CN115035964B - 晶体金属材料微铣削性能预测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了晶体金属材料微铣削性能预测方法及系统；其中所述方法包括：获取初始工况；计算切削刃运动轨迹；计算当前时刻的未变形切屑厚度；通过对当前工况的晶粒尺度直角微切削仿真，得到平均材料变形量和平均直角微切削力随未变形切屑厚度的变化规律；根据所述变化规律和当前时刻未变形切屑厚度，计算出当前未变形切屑厚度下的平均材料变形量和平均直角微切削力；根据平均直角微切削力，确定实际工艺中进给方向微铣削力和法向微铣削力；根据平均材料变形量和切削刃运动轨迹，确定微铣削过程中的实际加工表面坐标；判断铣削是否完成，若完成，则根据实际加工表面坐标，提取侧壁坐标，计算出表面粗糙度。
Description
技术领域
本发明涉及微铣削性能预测技术领域，特别是涉及晶体金属材料微铣削性能预测方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提到了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
晶体金属材料广泛存在于自然界并大量应用于人类社会中，航空航天、机械电子、生物、光学等领域微型化的发展趋势导致对晶体金属材料微型零件的大量需求产生。因具有成本低、效率高、可加工三维复杂微结构等优势，微铣削技术成为这类晶体金属材料微型零件的关键制备技术之一。
微型零件的应用广度和服役性能依赖于它的生产效率和表面质量，而其生产效率和表面质量取决于工艺系统的性能。微铣削性能(如铣削力、表面粗糙度)预测是实现工艺优化，进而实现高质量微型零件高效低耗生产的必要环节。目前的微铣削性能预测方法主要有试验法、解析建模法以及数值建模法三种类型。
试验法通过开展微铣削试验以探索工艺参数对加工性能的影响，进而建立经验模型，这种方法虽然能够直接获取实际工况下的材料响应，但由于微切削的刀具特征尺寸和切削用量均在微米级，导致试验精度要求高、开展难度大，无法实时观测切削区域的演化情况，而且所建立模型的预测精度低。
解析建模相关的技术通过建立刀具轨迹和瞬时未变形切屑厚度的预测模型来实现微铣削过程中材料变形行为和加工性能的预测，但由于实际工况的复杂性，该方法难以描述晶体材料微结构不均匀性和力学性能各向异性对微铣削过程中材料变形行为的影响。
数值建模法通过建立三维微铣削有限元仿真模型来直接研究材料在微铣削工况下的变形行为，然而，由于晶体材料微铣削过程中材料弹塑性变形与损伤行为的高度非线性，当前的有限元软件在三维空间中开展考虑晶粒尺度材料特性的微铣削仿真时通常难以达到收敛。
上述现有技术均无法准确预测晶体金属材料微铣削过程中工件的不均匀晶粒尺度微结构和晶体材料力学性能各向异性对微铣削材料变形与去除行为的影响，导致微铣削性能预测结果不准确，难以满足实际应用需求。
发明内容
针对现有晶体金属材料微铣削性能预测技术中未考虑不均匀晶粒尺度微结构和晶体材料力学性能各向异性对微铣削材料变形与去除行为的影响，导致微铣削性能预测结果不准确的问题，本发明提供了晶体金属材料微铣削性能预测方法及系统；能够模拟因晶体材料特性而导致的材料变形行为和加工性能的演化，从而大幅提高预测精度。
第一方面，本发明提供了晶体金属材料微铣削性能预测方法；
晶体金属材料微铣削性能预测方法，包括：
获取初始工况；计算切削刃运动轨迹；
计算当前时刻的未变形切屑厚度；通过对当前工况的晶粒尺度直角微切削仿真，得到平均材料变形量和平均直角微切削力随未变形切屑厚度的变化规律；
根据所述变化规律和当前时刻未变形切屑厚度，计算出当前未变形切屑厚度下的平均材料变形量和平均直角微切削力；
根据平均直角微切削力，确定实际工艺中进给方向微铣削力和法向微铣削力；根据平均材料变形量和切削刃运动轨迹，确定微铣削过程中的实际加工表面坐标；
判断铣削是否完成，若完成，则根据实际加工表面坐标，提取侧壁坐标，计算出表面粗糙度。
第二方面，本发明提供了晶体金属材料微铣削性能预测系统；
晶体金属材料微铣削性能预测系统，包括：
获取模块，其被配置为：获取初始工况；
轨迹计算模块，其被配置为：计算切削刃运动轨迹；
厚度计算模块，其被配置为：计算当前时刻的未变形切屑厚度；
仿真模块，其被配置为：通过对当前工况的晶粒尺度直角微切削仿真，得到平均材料变形量和平均直角微切削力随未变形切屑厚度的变化规律；
平均材料变形量和平均直角微切削力计算模块，其被配置为：根据所述变化规律和当前时刻未变形切屑厚度，计算出当前未变形切屑厚度下的平均材料变形量和平均直角微切削力；
确定模块，其被配置为：根据平均直角微切削力，确定实际工艺中进给方向微铣削力和法向微铣削力；根据平均材料变形量和切削刃运动轨迹，确定微铣削过程中的实际加工表面坐标；
判断模块，其被配置为：判断铣削是否完成，若完成，则根据实际加工表面坐标，提取侧壁坐标，计算出表面粗糙度。
第三方面，本发明还提供了一种电子设备，包括：
存储器，用于非暂时性存储计算机可读指令；以及
处理器，用于运行所述计算机可读指令，
其中，所述计算机可读指令被所述处理器运行时，执行上述第一方面所述的方法。
第四方面，本发明还提供了一种存储介质，非暂时性地存储计算机可读指令，其中，当所述非暂时性计算机可读指令由计算机执行时，执行第一方面所述方法的指令。
第五方面，本发明还提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序当在一个或多个处理器上运行的时候用于实现上述第一方面所述的方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
实现了基于晶粒尺度直角微切削仿真的晶体金属材料微铣削性能预测，能够准确模拟晶体金属材料微铣削过程中的微铣削力和表面粗糙度，从而大幅提高预测精度；应用于实际晶体金属材料微铣削加工可显著降低工艺调试成本、提升加工精度与效率。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为实施例一的微铣削工艺简化图；
图2为实施例一的微铣削初始工况示例；
图3为实施例一的简化的切削刃运动轨迹与瞬时未变形切屑厚度的确定；
图4为实施例一的计算出的切削刃运动轨迹；
图5为实施例一的未变形切屑厚度的变化规律；
图6(a)-图6(c)为实施例一的不同未变形切屑厚度下的多晶直角微切削仿真模型；
图7(a)-图7(b)为实施例一的未变形切屑厚度对直角微切削性能的影响；
图8为实施例一的平均材料变形量的变化趋势；
图9为实施例一的微铣削力和直角微切削力的对应关系；
图10为实施例一的预测的二维微铣削力变化规律；
图11为实施例一的预测的侧壁轮廓；
图12为实施例一的预测流程图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本实施例所有数据的获取都在符合法律法规和用户同意的基础上，对数据的合法应用。
实施例一
本实施例提供了晶体金属材料微铣削性能预测方法；
如图12所示，晶体金属材料微铣削性能预测方法，包括：
S101：获取初始工况；
S102：计算切削刃运动轨迹；
S103：计算当前时刻的未变形切屑厚度；
S104：通过对当前工况的晶粒尺度直角微切削仿真，得到平均材料变形量和平均直角微切削力随未变形切屑厚度的变化规律；
S105：根据所述变化规律和当前时刻未变形切屑厚度，计算出当前未变形切屑厚度下的平均材料变形量和平均直角微切削力；
S106：根据平均直角微切削力，确定实际工艺中进给方向微铣削力和法向微铣削力；根据平均材料变形量和切削刃运动轨迹，确定微铣削过程中的实际加工表面坐标；
S107：判断铣削是否完成，若完成，则根据实际加工表面坐标，提取侧壁坐标，计算出表面粗糙度。
进一步地，所述S107还包括：若未完成，则重复S103～S106。
进一步地，所述S101：获取初始工况；其中，所述初始工况，包括：刀具参数、工艺参数、材料真实微结构信息和刀工配置信息；其中，
刀具参数，具体包括：刀具前角、刀具后角、刀具刃口半径、刀具直径；
工艺参数，具体包括：轴向切削深度、主轴转速、进给速度；
材料真实微结构信息，具体包括：晶粒尺寸分布、晶粒取向分布、晶界取向差分布；
刀工配置信息，具体包括：刀工摩擦系数。
进一步地，所述S102：计算切削刃运动轨迹；具体包括：
建立三维微铣削工艺与二维直角微切削模型之间的工艺映射：目前的微铣刀多为以侧刃为主要切削刃的螺旋立铣刀，由于在实际加工过程中轴向切削深度很小，本发明忽略螺旋角的影响，将微铣刀的切削刃简化为沿刀具轴向的直线刃，如图1所示。初始工况，如图2所示，设置为：微铣刀具有两个切削刃，刀具接触工件且两切削刃的理想锋利尖端所构成的直线与进给方向垂直。图中，Daxial、nm、fm分别为微铣削轴向切削深度、主轴转速以及进给速度，单位分别为mm、r/min、mm/min。考虑到实际微铣削工艺中进给速度相比切削刃的线速度很小，本发明忽略刀具进给对切削刃运动轨迹的影响。在不考虑刀具跳动并忽略前一切削刃已加工表面轮廓对后一切削刃运动轨迹影响的情况下，第一切削刃和第二切削刃依次切入材料，并在上一切削刃加工表面的基础上进行材料去除。
由第一切削刃进行材料去除时，两个切削刃的理想锋利尖端在材料基坐标系CS0中的运动轨迹如图3所示。第一切削刃和第二切削刃依次切入材料，并在上一切削刃加工表面的基础上进行材料去除。图中，P0和P0′分别为第一切削刃尖端和第二切削刃尖端的轨迹起始点，P和P′分别为当前切削刃和前一切削刃在t时刻的轨迹点，O为t时刻的刀具中心位置，θ为OP与Z轴的夹角，P″为t时刻待加工表面最高点，PP″的长度即为瞬时未变形切屑厚度Hc。因此可以将微铣削过程等效为瞬时切削速度Vc大小恒定、瞬时切削方向和瞬时未变形切屑厚度Hc不断变化的直角微切削过程。
建立切削刃尖端轨迹计算方程；
根据切削刃尖端轨迹计算方程，计算切削刃运动轨迹。
进一步地，所述切削刃尖端轨迹计算方程；具体为：
基于图3中所示的几何关系，瞬时切削速度Vc(单位：mm/s)的计算公式分别为：
其中，nm为微铣削主轴转速，单位分别为r/min。
显然Hc始终小于微铣削每齿进给量fz＝fm/2nm；fm为微铣削进给速度，单位为mm/min；而切削刃锋利尖端的运动轨迹为：
其中，x1为第一切削刃尖端横坐标；y1为第一切削刃尖端纵坐标；x2为第二切削刃尖端横坐标；y2为第二切削刃尖端纵坐标；R为微铣刀半径，θ1和θ2(单位：rad)分别为第一切削刃和第二切削刃的旋转角：
进一步地，所述S103：计算当前时刻的未变形切屑厚度；具体包括：
建立未变形切屑厚度预测方程；
根据未变形切屑厚度预测方程，计算每个时刻的未变形切屑厚度。
进一步地，所述未变形切屑厚度预测方程；具体为：
其中，Hc表示瞬时未变形切屑厚度，单位为μm。xP、yP、xP″、yP″分别为P和P″的坐标；P表示当前切削刃和前一切削刃在t时刻的轨迹点，P″为t时刻待加工表面最高点。
根据切削刃运动轨迹方程可直接求得P点的坐标(xP,yP)，而P″点的坐标(xP″,yP″)可利用P点、P″点以及微铣刀轴心点O三点共线这一几何特征求得，即P″点坐标还满足以下方程：
其中，θ表示P P″连线与进给方向的夹角。
进一步地，所述S104：通过对当前工况的晶粒尺度直角微切削仿真，得到平均材料变形量和平均直角微切削力随未变形切屑厚度的变化规律；具体包括：
S1041：根据初始工况信息和未变形切屑厚度的变化规律建立不同未变形切屑厚度下的晶粒尺度微结构模型和晶粒尺度直角微切削仿真模型；
S1042：通过晶粒尺度直角微切削仿真得到不同未变形切屑厚度下的厚度方向因刀具作用而导致的平均材料变形量(切削前后表层材料点在厚度方向上的距离)和平均直角微切削力；
S1043：建立平均材料变形量平均直角切削方向微切削力/>和平均直角切削厚度方向微切削力/>随未变形切屑厚度的变化规律曲线/>
S1034：变化规律曲线结合切削刃轨迹计算方程，得到微铣削过程中的实际加工表面坐标，再提取侧壁坐标即可构建已加工侧壁轮廓，从而计算出表面粗糙度。
以刀具前角αc＝8.5°，后角βc＝13°，刃口半径Re＝5μm，进给方向和刀具轴向分别沿材料基坐标系CS0的X方向和Y方向，主轴转速nm和轴向切深Daxial分别选用2000r/min和50μm，进给速度fm选用12mm/min和20mm/min为例，则相对应的切削速度Vc为31.4mm/s，每齿进给量fz为3μm和5μm。
具体直角微切削性能预测流程为：
(1)基于刀具和工艺参数，根据切削刃运动轨迹方程计算出切削刃理想锋利尖端运动轨迹，如图4所示(以fm＝20mm/min、前0.3s为例)。
(2)根据切削刃运动轨迹计算出稳定铣削状态下未变形切屑厚度的变化规律，如图5所示(以fm＝20mm/min、微铣刀旋转一周为例)。图中，前半个周期和后半个周期分别由第一切削刃和第二切削刃参与切削。
(3)设置未变形切屑厚度hc的取值范围(0～4.69μm)，逆推出相应的旋转角θ和切削方向，并基于已授权发明专利《晶体材料零件三维晶体塑性有限元建模方法及系统(ZL202110332428.6)》建立不同未变形切屑厚度下的多晶直角微切削仿真模型。以Hc取值2μm、4μm、4.69μm为例(对应的旋转角θ分别为27°、62°、90°)，基坐标系CS0下的直角微切削仿真模型如图6(a)-图6(c)所示(为提高仿真效率，仅对部分区域进行晶粒尺度微结构生成)。
(4)开展晶粒尺度直角微切削仿真，得到平均材料变形量和平均直角微切削力随未变形切屑厚度hc的变化规律，如图7(a)-图7(b)所示。
(5)基于平均材料变形量变化趋势计算出稳定铣削状态下平均材料变形量的变化规律，如图8所示。
进一步地，所述S105：根据所述变化规律和当前时刻未变形切屑厚度，计算出当前未变形切屑厚度下的平均材料变形量和平均直角微切削力；具体包括：
基于变化规律曲线和当前时刻t的瞬时未变形切屑厚度Hc，通过插值的方式得到当前时刻下的平均材料变形量/>和平均直角微切削力/>
进一步地，所述S106：根据平均直角微切削力，确定实际工艺中进给方向微铣削力和法向微铣削力；具体包括：
根据微铣削工艺和直角微切削的映射关系，确定平面应变状态下二维微铣削力Fx′、Fz′和平均直角微切削力的对应关系，如图9所示，计算公式为：
其中，和/>的正方向分别为瞬时切削方向C和瞬时未变形切屑厚度方向H，直角切削坐标系CS1与材料基坐标系CS0的瞬时相对姿态可由夹角θCS表征，其数值等于当前参与切削的切削刃和Z方向的夹角θc。
基于图7(a)-图7(b)所示的平均直角微切削力变化趋势计算出二维微铣削力Fx′、Fz′的变化规律曲线，如图10所示(以fm＝12mm/min为例)。
考虑到轴向切削深度对微铣削力的影响，实际工艺中进给方向微铣削力Fx和法向微铣削力Fz的计算公式为：
其中，Daxial和d分别为微铣削轴向切深和直角微切削模型中所使用的平面应变单元的厚度。
由切削刃运动轨迹和平均材料变形量的变化趋势计算出实时加工表面轮廓，进而提取出侧壁轮廓，如图11所示，根据侧壁轮廓即可计算表面粗糙度。
实施例二
本实施例提供了晶体金属材料微铣削性能预测系统；
晶体金属材料微铣削性能预测系统，包括：
获取模块，其被配置为：获取初始工况；
轨迹计算模块，其被配置为：计算切削刃运动轨迹；
厚度计算模块，其被配置为：计算当前时刻的未变形切屑厚度；
仿真模块，其被配置为：通过对当前工况的晶粒尺度直角微切削仿真，得到平均材料变形量和平均直角微切削力随未变形切屑厚度的变化规律；
平均材料变形量和平均直角微切削力计算模块，其被配置为：根据所述变化规律和当前时刻未变形切屑厚度，计算出当前未变形切屑厚度下的平均材料变形量和平均直角微切削力；
确定模块，其被配置为：根据平均直角微切削力，确定实际工艺中进给方向微铣削力和法向微铣削力；根据平均材料变形量和切削刃运动轨迹，确定微铣削过程中的实际加工表面坐标；
判断模块，其被配置为：判断铣削是否完成，若完成，则根据实际加工表面坐标，提取侧壁坐标，计算出表面粗糙度。
此处需要说明的是，上述获取模块、轨迹计算模块、厚度计算模块、仿真模块、平均材料变形量和平均直角微切削力计算模块、确定模块和判断模块对应于实施例一中的步骤S101至S107，上述模块与对应的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述实施例一所公开的内容。需要说明的是，上述模块作为系统的一部分可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。
上述实施例中对各个实施例的描述各有侧重，某个实施例中没有详述的部分可以参见其他实施例的相关描述。
所提出的系统，可以通过其他的方式实现。例如以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如上述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时，可以有另外的划分方式，例如多个模块可以结合或者可以集成到另外一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。
实施例三
本实施例还提供了一种电子设备，包括：一个或多个处理器、一个或多个存储器、以及一个或多个计算机程序；其中，处理器与存储器连接，上述一个或多个计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，该处理器执行该存储器存储的一个或多个计算机程序，以使电子设备执行上述实施例一所述的方法。
应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元CPU，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC，现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。
在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。
实施例一中的方法可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
实施例四
本实施例还提供了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成实施例一所述的方法。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.晶体金属材料微铣削性能预测方法，其特征是，包括：
获取初始工况；计算切削刃运动轨迹；
计算切削刃运动轨迹，具体包括：
建立三维微铣削工艺与二维直角微切削模型之间的工艺映射：将微铣刀的切削刃简化为沿刀具轴向的直线刃，初始工况，设置为：微铣刀具有两个切削刃，刀具接触工件且两切削刃的理想锋利尖端所构成的直线与进给方向垂直，Daxial、nm、fm分别为微铣削轴向切削深度、主轴转速以及进给速度，单位分别为mm、r/min、mm/min，在不考虑刀具跳动并忽略前一切削刃已加工表面轮廓对后一切削刃运动轨迹影响的情况下，第一切削刃和第二切削刃依次切入材料，并在上一切削刃加工表面的基础上进行材料去除；
第一切削刃和第二切削刃依次切入材料，并在上一切削刃加工表面的基础上进行材料去除，P0和P0′分别为第一切削刃尖端和第二切削刃尖端的轨迹起始点，P和P′分别为当前切削刃和前一切削刃在t时刻的轨迹点，O为t时刻的刀具中心位置，θ为OP与Z轴的夹角，P″为t时刻待加工表面最高点，PP″的长度即为瞬时未变形切屑厚度Hc，因此可以将微铣削过程等效为瞬时切削速度Vc大小恒定、瞬时切削方向和瞬时未变形切屑厚度Hc不断变化的直角微切削过程；
建立切削刃尖端轨迹计算方程；
根据切削刃尖端轨迹计算方程，计算切削刃运动轨迹；
所述切削刃尖端轨迹计算方程；具体为：
瞬时切削速度Vc(单位：mm/s)的计算公式分别为：
其中，nm为微铣削主轴转速，单位分别为r/min；
显然Hc始终小于微铣削每齿进给量fz＝fm/2nm；fm为微铣削进给速度，单位为mm/min；而切削刃锋利尖端的运动轨迹为：
其中，x1为第一切削刃尖端横坐标；y1为第一切削刃尖端纵坐标；x2为第二切削刃尖端横坐标；y2为第二切削刃尖端纵坐标；R为微铣刀半径，θ1和θ2(单位：rad)分别为第一切削刃和第二切削刃的旋转角：
计算当前时刻的未变形切屑厚度；通过对当前工况的晶粒尺度直角微切削仿真，得到平均材料变形量和平均直角微切削力随未变形切屑厚度的变化规律；
根据所述变化规律和当前时刻未变形切屑厚度，计算出当前未变形切屑厚度下的平均材料变形量和平均直角微切削力；
根据平均直角微切削力，确定实际工艺中进给方向微铣削力和法向微铣削力；根据平均材料变形量和切削刃运动轨迹，确定微铣削过程中的实际加工表面坐标；
判断铣削是否完成，若完成，则根据实际加工表面坐标，提取侧壁坐标，计算出表面粗糙度。
2.如权利要求1所述的晶体金属材料微铣削性能预测方法，其特征是，通过对当前工况的晶粒尺度直角微切削仿真，得到平均材料变形量和平均直角微切削力随未变形切屑厚度的变化规律；具体包括：
根据初始工况信息和未变形切屑厚度的变化规律建立不同未变形切屑厚度下的晶粒尺度微结构模型和晶粒尺度直角微切削仿真模型；
通过晶粒尺度直角微切削仿真得到不同未变形切屑厚度下的厚度方向因刀具作用而导致的平均材料变形量和平均直角微切削力；
建立平均材料变形量和平均直角微切削力/>随未变形切屑厚度的变化规律曲线
变化规律曲线结合切削刃轨迹计算方程，得到微铣削过程中的实际加工表面坐标，再提取侧壁坐标即可构建已加工侧壁轮廓，从而计算出表面粗糙度。
3.如权利要求1所述的晶体金属材料微铣削性能预测方法，其特征是，根据所述变化规律和当前时刻未变形切屑厚度，计算出当前未变形切屑厚度下的平均材料变形量和平均直角微切削力；具体包括：基于变化规律曲线 和当前时刻t的瞬时未变形切屑厚度Hc，通过插值的方式得到当前时刻下的平均材料变形量/>和平均直角微切削力
4.如权利要求1所述的晶体金属材料微铣削性能预测方法，其特征是，根据平均直角微切削力，确定实际工艺中进给方向微铣削力和法向微铣削力；具体包括：根据微铣削工艺和直角微切削的映射关系，确定平面应变状态下二维微铣削力F′x、F′z和平均直角微切削力的对应关系；根据平均直角微切削力，确定实际工艺中进给方向微铣削力和法向微铣削力。
5.如权利要求1所述的晶体金属材料微铣削性能预测方法，其特征是，计算切削刃运动轨迹；具体包括：建立切削刃尖端轨迹计算方程；根据切削刃尖端轨迹计算方程，计算切削刃运动轨迹。
6.如权利要求1所述的晶体金属材料微铣削性能预测方法，其特征是，计算当前时刻的未变形切屑厚度；具体包括：建立未变形切屑厚度预测方程；根据未变形切屑厚度预测方程，计算每个时刻的未变形切屑厚度。
7.如权利要求1所述的晶体金属材料微铣削性能预测方法，其特征是，获取初始工况；其中，所述初始工况，包括：刀具参数、工艺参数、材料真实微结构信息和刀工配置信息；其中，刀具参数，具体包括：刀具前角、刀具后角、刀具刃口半径、刀具直径；工艺参数，具体包括：轴向切削深度、主轴转速、进给速度；材料真实微结构信息，具体包括：晶粒尺寸分布、晶粒取向分布、晶界取向差分布；刀工配置信息，具体包括：刀工摩擦系数。
8.晶体金属材料微铣削性能预测系统，其特征是，包括：
获取模块，其被配置为：获取初始工况；
轨迹计算模块，其被配置为：计算切削刃运动轨迹；
计算切削刃运动轨迹，具体包括：
建立三维微铣削工艺与二维直角微切削模型之间的工艺映射：将微铣刀的切削刃简化为沿刀具轴向的直线刃，初始工况，设置为：微铣刀具有两个切削刃，刀具接触工件且两切削刃的理想锋利尖端所构成的直线与进给方向垂直，Daxial、nm、fm分别为微铣削轴向切削深度、主轴转速以及进给速度，单位分别为mm、r/min、mm/min，在不考虑刀具跳动并忽略前一切削刃已加工表面轮廓对后一切削刃运动轨迹影响的情况下，第一切削刃和第二切削刃依次切入材料，并在上一切削刃加工表面的基础上进行材料去除；
第一切削刃和第二切削刃依次切入材料，并在上一切削刃加工表面的基础上进行材料去除，P0和P0′分别为第一切削刃尖端和第二切削刃尖端的轨迹起始点，P和P′分别为当前切削刃和前一切削刃在t时刻的轨迹点，O为t时刻的刀具中心位置，θ为OP与Z轴的夹角，P″为t时刻待加工表面最高点，PP″的长度即为瞬时未变形切屑厚度Hc，因此可以将微铣削过程等效为瞬时切削速度Vc大小恒定、瞬时切削方向和瞬时未变形切屑厚度Hc不断变化的直角微切削过程；
建立切削刃尖端轨迹计算方程；
根据切削刃尖端轨迹计算方程，计算切削刃运动轨迹；
所述切削刃尖端轨迹计算方程；具体为：
瞬时切削速度Vc(单位：mm/s)的计算公式分别为：
其中，nm为微铣削主轴转速，单位分别为r/min；
显然Hc始终小于微铣削每齿进给量fz＝fm/2nm；fm为微铣削进给速度，单位为mm/min；而切削刃锋利尖端的运动轨迹为：
其中，x1为第一切削刃尖端横坐标；y1为第一切削刃尖端纵坐标；x2为第二切削刃尖端横坐标；y2为第二切削刃尖端纵坐标；R为微铣刀半径，θ1和θ2(单位：rad)分别为第一切削刃和第二切削刃的旋转角：
厚度计算模块，其被配置为：计算当前时刻的未变形切屑厚度；
仿真模块，其被配置为：通过对当前工况的晶粒尺度直角微切削仿真，得到平均材料变形量和平均直角微切削力随未变形切屑厚度的变化规律；
平均材料变形量和平均直角微切削力计算模块，其被配置为：根据所述变化规律和当前时刻未变形切屑厚度，计算出当前未变形切屑厚度下的平均材料变形量和平均直角微切削力；
确定模块，其被配置为：根据平均直角微切削力，确定实际工艺中进给方向微铣削力和法向微铣削力；根据平均材料变形量和切削刃运动轨迹，确定微铣削过程中的实际加工表面坐标；
判断模块，其被配置为：判断铣削是否完成，若完成，则根据实际加工表面坐标，提取侧壁坐标，计算出表面粗糙度。
9.一种电子设备，其特征是，包括：存储器，用于非暂时性存储计算机可读指令；以及处理器，用于运行所述计算机可读指令，其中，所述计算机可读指令被所述处理器运行时，执行上述权利要求1-7任一项所述的方法。
10.一种存储介质，其特征是，非暂时性地存储计算机可读指令，其中，当所述非暂时性计算机可读指令由计算机执行时，执行权利要求1-7任一项所述方法的指令。
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| CN110597180A (zh) * | 2019-09-10 | 2019-12-20 | 大连理工大学 | 一种基于切削过程仿真的单晶铜微铣削力预测方法 |
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| 微切削加工技术;刘战强;雷原忠;;工具技术;20060328(03);全文 * |
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