CN112405113A - 高能效铣刀动态切削力变化特性的识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高能效铣刀动态切削力变化特性的识别方法，属于铣刀技术领域，是针对现有解决动态切削力变化特性的方法与实际变化差异大且不具有通用性的缺陷所提出，包括以下步骤：制定高能效铣削振动与动态切削力的实验方法、对铣刀及其刀齿瞬时切削体积进行的解算方法、确定不同切削时段铣削振动和动态切削力变化特性的表征方法、建立刀齿误差分布、铣削振动对动态切削力影响特性的检测方法。本发明通过高能效立铣刀切削钛合金实验获取不同转速和刀齿误差分布条件下铣削振动与切削力变化特性，构建铣刀瞬时切削体积解算模型，提出铣刀瞬时切削行为序列构建方法，采用改进灰色关联分析方法，揭示出动态切削力对刀齿误差分布、铣削振动的响应特性。

Description

高能效铣刀动态切削力变化特性的识别方法

技术领域：

本发明属于铣刀技术领域，具体涉及高能效铣刀动态切削力变化特性的识别方法。

背景技术：

高能效铣刀切削过程中，受刀齿断续切削冲击的影响，其切削力变动频繁，由此产生 的不稳定切削、加工质量劣化等问题，导致铣刀切削能效和切削工艺可靠性无法得到有效 保障，揭示高能效铣刀动态切削力变化特性是解决上述问题的前提。目前解决动态切削力 变化特性的方法有两类：一类为基于实验的经验方法，利用实验获得的瞬态切削力，反映 实际切削过程中动态切削力的变化特性，但受实验条件的限制，缺乏普遍适用性；另一类 为解析法，该方法具有普遍适用性，但动态切削力的变化与实际变化存在较大偏差。在实 际切削过程中，切削力动态特性受多种因素的影响，为了使铣刀动态切削力变化特性的识 别具有准确性和通用性，因此，通过构建铣削振动和刀齿误差分布影响下的铣刀瞬时切削 层面积和工件材料瞬时去除体积解算模型，建立基于实验的半解析模型，揭示铣刀切入至 切出工件的不同切削时段，刀齿瞬时切削行为与铣刀动态切削力变化特性，为实现高能效 铣刀动态切削力精确控制提供一种有效的模型和方法。

发明内容：

本发明为克服现有解决动态切削力变化特性的方法与实际变化差异较大且不具有通 用性的缺陷，提供了一种高能效铣刀动态切削力变化特性的识别方法，通过揭示刀齿误差 分布与铣刀动态切削力之间的关系，提出铣刀瞬时体积解算方法，该方法利用刀齿轴向误 差、径向误差和齿间夹角误差的分布改变瞬时切削体积，进而对铣刀动态切削力产生影响。

本发明采用的技术方案在于：高能效铣刀动态切削力变化特性的识别方法，具体包括 如下步骤：

步骤A、制定高能效铣削振动与动态切削力的实验方法：通过改变转速和刀齿误差的 两个实验方案，来揭示铣削振动和动态切削力的变化特性；

步骤B、对铣刀及其刀齿瞬时切削体积进行的解算方法：通过解算铣刀及其刀齿瞬时 切削体积，解决刀齿误差与动态切削力之间不存在直接映射关系的问题，并利用铣刀瞬时 切削体积的峰值和谷值揭示刀齿误差分布与动态切削力的实时对应关系，揭示刀齿误差分 布对各刀齿切削过程的影响；

步骤C、确定不同切削时段铣削振动和动态切削力变化特性的表征方法：根据铣削振 动和瞬态切削力信号突变，识别铣刀切削过程中的切入段、中间段和切出段，以及上述三 个切削时段的周期，利用切入段、中间段和切出段铣削振动与动态切削力的瞬时对应关系， 获取不同切削时段铣削振动和动态切削力的特征参数值，从而识别出同一实验方案中的铣 削振动和动态切削力的变化特性，来揭示铣削振动和动态切削力之间的映射关系；

步骤D、建立刀齿误差分布、铣削振动对动态切削力影响特性的检测方法：通过将铣 刀瞬时切削体积的峰值和谷值作为特征点，提取对应时刻的瞬态切削力，以此来构建铣刀 瞬时切削体积和动态切削力的行为序列；将铣削振动和动态切削力周期的最小公倍数来进 行信号小取样长度的选取，并以其周期的最大公约数来确定特征点的选取时间间隔，以此 来构建铣削振动和动态切削力的行为序列，揭示刀齿误差分布、铣削振动与动态切削力的 关联特性。

优选地，所述步骤A，还包括以下步骤：

步骤A1、制定高能效铣削实验方案：在实验前需要对刀齿误差进行测量，以初始切入工件的铣刀刀齿为刀齿1，沿铣刀转速旋转方向构建铣刀刀齿误差分布序列，同时采集铣刀沿进给速度方向、切削深度方向、切削宽度方向的铣削振动和瞬态切削力信号，提取切削全过程的铣削振动和动态切削力的周期、最大值、最小值，以反映转速和刀齿误差改变引起的切削力动态特性的变化；

步骤A2、通过铣削实验前的刀齿误差测量，获得铣刀各个刀齿的轴向误差、径向误差测量结果；

步骤A3、通过改变铣刀转速和刀齿误差实验，获得高能效铣削振动和动态切削力实 验结果。

优选地，所述步骤B，还包括以下步骤：

步骤B1、建立刀齿误差影响下的铣刀瞬时切削体积解算模型；

步骤B2、根据刀齿误差测量结果，利用铣刀瞬时切削体积解算模型，获得铣刀瞬时切削体积的解算结果。

优选地，所述步骤C，还包括以下步骤：

步骤C1、根据铣削振动和动态切削力实验结果，对铣削振动与瞬态切削力信号突变 进行识别与切削时段进行划分；

步骤C2、获得铣削振动与动态切削力在切入段、中间段、切出段时的变化特性。

优选地，所述步骤D，还包括以下步骤：

步骤D1、构建铣刀瞬时切削体积、铣削振动分别与动态切削力的行为序列：为揭示刀齿误差分布、铣削振动与动态切削力的关联特性，采用改进的灰色关联分析方法进行铣刀瞬时切削工件材料去除体积、铣削振动和动态切削力之间的关联分析；

步骤D2、分析铣刀瞬时切削体积和铣削振动分别与动态切削力的关联特性；

步骤D3、分析刀齿误差分布和铣削振动对动态切削力的影响特性。

本发明的有益效果是：

1、本发明中充分考虑了刀齿轴向误差、径向误差及齿间夹角误差的分布，解算铣刀 瞬时切削体积，能够更加准确的解释刀齿误差分布与动态切削力之间的映射关系，克服了 现有关于动态切削力与刀齿误差关系的解算关注切削层面积或切削层厚度，无法准确揭示 动态切削力与刀齿误差之间的映射关系的弊端。

2、本发明充分考虑了铣削振动不同切削时段的变动，将完整切削过程分为切入段、 中间段和切出段，进一步解算了各个切削时段铣削振动和动态切削力的周期，从而揭示出 铣削振动和动态切削力的动态特性，克服了现有关于铣削振动和动态切削力动态特性的识 别基于整个切削过程，忽视铣削振动特性在铣刀切入至切出工件的不同切削时段的变动的 弊端。

3、本发明根据两组铣削实验结果，采用改进灰色关联分析方法，分别解算刀齿误差 分布与动态切削力、铣削振动与动态切削力的关联度，通过对比两种实验条件下的关联度， 验证动态切削力对刀齿误差分布和铣削振动的响应特性，克服了现有动态切削力响应特性 的验证方法在进行不同条件下仿真结果的对比无法精确表示出实验过程的弊端。

附图说明：

图1为本发明识别方法的流程图；

图2为铣刀结构及其刀齿误差分布图，其中图2a为铣刀轴向的结构图，图2b为铣刀刀齿误差分布表征图；

图3为铣削加工测量参考坐标系图；

图4为两种实验方案下铣削振动时域信号和切削力信号的检测图，其中图4(a)为实验方案1中铣削振动时域信号检测图、图4(b)为实验方案2中铣削振动时域信号检 测图、图4(c)为实验方案1中切削力信号检测图、图4(d)为实验方案2中切削力信 号检测图；

图5为铣刀刀齿切削工件材料去除体积图；

图6为铣刀切削工件材料去除体积变化曲线图；

图7为实验方案1中铣削振动和铣削力信号检测图，其中图7(a)为切入段切削力信号检测图、图7(b)为切入段铣削振动时域信号检测图、图7(c)为中间段切削力信 号检测图、图7(d)为中间段铣削振动时域信号检测图、图7(e)为切出段切削力信号 检测图、图7(f)为切出段铣削振动时域信号检测图；

图8为实验方案1中铣削振动频域信号检测图，其中图8(a)为切入段振动频域信号检测图、图8(b)为中间段振动频域信号检测图、图8(c)为切出段振动频域信号检 测图；

图9为实验方案2中铣刀瞬时切削工件材料去除体积图；

图10为实验方案2中铣削振动时域信号和铣削力信号的检测图，其中图10(a)为切入段切削力信号检测图、图10(b)为切入段铣削振动时域信号检测图、图10(c)为 中间段切削力信号检测图、图10(d)为中间段铣削振动时域信号检测图、图10(e)为 切出段切削力信号检测图、图10(f)为切出段铣削振动时域信号检测图；

图11为实验方案2中铣削振动频域信号的检测图，其中图11(a)为切入段振动频域信号检测图、图11(b)为中间段振动频域信号检测图、图11(c)为切出段振动频域 信号检测图；

图12为动态切削力对刀齿误差和铣削振动的响应雷达图，其中图12(a)为动态切削力对刀齿误差的响应、图12(b)为动态切削力对铣削振动的响应。

具体实施方式：

如图1所示，本发明为高能效铣刀动态切削力变化特性的识别方法，为了揭示铣削振 动与切削力的动态特性，提出铣削振动和动态切削力变化特性的识别方法，该方法将整个 切削过程分为切入段、中间段及切出段，获取上述三个切削时段的铣削振动和动态切削力 曲线，以达到实现铣削振动和动态切削力有效关联的目的。

为了揭示出铣刀不同切削时段瞬时切削体积、铣削振动、动态切削力变化过程，提出 铣刀瞬时切削行为序列构建方法，该方法利用改进的灰色关联分析方法，实现了动态切削 力对刀齿误差分布、铣削振动响应特性的表征，

所述高能效铣刀动态切削力变化特性的识别方法，具体包括以下步骤：

步骤A：制定高能效铣削振动与动态切削力的实验方法

步骤A1、制定高能效铣削实验方案

本发明通过改变转速和刀齿误差的两个实验方案，进行高能效立铣刀切削钛合金实 验。实验前对刀齿误差进行测量，以初始切入工件刀齿为刀齿1，以转速相同旋转方向构建刀齿误差分布序列，同时采集铣刀沿进给速度方向、切削深度方向、切削宽度方向的铣削振动和瞬态切削力信号，提取切削全过程的铣削振动和动态切削力的周期、最大值、最小值，以反映转速和刀齿误差改变引起的切削力动态特性的变化。

为了揭示铣削振动和动态切削力的变化特性，进行不同转速的高能效铣削实验，实验 方案如表1所示。

表1铣削实验方案

表1中，n为铣刀转速，Δc_i为刀齿i的轴向误差，Δr_i为刀齿i的径向误差，Δθ_i为齿间夹角误差。其中，铣刀结构及其刀齿误差分布如图2所示，图2中的变量参数含义如表 2所示。用高速摄像，获取初始切入工件的刀齿，即刀齿1，考虑到铣刀螺旋刃跟进切削 的特性，采用微元法，以铣刀轴向最低刀尖点所在底面为基准，沿铣刀轴线方向进行铣削 微元划分，获取铣刀刀齿铣削微元。

步骤A2、通过实验前的刀齿误差测量，获得铣刀各个刀齿的轴向误差和径向误差测 量结果

表2铣刀结构及其刀齿误差分布变量含义

由图2，刀齿轴向误差分布序列A_c，刀齿径向误差分布序列A_r，铣刀齿间夹角误差分布序列A_θ分别如式(1)～(3)所示。

A_c＝{Δc₁(θ₁)，Δc₂(θ₂)…Δc_i(θ_i)…Δc_N(θ_N)} (1)

A_r＝{Δr₁(θ₁)，Δr₂(θ₂)…Δr_i(θ_i)…Δr_N(θ_N)} (2)

A_θ＝{Δθ₁(θ₁)，Δθ₂(θ₂)…Δθ_i(θ_i)…Δθ_N(θ_N)} (3)

表3刀齿误差分布序列变量含义

采用整体硬质合金立铣刀在VDL-1000E三轴铣削加工中心上，进行高效铣削钛合金 实验，铣削方式为顺铣，铣削效率范围为300cm³/min～380cm³/min。选用铣削试件尺寸为200mm×100mm×20mm；铣刀为两把等齿距整体硬质合金立铣刀，直径为20mm，长度 为104mm，螺旋角为50°，刀齿数量为5。切削参数分别为进给速度573mm/min、切削 深度10mm、切削宽度0.5mm。铣削加工测量参考坐标系图如图3所示，图3中的变量参 数含义如表4所示。

表4测量参考坐标系图中的变量含义

步骤A3、通过改变铣刀转速和刀齿误差实验，获得高能效铣削振动和动态切削力实 验结果

采用表1所示实验方案进行铣削实验，并通过DHDAS5922动态信号测试系统和Kistler旋转三向测力仪，检测沿铣刀进给方向、切削宽度方向、切削深度方向的铣削振动和铣削力，获得铣削振动和瞬态切削力数据。其中，切削时段10s～10.23s的铣削振动和 切削力信号如图4所示。

由图4，铣削振动和动态切削力的变化具有一定的周期性，但其变化趋势并不稳定。 且随着铣刀转速的改变，铣削振动和动态切削力的周期、幅值明显发生改变。对两种实验 方案下铣削振动和动态切削力的周期和幅值进行统计，结果如表5所示。

表5铣削振动和动态切削力周期、幅值

步骤B、对铣刀及其刀齿瞬时切削体积进行的解算方法

本发明为了揭示刀齿误差分布对各刀齿切削过程的影响，通过解算铣刀及其刀齿瞬时 切削体积，解决了刀齿误差与动态切削力之间不存在直接映射关系的问题，并利用铣刀瞬 时切削体积的峰值和谷值揭示刀齿误差分布与动态切削力的实时对应关系。其切削工件材 料去除体积如图5所示，图5中的变量参数含义如表6所示。

表6铣刀刀齿切削工件材料去除体积图中的变量含义

步骤B1、建立刀齿误差影响下的铣刀瞬时切削体积解算模型

由图5，铣刀刀齿误差直接影响刀齿瞬时参与切削的刃长和瞬时切削层厚度，从而改 变铣刀瞬时切削工件材料的体积。刀齿误差影响下的铣刀瞬时切削工件材料去除体积V可按下式进行解算。

式中，f_z为铣刀的每齿进给量。

步骤B2、获得铣刀瞬时切削体积的解算结果

铣刀瞬时切削体积解算模型中，刀尖点的瞬时位置角可按下式进行解算。

式中，ω为角速度。

铣刀切削刃任一点瞬时位置角可按下式进行解算。

误差影响下瞬时参与切削刀齿切削刃的上下边界可按下式进行解算。

式中，θ_wt为刀齿的初始切出角，θ_et为刀齿完全切出工件时的位置角，θ_p为切削刃初始达到切深时的位置角。

θ_st＝3π/2-arccos[(r₀ ⁱ-a_e)/r₀ ⁱ] (9)

θ_wt＝3π/2 (10)

θ_et＝3π/2+(a_p-Δc_i)·tanβ/r₀ ⁱ (11)

θ_p＝θ_st+(a_p-Δc_i)·tanβ/r₀ ⁱ (12)

采用表1中实验方案1及其铣刀刀齿误差分布，依据式(4)～(12)，进行实验方案 1所用铣刀切削工件材料去除体积解算，其变化曲线如图6所示，图6中的变量参数含义 如表7所示。

表7铣刀铣削工件材料去除体积图中的变量含义

相邻刀齿瞬时切削工件材料去除体积的时间间隔可按下式进行解算。

T_i ¹＝(60/n)·(θ_i/360°) (13)

由式(13)，受刀齿误差及其分布的影响，铣刀各个刀齿切削工件的周期会相应发生 改变。此时，铣刀瞬时铣削工件材料去除体积的周期可按下式进行解算。

T¹＝60/(n·(N/k))，(N/k)∈N* (14)

式中，k为刀齿误差分布重复出现的连续分布的刀齿的个数，N*为正整数。

步骤C、确定不同切削时段铣削振动和动态切削力变化特性的表征方法

本发明为了揭示铣削振动和动态切削力之间的映射关系，根据铣削振动和瞬态切削力 信号突变，识别铣刀切削过程中的切入段、中间段和切出段，以及上述三个切削时段的周 期。利用切入段、中间段和切出段铣削振动与动态切削力的瞬时对应关系，获取不同切削 时段铣削振动和动态切削力的特征参数值，从而识别出同一实验方案中的铣削振动和动态 切削力的变化特性。

步骤C1、根据铣削振动和动态切削力实验结果，对铣削振动与瞬态切削力信号突变 进行识别与切削时段进行划分

选取实验方案一切入段、中间段和切出段的铣削振动和动态切削力，结果如图7所示。 由图7，沿进给速度和切削宽度方向的动态切削力的波动幅度明显大于切削深度方向的动 态切削力，且进给速度方向的幅值更大。而切削深度方向铣刀只受背向抗力，刀具刚性大， 故其波动幅度小，且方向一致。

铣刀刀齿轮换切削的性质，决定了动态切削力呈现周期性变化的特性。切削力实验结 果中，不同切削时段切削力峰值出现的周期一致，且与铣刀瞬时切削工件材料去除体积变 化曲线周期一致。而三个方向的铣削振动则比较杂乱，无法明显区分出其振动周期，可通 过其频域信号的主频来进行振动周期计算。

步骤C2、获得铣削振动与动态切削力在切入段、中间段、切出段时的变化特性

实验方案1铣削振动频域信号如图8所示。由图8，沿进给速度方向、切削宽度方向和切削深度方向铣削振动信号在不同切削时段的主频并不一致，但其与铣刀刀齿切入频率均成倍数关系，且均出现在低频段，说明铣削振动方式为主要受切削力影响的强迫振动。

铣削实验中，铣刀转速为1290rpm，进给速度为573mm/min，切削深度为10mm，切 削宽度为0.5mm。分别对该实验方案下不同切削时段的振动周期进行解算，并提取信号的 最大值和最小值，结果如表8所示。

表8实验方案1不同切削时段铣削振动特征参数

由表8，三个方向铣削振动的幅值均为中间段最大，沿切削深度方向铣削振动的周期 最小，为0.0093s，沿进给速度方向铣削振动的周期最大，为0.0465s，其余周期均为0.0233s。 且通过计算发现，不同周期之间存在倍数关系，说明不同方向的铣削振动具有不同的变化 特性，但总体具有一定的规律性。

步骤D、建立刀齿误差分布、铣削振动对动态切削力影响特性的检测方法

本发明为揭示刀齿误差分布、铣削振动与动态切削力的关联特性，将铣刀瞬时切削体 积的峰值和谷值作为特征点，提取对应时刻的瞬态切削力，以此来构建铣刀瞬时切削体积 和动态切削力的行为序列；将铣削振动和动态切削力周期的最小公倍数来进行信号小取样 长度的选取，并以其周期的最大公约数来确定特征点的选取时间间隔，以此来构建铣削振 动和动态切削力的行为序列。根据以上行为序列的构建方法进行铣刀瞬时切削体积、铣削 振动和动态切削力之间的关联分析，利用关联度揭示刀齿误差分布和铣削振动对动态切削 力的影响特性，并对比不同刀齿误差分布和铣刀转速方案的关联度，以此来检测刀齿误差 分布、铣削振动对动态切削力的影响特性。

步骤D1：构建铣刀瞬时切削体积、铣削振动分别与动态切削力的行为序列

为揭示刀齿误差分布、铣削振动与动态切削力的关联特性，采用改进的灰色关联分析 方法，进行铣刀瞬时切削工件材料去除体积、铣削振动和动态切削力之间的关联分析。

由图6、图7可知，铣刀瞬时切削工件材料去除体积和动态切削力变化曲线的周期一 致。因此，以铣刀瞬时切削工件材料去除体积的峰值和谷值为特征点，获得选取特征点的 时间序列，参照铣刀瞬时去除工件材料体积的时间序列，从铣刀初始切入工件时刻开始， 提取对应时刻的瞬态切削力，以此来构建铣刀去除工件材料体积和动态切削力的行为序 列。

X_V＝(V_d1，V_h1…V_dj，V_hj，V_dj+1…V_dm，V_hm)，T_min ^V＝T¹ (15)

X_F1＝(F_dt1，F_ht1…F_dtj，F_htj，F_dtj+1…F_dtm，F_htm)，T_min ^F1＝T¹ (16)

T_dj ^V＝T_dj ^F＝t_hj-t_dj，T_hj ^V＝T_hj ^F＝t_dj+1-t_hj (17)

表9铣刀去除工件材料体积和动态切削力的行为序列变量含义

由图7和表8可知，铣削振动和动态切削力变化曲线的周期并不一致，为保证铣削振 动和切削力信号具有完整的取样长度，同时取到铣削振动和切削力的所有特征点，采用两 者周期的最小公倍数来进行信号小取样长度的选取，并以其周期的最大公约数来确定特征 点的选取时间间隔，以此来构建铣削振动和动态切削力的行为序列。

X_a＝(a_t1，a_t2…a_tj…a_tm-1，a_tm)，T_min ^a＝[T_a,T_F] (18)

X_F2＝(F_t1，F_t2…F_tj…F_tm-1，F_tm)，T_min ^F2＝[T_a,T_F] (19)

T_aj＝T_Fj＝(T_a,T_F) (20)

表10铣削振动和动态切削力的行为序列变量含义

步骤D2：分析铣刀瞬时切削体积和铣削振动分别与动态切削力的关联特性

依据图6，获得铣刀瞬时切削工件材料去除体积特征点的时间序列为：(0，0.0023，0.0093，0.0116，0.0185，0.0209，0.0278，0.0302，0.0371，0.0395，0.0465，0.0488)，构 建时间序列相对应的铣刀去除工件材料体积和动态切削力行为序列，并以动态切削力为参考序列，铣刀瞬时切削工件材料去除体积为比较序列，进行关联分析，结果如表11所示。

表11铣刀瞬时材料去除体积与动态切削力关联度

由表11，不同铣削时段铣刀瞬时切削体积对动态切削力具有不同的影响特性，同一铣 削时段铣刀瞬时切削体积对动态切削力的影响程度也不相同，但不同切削时段三个方向铣 刀瞬时切削工件材料去除体积与动态切削力的关联度均大于0.51，呈正相关，属于强关联。 说明刀齿三类误差影响下的铣刀瞬时切除工件材料体积的变化特性与动态切削力的动态特 性有直接关系，刀齿误差是引起动态切削力改变的一个主要因素。

铣削振动和动态切削力周期的最小公倍数为0.0465s，最大公约数为0.0093s。因此， 设定铣削振动和动态切削力信号的取样长度为0.093s，取样长度内信号特征点的选取时间 间隔为0.0093s。构建铣削振动和动态切削力的行为序列，并以动态切削力为参考序列，铣 削振动为比较序列，进行关联分析，结果如表12所示。

表12铣削振动与动态切削力关联度

由表12，不同铣削时段铣削振动对动态切削力具有不同的影响特性，且同一铣削时段 铣刀瞬时切削体积对动态切削力的影响程度也不相同，但不同切削时段三个方向的铣削振 动和动态切削力的关联度均大于0.52，属于强关联，呈正相关性。说明铣削过程中，铣削 振动与动态切削力具有相近的变化特性，而且铣削振动对动态切削力的影响程度较大。

步骤D3：分析刀齿误差分布和铣削振动对动态切削力的影响特性

以刀齿误差分布和铣刀转速为铣削工艺特征变量，揭示动态切削力对刀齿误差和铣削 振动的响应特性。基于表1方案2所用铣刀误差分布序列，依据式(4)～(12)进行其 瞬时切削工件材料去除体积解算，变化曲线如图9所示。

由图9，铣刀转速和刀齿误差分布改变之后，铣刀瞬时切削工件材料去除体积的周期 和和幅值明显减小，且其变化特性明显发生改变。说明铣刀瞬时切削体积对转速和刀齿误 差分布具有显著的响应。

检测实验方案2铣刀沿铣刀进给方向、切削宽度方向、切削深度方向的铣削振动和铣 削力，进行其动态特性分析，检测结果如图10所示。

由图10，随着实验方案的改变，动态切削力的周期和幅值明显发生了改变，沿进给速 度和切削宽度方向的动态切削力的波动幅度明显大于切削深度方向的动态切削力，且进给 速度方向的幅值更大。动态切削力的周期与铣刀瞬时切削工件材料去除体积变化曲线周期 依然保持一致。铣削振动同样通过其频域信号的主频来进行振动周期计算。

实验方案2铣削振动频域信号如图11所示。

由图11，沿进给速度方向、切削宽度方向和切削深度方向铣削振动信号在不同切削 时段的主频并不一致。分别对不同切削时段的振动周期进行解算，结果如表13所示。

表13实验方案2不同切削时段铣削振动周期

由表13，方案2三个方向铣削振动的幅值依然为中间段大于切入和切出。沿切削深度 方向铣削振动的周期最小，为0.014s，沿进给速度方向铣削振动的周期最大，为0.042s，其余周期均为0.021s。三种周期之间也存在倍数关系，不同方向铣削振动具有不同的变化特性，但总体具有一定的规律性。

采用1.4所用关联分析方法，进行实验方案2铣刀瞬时切削工件材料去除体积、铣削 振动与动态切削力之间的关联特性分析。铣刀瞬时切削工件材料去除体积的特征点选取时 间序列为：(0，0.0021，0.0083，0.0104，0.0167，0.0188，0.025，0.0272，0.0334，0.0356， 0.0418，0.044)，构建时间序列相对应的铣刀去除工件材料体积和动态切削力行为序列，并 以动态切削力为参考序列，铣刀瞬时切削工件材料去除体积为比较序列，进行关联分析， 结果如表14所示。

表14铣刀瞬时材料去除体积与动态切削力的关联度

铣削振动和动态切削力周期的最小公倍数为0.042s，最大公约数为0.014s。因此，设 定铣削振动和动态切削力信号的取样长度为0.126s，取样长度内信号特征点的选取时间间 隔为0.014s。构建铣削振动和动态切削力的行为序列，并以动态切削力为参考序列，铣削 振动为比较序列，进行关联分析，结果如表15所示。

表15铣削振动与动态切削力的关联度

为更直观地描述不同铣刀转速和刀齿误差分布下铣刀瞬时材料去除体积、铣削振动与 动态切削力的关联特性，采用雷达图，表征不同切削时段动态切削力对铣刀瞬时切削体积 和铣削振动的响应，如图12所示。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体 构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技 术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护 范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.高能效铣刀动态切削力变化特性的识别方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤A、制定高能效铣削振动与动态切削力的实验方法：通过改变转速和刀齿误差的两个实验方案，来揭示铣削振动和动态切削力的变化特性；

步骤B、对铣刀及其刀齿瞬时切削体积进行的解算方法：通过解算铣刀及其刀齿瞬时切削体积，解决刀齿误差与动态切削力之间不存在直接映射关系的问题，并利用铣刀瞬时切削体积的峰值和谷值揭示刀齿误差分布与动态切削力的实时对应关系，揭示刀齿误差分布对各刀齿切削过程的影响；

步骤C、确定不同切削时段铣削振动和动态切削力变化特性的表征方法：根据铣削振动和瞬态切削力信号突变，识别铣刀切削过程中的切入段、中间段和切出段，以及上述三个切削时段的周期，利用切入段、中间段和切出段铣削振动与动态切削力的瞬时对应关系，获取不同切削时段铣削振动和动态切削力的特征参数值，从而识别出同一实验方案中的铣削振动和动态切削力的变化特性，来揭示铣削振动和动态切削力之间的映射关系；

步骤D、建立刀齿误差分布、铣削振动对动态切削力影响特性的检测方法：通过将铣刀瞬时切削体积的峰值和谷值作为特征点，提取对应时刻的瞬态切削力，以此来构建铣刀瞬时切削体积和动态切削力的行为序列；将铣削振动和动态切削力周期的最小公倍数来进行信号小取样长度的选取，并以其周期的最大公约数来确定特征点的选取时间间隔，以此来构建铣削振动和动态切削力的行为序列，揭示刀齿误差分布、铣削振动与动态切削力的关联特性。

2.如权利要求1所述的高能效铣刀动态切削力变化特性的识别方法，其特征在于：所述步骤A，还包括以下步骤：

步骤A1、制定高能效铣削实验方案：在实验前需要对刀齿误差进行测量，沿铣刀转速旋转方向构建铣刀刀齿误差分布序列，同时采集铣刀沿进给速度方向、切削深度方向、切削宽度方向的铣削振动和瞬态切削力信号，提取切削全过程的铣削振动和动态切削力的周期、最大值、最小值，以反映转速和刀齿误差改变引起的切削力动态特性的变化；

步骤A2、通过铣削实验前的刀齿误差测量，获得铣刀各个刀齿的轴向误差、径向误差测量结果；

步骤A3、通过改变铣刀转速和刀齿误差实验，获得高能效铣削振动和动态切削力实验结果。

3.如权利要求1所述的高能效铣刀动态切削力变化特性的识别方法，其特征在于：所述步骤B，还包括以下步骤：

步骤B1、建立刀齿误差影响下的铣刀瞬时切削体积解算模型；

步骤B2、根据刀齿误差测量结果，利用铣刀瞬时切削体积解算模型，获得铣刀瞬时切削体积的解算结果。

4.如权利要求1所述的高能效铣刀动态切削力变化特性的识别方法，其特征在于：所述步骤C，还包括以下步骤：

步骤C1、根据铣削振动和动态切削力实验结果，对铣削振动与瞬态切削力信号突变进行识别与切削时段进行划分；

步骤C2、获得铣削振动与动态切削力在切入段、中间段、切出段时的变化特性。

5.如权利要求1所述的高能效铣刀动态切削力变化特性的识别方法，其特征在于：所述步骤D，还包括以下步骤：

步骤D1、构建铣刀瞬时切削体积、铣削振动分别与动态切削力的行为序列：为揭示刀齿误差分布、铣削振动与动态切削力的关联特性，采用改进的灰色关联分析方法进行铣刀瞬时切削工件材料去除体积、铣削振动和动态切削力之间的关联分析；

步骤D2、分析铣刀瞬时切削体积和铣削振动分别与动态切削力的关联特性；

步骤D3、分析刀齿误差分布和铣削振动对动态切削力的影响特性。

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