CN113468690B - 剐齿加工热力耦合数字孪生模型构建方法及电子设备 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种剐齿加工热力耦合数字孪生模型构建方法，包括：将剐齿刀的刀齿沿切削刃方向离散为N个微段齿和N个微段刃；将剐齿加工过程等效为斜角切削过程，得出第一斜角切削参数和第二斜角切削参数；根据第一斜角切削参数，计算微段齿的剐削温度解析模型；根据第二斜角切削参数，计算微段刃的剐削力解析模型；根据高斯过程回归算法，建立剐齿过程的时变模型；以及将剐削温度解析模型、剐削力解析模型和时变模型集成融合建立剐齿加工热力耦合数字孪生模型。该方法通过将剐削温度解析模型、削力解析模型和时变模型有机结合，保证了剐削过程的实时性与有效性，减少实验次数和生产缺陷，可提高齿轮的生产效率及其加工质量。

Description

剐齿加工热力耦合数字孪生模型构建方法及电子设备

技术领域

本公开涉及剐齿加工领域，尤其涉及一种剐齿加工热力耦合数字孪生模型构建方法、电子设备和计算机可读存储介质。

背景技术

剐齿加工过程是一个复杂的强热力耦合的动态物理过程，不仅涉及弹性力学、塑性力学、断裂力学，还有热力学、摩擦学等多学科的交叉，利用传统的计算方法已经很难对剐削的机理进行定量的分析和研究。

在相关技术中，多采用剐削测量实验和有限元软件模拟仿真的方法建立热力耦合模型来研究剐削刀具在剐削中热力耦合作用下的性能。由于剐削是一个非常复杂的过程，有限元分析软件仅能反应其中的部分特征，因此建立热力耦合仿真模型时需做出过多假设条件，例如：认为剐削刀具上的刀片和刀柄的材料是各向同性的、忽略剐削热的传导过程中产生的热辐射等。由于对实际剐削过程进行了过多的假设和简化，因此应用此种方式求解的热力耦合模型来分析剐削过程的受热情况误差较大。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本公开提出了一种剐齿加工热力耦合数字孪生模型构建方法、电子设备和存储介质，以至少解决上述现有技术中存在的问题。

(二)技术方案

为达到上述目的，本公开提供了一种剐齿加工热力耦合数字孪生模型构建方法包括：

将剐齿刀的刀齿沿切削刃方向离散为N个微段齿和N个微段刃，其中，N为大于等于1的整数；

将剐齿加工过程等效为斜角切削过程，得出第一斜角切削参数和第二斜角切削参数；

根据所述第一斜角切削参数，计算所述微段齿的剐削温度解析模型；

根据所述第二斜角切削参数，计算所述微段刃的剐削力解析模型；

根据高斯过程回归算法，建立剐齿过程的时变模型；以及

将所述剐削温度解析模型、所述剐削力解析模型和所述时变模型集成融合，得到剐齿过程的热力耦合模型，将所述热力耦合模型向虚拟空间映射建立热力耦合数字孪生模型。

在本公开的一些实施例中，所述将所述剐削温度解析模型、所述剐削力解析模型和所述时变模型集成融合，得到剐齿过程的热力耦合数字孪生模型，将所述热力耦合模型向虚拟空间映射建立热力耦合数字孪生模型，包括：

由下述公式建立所述剐齿过程的热力耦合数字孪生模型，

其中，

表示为所述剐削力和所述剐削温度的耦合映射关系，所述耦合映射关系通过三维建模平台将剐削加工过程由物理空间向虚拟空间映射得到；

F表示为所述微段刃的剐削力解析模型，T表示为所述微段齿的剐削温度解析模型。

在本公开的一些实施例中，所述将剐齿加工过程等效为斜角切削过程，得出第一斜角切削参数和第二斜角切削参数，包括：

选取第i个所述微段刃上任一点为原点，以切削速度方向为x轴，建立局部坐标系；

根据所述局部坐标系，基于金属切削原理，求取所述第一斜角切削参数和第二斜角切削参数；

其中，所述第一斜角切削参数包括：刀-屑沿前刀面的流动速度，刀-屑接触长度；

所述第二斜角切削参数包括：切削厚度、切削宽度、剪切角、等效截面前角、流屑角、剪切角、摩擦角、刃倾角及法平面前角，其中，所述法平面为垂直于微段刃的平面。

在本公开的一些实施例中，所述根据所述第一斜角切削参数，计算所述微段齿的剐削温度解析模型包括：

将所述第一斜角切斜参数代入下式，计算所述微段齿的剐削温度解析模型，

其中，T_ins表示为微段齿的剐削温度解析模型，R_chf表示为摩擦热流入切屑的比例，μ表示为刀-屑接触面的摩擦系数，σ_ro表示为前刀面所受到的最大压应力，λ_w表示为工件材料的热导率，ρ表示为工件材料的密度，c表示为工件材料的比热容，v_ch表示为刀-屑沿前刀面的流动速度，l表示为刀-屑接触长度，ξ表示为加工指数，

表示为

i表示为泰勒展开运算产生的多项式阶数，j表示为泰勒展开运算产生的多项式阶数，T_t表示为刀具的初始温度。

在本公开的一些实施例中，所述根据所述第二斜角切削参数，计算所述微段刃的剐削力解析模型包括：

将所述第二斜角切削参数中代入下式计算所述剐削力解析模型，

F_Os＝[F_x，F_y，F_z]^T

式中，F_x表示为

F_y表示为

F_z表示为

其中，a_kc表示为切削厚度、a_kw表示为切削宽度，σ_s表示为工件材料的屈服强度，φ_e表示为剪切角，γ_e表示为等效截面前角，ψ_λ表示为流屑角，φ_e表示为剪切角，β_e表示为摩擦角，λ_s表示为刃倾角，γ_n表示为法平面前角，所述法平面为垂直于微段刃的平面。

在本公开的一些实施例中，所述根据高斯过程回归算法，建立剐齿过程的时变模型包括：

根据所述高斯过程回归算法，由下式计算参与剐削的刀齿数的时变模型，

N(t)＝F₁(S_g，∑，n_t，f，a，t)

根据所述高斯过程回归算法，由下式计算参与剐削的所述微段齿的数目的时变模型，

n(t)＝F₂(S_g，C，n_t，f，a，t)

根据所述高斯过程回归算法，由下式计算参与剐削的所述微段刃的切削前角的时变模型，

γ(n)＝F₃(n，S_g，C，n_t，f，a，t)

其中，S_g表示为工件的齿面模型，∑表示为刀齿刃扫面模型，n_t表示为刀具转速，f表示为进给量，a表示为切削深度，t表示为剐削时间，C表示为刀齿切削刃曲线，n表示为参与剐削的微段齿数。

在本公开的一些实施例中，所述微段刃为所述微段齿的切削刃，所述微段刃为直线刃。

本公开还提供了一种电子设备，包括：处理器、存储器、通信接口和通信总线，所述处理器、所述存储器和所述通信接口通过所述通信总线完成相互间的通信；

所述存储器用于存放至少一可执行指令，所述可执行指令使所述处理器执行上述剐齿加工热力耦合数字孪生模型构建方法。

本公开还提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有至少一可执行指令，所述可执行指令在电子设备上运行时，使得电子设备执行上述剐齿加工热力耦合数字孪生模型构建方法。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开的一种剐齿加工热力耦合数字孪生模型构建方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)本公开中的剐齿加工热力耦合数字孪生模型构建方法通过将剐削温度解析模型、削力解析模型和时变模型有机结合，保证了剐削过程的实时性与有效性，减少实验次数和生产缺陷，可提高齿轮的生产效率及其加工质量。

(2)本公开中的剐齿加工热力耦合数字孪生模型构建方法通过将剐齿加工过程中的温度、应力的物理参数集成到一个可跟踪的数值框架中，以减少剐齿加工过程中的加工缺陷与实验次数。

附图说明

图1是本公开实施例中的剐齿加工热力耦合数字孪生模型构建方法；

图2是本公开实施例中的微段齿和微段刃示意图；

图3是本公开实施例中的特定时刻下参与切削的切削刃状态；

图4是本公开实施例中的等效界面上的个速度关系示意图；

图5是本公开实施例中的微段齿的局部坐标系；

图6为本公开实施例中的微段刃的空间几何关系。

具体实施方式

本公开提供了一种剐齿加工热力耦合数字孪生模型构建方法，包括：将剐齿刀的刀齿沿切削刃方向离散为N个微段齿和N个微段刃，其中，N为大于等于1的整数；将剐齿加工过程等效为斜角切削过程，得出第一斜角切削参数和第二斜角切削参数；根据第一斜角切削参数，计算微段齿的剐削温度解析模型；根据第二斜角切削参数，计算微段刃的剐削力解析模型；根据高斯过程回归算法，建立剐齿过程的时变模型；将剐削温度解析模型、剐削力解析模型和时变模型集成融合，得到剐齿过程的热力耦合模型，将所述热力耦合模型向虚拟空间映射建立剐齿加工热力耦合数字孪生模型。利用本公开中的剐齿加工热力耦合数字孪生模型构建方法可提高齿轮的生产效率及其加工质量，实现剐削过程的实时性与有效性，减少实验次数和生产缺陷。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。但是，本公开能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本公开的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大，自始至终相同附图标记表示相同元件。

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

为便于理解本公开的技术方案，现对如下术语做出解释：

物理空间：制造资源及个性化产品制造过程的三位空间载体，考虑只能制造空间的多尺度特性，物理空间可以由一个或多个离散的三维空间组成，在同一空间内，人、机、物等物理资源共存、协同并均具有自我认知能力。

虚拟空间：基于物联网与移动互联网形成的空间，是各类信息/知识/模型驱动的数据计算与仿真分析的载体，集成跨空间交互接口用于数据与指令的上传下达。虚拟空间应用强化学习、迁徙学习、生成式对抗网络、网络特征学习、计算机视觉等新一代人工智能技术实现对物理空间中的状态、事件、过程、现象等的深度理解和信息/知识挖掘，从而为业务交互中的多主体协同决策优化提供支持。

数字孪生是物理实体的工作状态和工作进展在虚拟空间的全要素重建及数字化映射，是一个集成多物理、多尺度、超写实、动态概率的仿真模型，可以用来模拟、监控、诊断、预测、控制产品物理实体在现实环境中的生产过程、状态和行为。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。

本公开提供了一种剐齿加工热力耦合数字孪生模型构建方法，如图1所示，包括如下操作S1～操作S6：

操作S1：将剐齿刀的刀齿沿切削刃方向离散为N个微段齿和N个微段刃，如图2所示，其中，N为大于等于1的整数；

操作S2：将剐齿加工过程等效为斜角切削过程，得出第一斜角切削参数和第二斜角切削参数；

操作S3：根据第一斜角切削参数，计算微段齿的剐削温度解析模型；

操作S4：根据第二斜角切削参数，计算微段刃的剐削力解析模型；

操作S5：根据高斯过程回归算法，建立剐齿过程的时变模型；

操作S6：将剐削温度解析模型、剐削力解析模型和时变模型集成融合，得到剐齿过程的热力耦合模型，将热力耦合模型向虚拟空间映射建立剐齿加工热力耦合数字孪生模型。

该剐齿加工热力耦合数字孪生模型构建方法通过将剐削温度解析模型、削力解析模型和时变模型有机结合，保证了剐削过程的实时性与有效性，减少实验次数和生产缺陷，可提高齿轮的生产效率及其加工质量。

上述操作S6中具体为，由如下公式建立剐齿过程的热力耦合数字孪生模型：

其中，

表示为剐削力和剐削温度的耦合映射关系，耦合映射关系通过三维建模平台将剐削加工过程由物理空间向虚拟空间映射得到，F表示为微段刃的剐削力解析模型，T表示为微段齿的剐削温度解析模型；其中三维建模平台包括：Visual Components、Delmia、tecnomatix和unity 3D等。

作为一种全新的工艺方式，剐削加工与其他齿轮加工方式不同，剐削加工过程中参与切削的齿数是动态变化的。由剐齿刀设计理论可知，刀齿切削刃为空间曲线，参与剐削的切削刃长度时刻发生变化。该剐齿过程的热力耦合数字孪生模型可用于表征剐削过程中动态变化的剐削力和剐削温度。

在操作S2中，将剐齿加工过程等效为斜角切削过程，得出第一斜角切削参数和第二斜角切削参数，包括操作S21和S22：

操作S21：选取第i个微段刃上任一点为原点，以切削速度方向为x轴，建立局部坐标系。

操作S22：根据局部坐标系，基于金属切削原理，求取第一斜角切削参数和第二斜角切削参数。其中，第一斜角切削参数包括：刀-屑沿前刀面的流动速度，刀-屑接触长度；第二斜角切削参数包括：切削厚度、切削宽度、剪切角、等效截面前角、流屑角、剪切角、摩擦角、刃倾角、法平面前角，其中，法平面为垂直于微段刃的平面。

在特定时刻下，参与切削的切削刃状态如图3所示。图3中，P_s、P_r和P_e分别表示切削平面、基平面和等效截面，t_p表示参与切削的切削刃切向矢量，n_p表示前刀面的法向矢量，l_p表示等效截面与前刀面交线方向上的矢量，l_r表示等效截面与基平面交线方向上的矢量，l_p和l_r之间的夹角即为等效截面前角γ_e，v_x表示参与切削的切削刃上的切削速度，而且v_x垂直于l_r。由图3可知，剐削过程中的切削前角也时刻发生变化。

根据曲面共轭剐齿刀设计原理可得，图4中参与切削的切削刃的切削速度v_x为：

v_x＝ω₂×r₂-ω₁×r₁-f

式中，

上述公式中，ω₁和ω₁分别表示齿轮工件转速的矢量和标量，ω₂和ω₂分别表示剐齿刀具转速的矢量和标量，f和f分别表示进给速度的矢量和标量，r₁和r₂分别表示工件坐标系中的工件齿面和刀具坐标系中的共轭面，i₁、j₁、k₁分别表示工件坐标系的三个坐标轴的单位矢量，k₂表示刀具坐标系z向坐标轴的单位矢量，a表示剐齿刀具和齿轮工件的中心距。

对于微段齿的剐削温度计算，在等效截面P_e上，切屑为连续切屑，而且切屑的塑性流动发生在剪切变形区域内。切屑流动速度v_ch、切削速度v_x与剪切变形区域内的剪切滑移速度之间的关系如图4所示。各个速度之间的关系可用以下公式表示：

式中，v_n表示垂直于剪切带的速度分量，v_s1和v_s2表示剪切变形区域内的剪切滑移速度。

虽然剐削加工过程中参与切削的齿数、切削刃长度和切削前角是时变的，但是对于参与切削的每一个刀齿和刀齿上的每一段切削刃而言，其剐削力和剐削温度的产生机理是一样的。因此，将剐齿刀的刀齿沿着切削刃离散为若干小份，将每一小份刀齿称为微段齿，将微段齿的切削刃称为微段刃，每段微段刃可近似为直线刃，如图2所示。

显然，微段齿和微段刃的切削特点与斜角切削特点完全相符，因此，将微段齿和微段刃的剐削过程等效为斜角切削过程，基于斜角切削原理计算剐削力和剐削温度。为了建立微段刃的剐削力模型和微段齿的剐削温度模型，以某段微段刃上任意一点为原点，以切削速度方向为x轴，建立局部坐标系CO，如图5所示。图5中，直线段AB表示某段微段刃，点A为微段刃的起始端点，坐标原点O与微段刃上任一点E重合，选定x轴的方向与切削速度v_x方向重合，则微段刃AB和切削速度v_x所在的平面即为切削平面P_s，即平面xOy。将过点E并垂直于切削速度v_x的平面定义为基平面P_r，即平面yOz。将过点E并同时垂直于切削平面和基平面的平面定义为正交平面P_o，即平面xOz。对于微段刃AB而言，ABCD所在的平面即为前刀面，将切屑沿前刀面的流动速度v_ch分解为切削速度v_x和剪切速度v_s两部分，则这三个方向的速度矢量处在同一平面上，称该平面为等效截面P_e。直线段OF即为等效截面和基平面的交线。根据金属切削原理可知，微段刃的剐削力和微段齿的剐削温度可在等效截面P_e上计算得到。

为了建立微段刃的剐削力模型和微段齿的剐削温度模型，需要在图5的基础上，对微段刃或微段齿的空间几何关系进行详细分析，如图6所示。图6中，平面CFSU表示法平面，该平面垂直于微段刃AB，平面OGH表示等效截面，∠BET由微段刃AB和基平面P_r与切削平面P_s的交线OT构成，由金属切削原理可知∠BET即为刃倾角λ_s。∠ECB由切屑流动方向上的直线EC和法平面与前刀面交线CB构成，由金属切削原理可知∠ECB即为流屑角ψ_λ。∠HEG由等效截面与前刀面的交线EG和等效截面与基平面的交线EH构成，由金属切削原理可知∠HEG即为等效截面前角γ_e。∠EWG由直线EW和WG构成，其中直线EW与剪切速度方向一致，直线WG平行于切削速度方向，由金属切削原理可知∠EWG即为剪切角φ_e。平面CFSU与前刀面和基平面的交线分别为直线CB和US，过B点作构造线KB平行于直线US，则∠KBC即为法平面前角γ_n。

在操作S3中，根据第一斜角切削参数，计算微段齿的剐削温度解析模型包括：

将第一斜角切斜参数代入下式，计算微段齿的剐削温度解析模型，

其中，T_ins表示为微段齿的剐削温度解析模型，R_chf表示为摩擦热流入切屑的比例，μ表示为刀-屑接触面的摩擦系数，σ_ro表示为前刀面所受到的最大压应力，λ_w表示为工件材料的热导率，ρ表示为工件材料的密度，c表示为工件材料的比热容，v_ch表示为刀-屑沿前刀面的流动速度，l表示为刀-屑接触长度，ξ表示为加工指数，

表示为

i表示为泰勒展开运算产生的多项式阶数，j表示为泰勒展开运算产生的多项式阶数，T_t表示为刀具的初始温度。

根据图5中的空间几何关系可知，切屑受到的剪切力F_s的方向与EW方向一致，摩擦力F_f的方向与EG方向一致，即切屑受到的剪切力与摩擦力均处在等效截面内，则切屑对前刀面的作用力F_n也位于等效截面内。与此同时，F_n还位于法平面内，则F_n的方向须与直线CQ一致，其中直线CQ为等效截面和法平面的交线，故直线CQ垂直于前刀面。令

则∠EQC即为摩擦角β_e。因为直线CQ垂直于平面ECB，且直线LM为CQ在xOz平面内的投影，所以LM垂直于直线EL，进而可知∠MLN＝∠MEL。∠MEL由直线ME和EL构成，其中，直线EL为前刀面和正交平面的交线，直线ME为基平面和正交平面的交线，故∠MEL即为正交平面前角γ_o，则∠MLN＝γ_o。

在操作S4中，根据第二斜角切削参数，计算微段刃的剐削力解析模型包括如下步骤：

将第二斜角切削参数中代入下式计算剐削力解析模型，

F_Os＝[F_x，F_y，F_z]^T

式中，F_x表示为

F_y表示为

F_z表示为

其中，a_kc表示为切削厚度、a_kw表示为切削宽度，σ_s表示为工件材料的屈服强度，φ_e表示为剪切角，γ_e表示为等效截面前角，ψ_λ表示为流屑角，φ_e表示为剪切角，β_e表示为摩擦角，λ_s表示为刃倾角，γ_n表示为法平面前角，法平面为垂直于微段刃的平面。

在操作S5中，根据高斯过程回归算法，建立剐齿过程的时变模型，包括：

根据高斯过程回归算法，由下式计算参与剐削的刀齿数的时变模型，

N(t)＝F₁(S_g，∑，n_t，f，a，t)

剐削过程中，刀具的某个刀齿侵入待加工齿面即表明该刀齿参与切削，因此，可以通过刀齿刃扫面与待加工齿面是否发生干涉判断任意时刻下参与切削的刀齿数N(t)。

根据高斯过程回归算法，由下式计算参与剐削的微段齿的数目的时变模型，

n(t)＝F₂(S_g，C，n_t，f，a，t)

将刃扫面按时间离散可以得到任意时刻下切削刃相对于待加工齿面的空间位置，因此，可以通过观察切削刃与待加工齿面的干涉区域判断任意时刻下参与切削的切削刃长度，即微段齿数或微段刃数n(t)。同理，给定齿轮工件的齿面模型S_g、刀齿切削刃曲线C、刀具转速n_t、进给量f、切削深度a、剐削时间t，按照上述方法即可得到任意时刻下参与切削的切削刃长度，沿切削刃划分为若干份并进行计数，即可得到参与切削的微段齿数或微段刃数n(t)。

根据高斯过程回归算法，由下式计算参与剐削的微段刃的切削前角的时变模型，

γ(n)＝F₃(n，S_g，C，n_t，f，a，t)

其中，n表示为参与剐削的微段齿数。

针对每一段微段刃，以微段刃的切向矢量和切削速度为基础构建刀具切削角的测量坐标系，根据金属切削理论，主剖面和基面的交线与主剖面和前刀面交线的切线的夹角即为切削前角，因此采用该方法可以得到任意时刻下参与切削的所有微段刃的切削前角γ(n)。

本公开还提供了一种电子设备，包括：处理器、存储器、通信接口和通信总线，处理器、存储器和通信接口通过通信总线完成相互间的通信。

存储器用于存放至少一可执行指令，可执行指令使处理器执行上述的热力耦合数字孪生模型构建方法。

本公开还提供了一种计算机可读存储介质，存储介质中存储有至少一可执行指令，可执行指令在电子设备上运行时，使得电子设备执行如前文的剐齿加工热力耦合数字孪生模型构建方法。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造，并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种剐齿加工热力耦合数字孪生模型构建方法，包括：

将剐齿刀的刀齿沿切削刃方向离散为N个微段齿和N个微段刃，其中，N为大于等于1的整数；

将剐齿加工过程等效为斜角切削过程，得出第一斜角切削参数和第二斜角切削参数；

根据所述第一斜角切削参数，计算所述微段齿的剐削温度解析模型；

根据所述第二斜角切削参数，计算所述微段刃的剐削力解析模型；

根据高斯过程回归算法，建立剐齿过程的时变模型；以及

将所述剐削温度解析模型、所述剐削力解析模型和所述时变模型集成融合，得到剐齿过程的热力耦合模型，将所述热力耦合模型向虚拟空间映射建立剐齿加工热力耦合数字孪生模型；

其中，所述第一斜角切削参数包括：刀-屑沿前刀面的流动速度，刀-屑接触长度；

所述第二斜角切削参数包括：切削厚度、切削宽度、剪切角、等效截面前角、流屑角、剪切角、摩擦角、刃倾角及法平面前角，其中，所述法平面为垂直于微段刃的平面；

其中，所述根据所述第一斜角切削参数，计算所述微段齿的剐削温度解析模型包括：

将所述第一斜角切斜参数代入下式，计算所述微段齿的剐削温度解析模型，

其中，T_ins表示为微段齿的剐削温度解析模型，R_chf表示为摩擦热流入切屑的比例，μ表示为刀-屑接触面的摩擦系数，σ_ro表示为前刀面所受到的最大压应力，λ_w表示为工件材料的热导率，ρ表示为工件材料的密度，c表示为工件材料的比热容，v_ch表示为刀-屑沿前刀面的流动速度，l表示为刀-屑接触长度，ξ表示为加工指数，

表示为

i表示为泰勒展开运算产生的多项式阶数，j表示为泰勒展开运算产生的多项式阶数，T_t表示为刀具的初始温度；

其中，所述根据所述第二斜角切削参数，计算所述微段刃的剐削力解析模型包括：

将所述第二斜角切削参数中代入下式计算所述剐削力解析模型，

F_Os＝[F_x，F_y，F_z]^T

式中，F_x表示为

F_y表示为

F_z表示为

其中，a_kc表示为切削厚度、a_kw表示为切削宽度，σ_s表示为工件材料的屈服强度，φ_e表示为剪切角，γ_e表示为等效截面前角，ψ_λ表示为流屑角，φ_e表示为剪切角，β_e表示为摩擦角，λ_s表示为刃倾角，γ_n表示为法平面前角，所述法平面为垂直于微段刃的平面。

2.根据权利要求1所述的剐齿加工热力耦合数字孪生模型构建方法，其中，所述将所述剐削温度解析模型、所述剐削力解析模型和所述时变模型集成融合，得到剐齿过程的热力耦合模型，将所述热力耦合模型向虚拟空间映射建立热力耦合数字孪生模型，包括：

由下述公式建立所述剐齿过程的热力耦合数字孪生模型，

其中，

表示为所述剐削力和所述剐削温度的耦合映射关系，所述耦合映射关系通过三维建模平台将剐削加工过程由物理空间向虚拟空间映射得到；

F表示为所述微段刃的剐削力解析模型，T表示为所述微段齿的剐削温度解析模型。

3.根据权利要求1所述的剐齿加工热力耦合数字孪生模型构建方法，其中，所述将剐齿加工过程等效为斜角切削过程，得出第一斜角切削参数和第二斜角切削参数，包括：

选取第i个所述微段刃上任一点为原点，以切削速度方向为x轴，建立局部坐标系；

根据所述局部坐标系，基于金属切削原理，求取所述第一斜角切削参数和第二斜角切削参数。

4.根据权利要求1所述的剐齿加工热力耦合数字孪生模型构建方法，其中，所述根据高斯过程回归算法，建立剐齿过程的时变模型包括：

根据所述高斯过程回归算法，由下式计算参与剐削的刀齿数的时变模型，

N(t)＝F₁(S_g，∑，n_t，f，a，t)

根据所述高斯过程回归算法，由下式计算参与剐削的所述微段齿的数目的时变模型，

n(t)＝F₂(S_g，C，n_t，f，a，t)

根据所述高斯过程回归算法，由下式计算参与剐削的所述微段刃的切削前角的时变模型，

γ(n)＝F₃(n，S_g，C，n_t，f，a，t)

其中，S_g表示为工件的齿面模型，∑表示为刀齿刃扫面模型，n_t表示为刀具转速，f表示为进给量，a表示为切削深度，t表示为剐削时间，C表示为刀齿切削刃曲线，n表示为参与剐削的微段齿数。

5.根据权利要求1所述的剐齿加工热力耦合数字孪生模型构建方法，其中，所述微段刃为所述微段齿的切削刃，所述微段刃为直线刃。

6.一种电子设备，包括：处理器、存储器、通信接口和通信总线，所述处理器、所述存储器和所述通信接口通过所述通信总线完成相互间的通信；

所述存储器用于存放至少一可执行指令，所述可执行指令使所述处理器执行如权利要求1-5任意一项所述的剐齿加工热力耦合数字孪生模型构建方法。

7.一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有至少一可执行指令，所述可执行指令在电子设备上运行时，使得电子设备执行如权利要求1-5任意一项所述的剐齿加工热力耦合数字孪生模型构建方法。

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