

6.根据权利要求1所述的一种基于最大剪应力原理的切削力建模系数标定方法，其特征在于，确定步骤3)所述剪力F_s在法平面投影与切削平面之间夹角

的方法，具体为：

7.根据权利要求3～6任一所述的一种基于最大剪应力原理的切削力建模系数标定方法，其特征在于，确定步骤3)所述剪力F_s的方法，具体为：

8.根据权利要求7所述的一种基于最大剪应力原理的切削力建模系数标定方法，其特征在于，确定步骤4)所述剪应力τ_s的方法，具体为：

其中，f为进给量，a_p为径向切削深度，A_s为剪切面积。

9.根据权利要求7所述的一种基于最大剪应力原理的切削力建模系数标定方法，其特征在于，步骤5)所述确定切向力系数K_R、径向力系数K_A和轴向力系数K_T的方法，具体为：

其中，η为流屑角，γ_n为刀具的前角。

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