CN116061004B - 振动作用下铣刀瞬态切削能效分布的变化特性的识别方法 - Google Patents
振动作用下铣刀瞬态切削能效分布的变化特性的识别方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116061004B CN116061004B CN202211260551.2A CN202211260551A CN116061004B CN 116061004 B CN116061004 B CN 116061004B CN 202211260551 A CN202211260551 A CN 202211260551A CN 116061004 B CN116061004 B CN 116061004B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- cutting
- instantaneous
- cutter
- energy
- milling cutter
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 title claims abstract description 450
- 238000003801 milling Methods 0.000 title claims abstract description 242
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 67
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 title claims abstract description 53
- 230000008859 change Effects 0.000 title claims abstract description 42
- 230000000694 effects Effects 0.000 title claims description 16
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 claims abstract description 65
- 238000010008 shearing Methods 0.000 claims abstract description 37
- 230000009471 action Effects 0.000 claims abstract description 26
- 238000005315 distribution function Methods 0.000 claims abstract description 24
- 238000010276 construction Methods 0.000 claims description 21
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 20
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 18
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 14
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 14
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 13
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims description 13
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 12
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 11
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 claims description 7
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 claims description 3
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 3
- 238000012937 correction Methods 0.000 claims description 3
- 238000013519 translation Methods 0.000 claims description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 abstract description 3
- 238000003754 machining Methods 0.000 abstract description 2
- 230000006399 behavior Effects 0.000 description 7
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000010219 correlation analysis Methods 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 235000013619 trace mineral Nutrition 0.000 description 1
- 239000011573 trace mineral Substances 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
- B23Q17/00—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools
- B23Q17/09—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools for indicating or measuring cutting pressure or for determining cutting-tool condition, e.g. cutting ability, load on tool
- B23Q17/0952—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools for indicating or measuring cutting pressure or for determining cutting-tool condition, e.g. cutting ability, load on tool during machining
- B23Q17/0971—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools for indicating or measuring cutting pressure or for determining cutting-tool condition, e.g. cutting ability, load on tool during machining by measuring mechanical vibrations of parts of the machine
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
- B23Q15/00—Automatic control or regulation of feed movement, cutting velocity or position of tool or work
- B23Q15/007—Automatic control or regulation of feed movement, cutting velocity or position of tool or work while the tool acts upon the workpiece
- B23Q15/013—Control or regulation of feed movement
Abstract
振动作用下铣刀瞬态切削能效分布的变化特性的识别方法，属于铣刀加工技术领域。本发明为了改进已有铣刀瞬时切削能量效率和切削比能解算方法难以揭示出刀齿切削刃上瞬时切削能量效率与切削比能的分布特性，依据铣削振动对铣刀瞬时切削位姿和瞬时切削输入、输出能量的影响特性构建铣刀和刀齿瞬时切削能量效率关联模型，利用刀齿铣削微元瞬时切削速度、瞬时剪切速度、瞬时主切削力和瞬时剪切力的解算模型，构建微元瞬时主切削力能耗分布函数与瞬时剪切力能耗分布函数。根据瞬时切削体积和刀齿切削刃瞬时切削上、下边界解算方法，获取瞬时切削能量效率、切削比能沿切削刃的分布特性。本发明解决了实际加工过程中工件去除材料大小无法定量描述的问题。
Description
技术领域
本发明属于铣刀加工技术领域，具体涉及振动作用下铣刀瞬态切削能效分布的变化特性的识别方法。
背景技术
铣刀高效、断续切削过程中，受切削载荷不断变化影响，铣刀输入、输出能量处于不稳定状态，其切削层参数不断变化，直接影响铣刀瞬态切削能耗。研究振动作用下铣刀瞬态切削能效分布变化特性，建立正确的瞬态能效解算模型，识别其关键控制变量，可为铣刀的高能效设计提供依据。
铣刀瞬时多齿切削方式决定了铣刀瞬态能效是由参与切削的各个刀齿的瞬态能效构成，刀齿切削刃上瞬态能量效率和切削比能的分布，是揭示铣刀瞬态切削能效变化特性的关键。采用螺旋刃立铣刀切削时，刀齿切削刃上各点瞬时切削速度矢量方向并不相同。同时，受铣削振动和刀齿误差的影响，刀齿瞬时切削行为在工件坐标系内处于不稳定状态，导致刀齿与工件瞬时切削接触关系处于不断变化过程之中，从而引起了切削刃上各点切削力的大小和方向不断变化，进而导致刀齿各点的能耗值并不相同，使得铣刀瞬态切削能效分布的变化特性呈多样性。
已有关于铣刀瞬态能量效率解算方法，由整把刀能耗之和比铣刀输入能量获取；已有关于铣刀切削比能的解算方法，利用铣刀切削时整把刀消耗的能量之和比工件材料去除率进行解算。上述方法假定铣刀各个刀齿的瞬时切削行为具有相同的变化特性，无法揭示出瞬态切削能效沿铣刀切削刃的空间分布特性，有必要对此进行深入研究。
发明内容
本发明针对已有铣刀瞬时切削能量效率和切削比能解算方法难以揭示出刀齿切削刃上瞬时切削能量效率与切削比能的分布特性，提出振动作用下铣刀瞬态切削能效分布的变化特性的识别方法。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
振动作用下铣刀瞬态切削能效分布的变化特性的识别方法，包括如下步骤：
S1、构建铣刀瞬时切削能量效率关联模型；
S2、构建铣刀瞬时切削能量传递与转换的表征方法：利用铣削振动对铣刀瞬时切削位姿和瞬时切削输入、输出能量的影响特性，构建铣刀瞬时输入、输出能量方程，实现铣刀瞬时切削能量效率传递与转换关系的定量描述；
S3、构建刀齿切削刃微元的瞬时剪切能量效率解算方法：利用切削刃瞬时切削上边界、下边界，微元瞬时切削速度，微元瞬时剪切速度，微元瞬时切削力，微元瞬时剪切力，对切削刃微元的瞬时切削力能耗分布函数与剪切力能耗分布函数进行构建，解算微元瞬时切削能量效率沿切削刃轴向高度的变化曲线；
S4、构建刀齿切削刃微元的瞬时切削比能的解算方法：利用切削刃瞬时切削上边界、下边界，微元瞬时切削体积，切削刃微元的瞬时切削力能耗分布函数与剪切力能耗分布函数，解算瞬时切削力比能与瞬时剪切比能沿切削刃轴向高度的变化曲线；
S5、基于加工表面形貌的铣刀瞬时切削体积求解方法：利用白光干涉仪获取的铣削加工表面形貌坐标点、刀齿任意一点瞬时切削位姿及铣刀结构，解算基于实验结果的铣刀瞬时切削体积；
S6、利用步骤S2至步骤S5及实验结果，对铣刀瞬态切削能效分布变化特性进行识别和评价。
进一步的，步骤S1的具体构建方法包括如下步骤：
S1.1、构建o-xyz为工件坐标系，o0-x0y0z0为无振动的切削坐标系，ov-xvyvzv为振动作用下的切削坐标系，od-xdydzd为铣刀结构坐标系，oi-aibici为刀齿坐标系；
S1.2、设置n为主轴转速，vf为进给速度，PM(t)为扭矩输入铣刀的能量；Px(t)、Py(t)、Pz(t)分别为沿x方向、y方向、z方向输入铣刀的能量，分别为刀齿i沿x方向、y方向、z方向的能耗；Pvx(t)、Pvy(t)、Pvz(t)分别为铣刀沿x方向、y方向、z方向的振动输入能量；/>为刀齿i的主切削力能耗；/>为刀齿i的剪切能耗，/>为刀齿切削体积消耗的能量，/>为伴随刀齿剪切过程所生成的热量；/>为刀齿i的摩擦能耗，/>为刀齿磨损能耗，/>为伴随刀齿摩擦磨损所生成的热量；
S1.3、构建工件坐标系中，铣刀切削刃任意一点的轨迹方程为：
[x(t) y(t) z(t) 1]T＝A3A2T3T2A1T1[xi yi zi 1]T (1)
式中，(xi,yi,zi)为切削刃任意一点在刀齿坐标系中的坐标，切削刃方程如式(2)所示：
式中，Δri为刀齿径向误差，ζi为滞后角；
S1.4、构建平移矩阵、旋转矩阵，A1,A2,A3为平移矩阵，T1,T2,T3为旋转矩阵，具体如式(3)～(9)所示：
式中，xv(t)为振动作用下铣刀原点在工件坐标系的x方向坐标，yv(t)为振动作用下铣刀原点在工件坐标系的y方向坐标，zv(t)为振动作用下铣刀原点在工件坐标系的z方向坐标，W为工件宽度，H为工件高度，ap为切削深度，ae为切削宽度，Δci为刀齿i的轴向误差，β为刀齿的螺旋角，为齿间夹角，/>为yd轴与yy轴在xvovyv平面内的瞬时夹角，θ1(t)、θ2(t)为铣削振动引起的铣刀偏置角。
式中，为t0时刻yd轴与yy轴在xvovyv平面内的瞬时夹角。
进一步的，步骤S2的具体构建方法包括如下步骤：
S2.1、设置P(t)为输入能量，Pc(t)为铣刀主切削力能耗，Pic(t)为铣刀内能，Pce(t)为铣刀离心力振动能耗，为铣刀切削力振动能耗，构建铣刀瞬时切削的能量输入如式(10)～(12)所示：
P(t)＝PM(t)+P1(t)+P2(t)+P3(t) (10)
P1(t)＝Px(t)+Py(t)+Pz(t) (11)
P2(t)＝Pvx(t)+Pvy(t)+Pvz(t) (12)
式中，P1(t)为机床进给系统输入的能量，P2(t)为进给系统附加的振动能量，P3(t)为铣刀能量消耗所需机床提供的附加能量；
S2.2、构建铣刀瞬时切削的能量输出如式(13)～(16)所示：
PE(t)＝Pie(t)+Pce(t)+Pc(t)+Pd(t) (13)
式中，Pd(t)为铣刀能量消耗的附加能耗；
S2.3、利用步骤S2.1、步骤S2.2的式(10)～式(16)，分析铣刀瞬时切削过程中的能量分配可知，铣刀瞬时输入能量转化为瞬时切削力能量的效率如式(17)所示：
S2.4、利用步骤S2,2的式(14)可知，铣刀作用在工件切削变形区的剪切变形能量是形成已加工表面的有效切削能量，则铣刀瞬时切削力能量转化为瞬时剪切能量的效率如式(18)所示：
S2.5、利用步骤S2.1至步骤S2.4获得铣刀瞬时切削能量效率传递与转换关系如式(19)～(21)所示：
式中，ec i(z,t)为刀齿切削刃微元的瞬时切削力比能，es i(z,t)为刀齿切削刃微元的瞬时剪切比能。pc i(z,t)为刀齿切削刃微元瞬时切削功率的分布函数，ps i(z,t)为刀齿切削刃微元瞬时剪切功率的分布函数，Vi(z,t)为刀齿切削刃微元的瞬时切削体积。
进一步的，步骤S3的具体构建方法包括如下步骤：
S3.1、铣削振动和刀齿误差共同作用下的铣刀及其刀齿的瞬时切削行为，改变了刀齿与工件的瞬时切削接触关系，使得刀齿切削刃的瞬时切削边界具有多变性，构建mk(t2)、mk(t3)、mk(t4)分别为t2时刻、t3时刻、t4时刻的切削刃上边界，m0(t1)、m0(t2)、m0(t3)分别为t1时刻、t2时刻、t3时刻的切削刃下边界，dz为刀齿切削刃微元宽度；
S3.2、构建铣削振动和刀齿误差影响下瞬时参与切削的刀齿切削刃上边界(mk)、下边界(m0)分别为：
θst＝3π/2-arccos[(ri-ae)/ri] (24)
式中，θi(t)为刀尖点的瞬时位置角，θst为刀齿的初始切入角，θwt为刀齿的初始切出角，值为3π/2，θet为刀齿完全切出工件时的位置角，θp为切削刃初始达到切深时的位置角；
S3.3、构建刀齿切削刃微元瞬时切削层厚度hD i(z,t)为：
S3.4、对切削刃特征点运动速度分解，设置为vc i在x轴的分量，/>为vc i在y轴的分量，/>为vc i在z轴的分量，/>为vc i与vc ix的夹角，/>为vc i与vc iy的夹角，/>为vc i与vc iz的夹角，vv x为振动速度在x轴的分量，vv y为振动速度在y轴的分量，vv z为振动速度在z轴的分量，构建刀齿切削刃微元的瞬时运动合速度和瞬时切削速度为：
式中，θc(t)为工件坐标系中v(t)与vc i(t)的夹角，且vc i(t)的方向与向量方向一致，点/>与/>在工件坐标系中的坐标为：
S3.5、利用式(27)～(32)，获得刀齿切削刃微元的瞬时切削力能耗和瞬时剪切能耗分布函数为：
其中，
θs＝π/4+γ0-arctanμ (36)
式中，kt为主切削力修正系数，其中，立铣刀切削钛合金时取值范围为1.17～1.68，κc(z,t)为单位切削力，vs i(t)为刀齿i选定点的剪切方向速度，τi(z,t)为刀齿i任意一点的剪应力，θs为剪切角，μ为摩擦系数，a为晶格常数(2.9506×10-10m)，h为普朗克常量(h＝6.62607015×10-34J·s)，k为波尔兹曼常量(k＝1.380649×10-23J/K)，υ为原子受迫振动频率，FN为切削刃特征点的法向应力；
S3.6、根据步骤S3.1-S3.5，得到刀齿切削刃微元的瞬时剪切能量效率ηsc i(z,t)为：
进一步的，步骤S4的具体构建方法包括如下步骤：
S4.1、构建微元瞬时切削体积，设置mj为切削刃上第j点，β为刀齿螺旋角，θ(t1)、θ(t2)为铣刀姿态角，则铣削振动和刀齿误差影响下瞬时切削体积Vi(z,t)为：
式中，fz i为刀齿i的每齿进给量，vc i(t)为考虑振动速度的刀齿i任意一点相对于工件的合成切削运动的瞬时速度在铣刀主运动速度方向上的分量；
S4.2、利用式(33)、式(34)和式(39)，则刀齿切削刃微元的瞬时切削力比能ec i(z,t)和瞬时剪切比能es i(z,t)为：
进一步的，步骤S5的具体构建方法包括如下步骤：
S5.1、利用白光干涉仪获取工件加工表面形貌的实测结果，根据铣削实验获取铣削振动实测结果、铣刀切削力实测结果；
S5.2、利用S5.1得到的实测结果，根据铣刀结构及刀齿瞬时位姿，对切削体积进行解算，如式(42)～式(45)所示：
式中，(xm0(t),ym0(t),zm0(t))为切削刃下边界任意一点在工件坐标系中的坐标，(xi m0(t),yi m0(t),zi m0(t))为切削刃下边界任意一点在刀齿坐标系中的坐标，(xmk(t),ymk(t),zmk(t))为切削刃上边界任意一点在工件坐标系中的坐标，(xi mk(t),yi mk(t),zi mk(t))为切削刃上边界任意一点在刀齿坐标系中的坐标；ζi(t)为t时刻的刀齿切削刃微元滞后角，为切削刃下边界瞬时位置角，V'(t)为铣刀瞬时切削体积实测结果。
进一步的，步骤S6的具体构建方法包括如下步骤：
S6.1、根据步骤S2-S5的基于实验结果的铣刀瞬时切削体积解算结果、基于实验结果的铣刀瞬时切削力能耗解算结果、基于实验结果的铣刀瞬时切削力比能解算结果，对铣刀瞬态切削能效分布的变化特性进行识别和评价；
S6.2、首先判断相对误差是否符合要求，判断为否，则返回步骤S1，判断为是则进行下一步；
S6.3、判断关联度是否符合要求，判断为否，则返回步骤S1，判断为是则进行下一步；
S6.4、判断关键工艺设计变量识别是否符合要求，判断为否，则返回步骤S1，判断为是则进行下一步；
S6.5、判断工艺设计方案是否符合设计要求，判断为否，则返回步骤S1，判断为是则完成关键工艺变量设计。
本发明的有益效果：
本发明所述的振动作用下铣刀瞬态切削能效分布的变化特性的识别方法，利用刀齿上的瞬时切削能量效率和切削比能，表征铣刀瞬时切削能量的传递效果和转换动态关系；利用刀齿瞬时切削上、下边界解算模型及切削体积解算模型，构建刀齿瞬时切削力能耗和剪切能耗分布函数，提出瞬时切削能量效率与切削比能解算方法，研究了铣刀刀齿瞬时切削能效的分布变化特性，并通过实验进行了验证。
本发明所述的振动作用下铣刀瞬态切削能效分布的变化特性的识别方法，考虑了铣削振动对铣刀瞬时切削位姿和瞬时切削输入能量、输出能量的影响，对铣刀和刀齿的瞬时切削能量效率进行了关联，揭示铣刀瞬时有效切削能量传递和转换的动态关系；本发明解决了已有铣刀能量传递和转换过程中忽略铣削振动影响铣刀瞬时切削位姿，进而导致铣削过程中能量分配的不确定性问题。
本发明所述的振动作用下铣刀瞬态切削能效分布的变化特性的识别方法，根据刀齿结构、铣刀及其刀齿的瞬时切削行为，对刀齿切削刃微元的瞬时切削能量效率和瞬时切削比能进行解算，揭示刀齿瞬时切削能量效率和瞬时切削比能沿切削刃轴向高度的空间分布特性；本发明建立了切削参数、刀齿结构参数、铣削振动、刀齿误差与铣刀瞬时切削能效的关系，识别出刀齿瞬态切削能效的构成及其动态变化特性影响因素，揭示了铣刀动态切削能效的形成与演变机理。
本发明所述的振动作用下铣刀瞬态切削能效分布的变化特性的识别方法，根据实验获取的加工表面形貌和刀齿瞬时切削位姿，对实验过程中的铣刀瞬时切削体积进行解算，结合实验获取的切削力数据，对铣刀瞬时切削比能解算模型进行验证。
本发明所述的振动作用下铣刀瞬态切削能效分布的变化特性的识别方法，解决了实际加工过程中工件去除材料大小无法定量描述的问题，该方法可用于铣刀去除材料能力的评价。
附图说明
图1为本发明所述的振动作用下铣刀瞬态切削能效分布的变化特性的识别方法的流程图；
图2为本发明振动作用下的铣刀瞬时切削位姿及能量构成及其分布图；
图3为本发明铣削振动加速度信号图；
图4为本发明铣刀轨迹解算图；
图5为本发明铣刀姿态角解算图；
图6为本发明刀尖点的轨迹解算图；
图7为本发明刀尖点的姿态角解算图；
图8为本发明铣刀瞬时能量输入、输出传递和转换关系示意图；
图9为本发明切削刃瞬时切削边界示意图；
图10为本发明切削刃瞬时切削边界图；
图11为本发明切削刃特征点运动速度分解图；
图12为本发明选定点瞬时切削速度解算结果对比图；
图13为本发明选定点瞬时剪切方向速度解算结果对比图；
图14为本发明立铣刀切削刃剪应力仿真图；
图15为本发明瞬时剪切能量效率沿切削刃的分布图，(a)为刀齿1，(b)为刀齿2，(c)为刀齿3，(d)为刀齿4，(e)为刀齿5；
图16为本发明振动作用下的切削刃瞬时剪切能量效率图；
图17为本发明瞬时切削体积解算示意图；
图18为本发明微元瞬时切削体积对比图；
图19为本发明瞬时切削力比能与瞬时剪切比能沿切削刃的分布图，(a)为刀齿1，(b)为刀齿2，(c)为刀齿3，(d)为刀齿4，(e)为刀齿5；
图20为本发明振动作用下切削刃瞬时剪切比能与瞬时切削力比能图，(a)为振动作用下的切削刃剪切比能，(b)为振动作用下的切削刃切削力比能；
图21为本发明切削体积的实验解算示意图；
图22为本发明铣刀瞬时切削力比能解算与实测结果对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的具体实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的具体实施方式。通常在此处附图中描述和展示的本发明具体实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计，本发明还可以具有其他实施方式。
因此，以下对在附图中提供的本发明的具体实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定具体实施方式。基于本发明的具体实施方式，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他具体实施方式，都属于本发明保护的范围。
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下具体实施方式，并配合附图详细说明如下：
具体实施方式一：
振动作用下铣刀瞬态切削能效分布的变化特性的识别方法，包括如下步骤：
S1、构建铣刀瞬时切削能量效率关联模型；
铣刀结构、铣削方式、切削参数及铣削振动直接决定了铣刀和刀齿的瞬时切削行为，并对铣刀瞬时切削的能量输入与输出产生影响。其中，振动作用下铣刀及其刀齿瞬时切削位姿和能量构成及其分布如图2所示；
进一步的，步骤S1的具体构建方法包括如下步骤：
S1.1、构建o-xyz为工件坐标系，o0-x0y0z0为无振动的切削坐标系，ov-xvyvzv为振动作用下的切削坐标系，od-xdydzd为铣刀结构坐标系，oi-aibici为刀齿坐标系；
S1.2、设置n为主轴转速，vf为进给速度，PM(t)为扭矩输入铣刀的能量；Px(t)、Py(t)、Pz(t)分别为沿x方向、y方向、z方向输入铣刀的能量，分别为刀齿i沿x方向、y方向、z方向的能耗；Pvx(t)、Pvy(t)、Pvz(t)分别为铣刀沿x方向、y方向、z方向的振动输入能量；/>为刀齿i的主切削力能耗；/>为刀齿i的剪切能耗，/>为刀齿切削体积消耗的能量，/>为伴随刀齿剪切过程所生成的热量；/>为刀齿i的摩擦能耗，/>为刀齿磨损能耗，/>为伴随刀齿摩擦磨损所生成的热量；
S1.3、构建工件坐标系中，铣刀切削刃任意一点的轨迹方程为：
[x(t) y(t) z(t) 1]T＝A3A2T3T2A1T1[xi yi zi 1]T (1)
式中，(xi,yi,zi)为切削刃任意一点在刀齿坐标系中的坐标，切削刃方程如式(2)所示：
式中，Δri为刀齿径向误差，ζi为滞后角；
S1.4、构建平移矩阵、旋转矩阵，A1,A2,A3为平移矩阵，T1,T2,T3为旋转矩阵，具体如式(3)～(9)所示：
式中，xv(t)为振动作用下铣刀原点在工件坐标系的x方向坐标，yv(t)为振动作用下铣刀原点在工件坐标系的y方向坐标，zv(t)为振动作用下铣刀原点在工件坐标系的z方向坐标，W为工件宽度，H为工件高度，ap为切削深度，ae为切削宽度，Δci为刀齿i的轴向误差，β为刀齿的螺旋角，为齿间夹角，/>为yd轴与yy轴在xvovyv平面内的瞬时夹角，θ1(t)、θ2(t)为铣削振动引起的铣刀偏置角。
式中，为t0时刻yd轴与yy轴在xvovyv平面内的瞬时夹角。
采用整体硬质合金立铣刀，在铣削加工中心上进行铣削钛合金TC4实验，其中，铣削方案与刀齿误差分布如表1所示。
表1铣削方案及刀齿误差分布
基于表1中的实验方案，采用Kistler旋转三向测力仪，检测切削过程中铣刀沿进给速度方向、切削宽度方向和切削深度方向的切削力信号。利用加速度传感器和DH5922瞬态信号测试分析系统，检测铣削振动加速度信号，铣削振动加速度信号如图3所示，图3中ax、ay、az分别为振动加速度信号在x轴、y轴和z轴的分量。结合表1及图3，解算铣刀的轨迹与姿态角，同时，选取切削过程中第470个周期和第471个周期，对刀尖点轨迹及姿态角进行解算，结果如图4-图7所示。
S2、构建铣刀瞬时切削能量传递与转换的表征方法：利用铣削振动对铣刀瞬时切削位姿和瞬时切削输入、输出能量的影响特性，构建铣刀瞬时输入、输出能量方程，实现铣刀瞬时切削能量效率传递与转换关系的定量描述；
铣刀切削过程中，机床主传动系统和进给系统输入的能量，经由铣刀刀体、各个刀齿的功能界面和切削层，向铣刀和工件传递，其能量输出不仅包括刀齿的切削能耗，还包括有刀齿断续切削所引起的多种附加能耗，铣刀瞬时能量输入、输出存在多种传递和转换关系，如图8所示；
步骤S2的具体构建方法包括如下步骤：
S2.1、设置P(t)为输入能量，Pc(t)为铣刀主切削力能耗，Pic(t)为铣刀内能，Pce(t)为铣刀离心力振动能耗，为铣刀切削力振动能耗，构建铣刀瞬时切削的能量输入如式(10)～(12)所示：
P(t)＝PM(t)+P1(t)+P2(t)+P3(t) (10)
P1(t)＝Px(t)+Py(t)+Pz(t) (11)
P2(t)＝Pvx(t)+Pvy(t)+Pvz(t) (12)
式中，P1(t)为机床进给系统输入的能量，P2(t)为进给系统附加的振动能量，P3(t)为铣刀能量消耗所需机床提供的附加能量；
S2.2、构建铣刀瞬时切削的能量输出如式(13)～(16)所示：
PE(t)＝Pie(t)+Pce(t)+Pc(t)+Pd(t) (13)
式中，Pd(t)为铣刀能量消耗的附加能耗；
S2.3、利用步骤S2.1、步骤S2.2的式(10)～式(16)，分析铣刀瞬时切削过程中的能量分配可知，铣刀瞬时输入能量转化为瞬时切削力能量的效率如式(17)所示：
S2.4、利用步骤S2,2的式(14)可知，铣刀作用在工件切削变形区的剪切变形能量是形成已加工表面的有效切削能量，则铣刀瞬时切削力能量转化为瞬时剪切能量的效率如式(18)所示：
S2.5、利用步骤S2.1至步骤S2.4获得铣刀瞬时切削能量效率传递与转换关系如式(19)～(21)所示：
式中，ec i(z,t)为刀齿切削刃微元的瞬时切削力比能，es i(z,t)为刀齿切削刃微元的瞬时剪切比能。pc i(z,t)为刀齿切削刃微元瞬时切削功率的分布函数，ps i(z,t)为刀齿切削刃微元瞬时剪切功率的分布函数，Vi(z,t)为刀齿切削刃微元的瞬时切削体积；
S3、构建刀齿切削刃微元的瞬时剪切能量效率解算方法：利用切削刃瞬时切削上边界、下边界，微元瞬时切削速度，微元瞬时剪切速度，微元瞬时切削力，微元瞬时剪切力，对切削刃微元的瞬时切削力能耗分布函数与剪切力能耗分布函数进行构建，解算微元瞬时切削能量效率沿切削刃轴向高度的变化曲线；
铣削振动和刀齿误差共同作用下的铣刀及其刀齿的瞬时切削行为，改变了刀齿与工件的瞬时切削接触关系，使得刀齿切削刃的瞬时切削边界具有多变性，如图9所示；
进一步的，步骤S3的具体构建方法包括如下步骤：
S3.1、铣削振动和刀齿误差共同作用下的铣刀及其刀齿的瞬时切削行为，改变了刀齿与工件的瞬时切削接触关系，使得刀齿切削刃的瞬时切削边界具有多变性，构建mk(t2)、mk(t3)、mk(t4)分别为t2时刻、t3时刻、t4时刻的切削刃上边界，m0(t1)、m0(t2)、m0(t3)分别为t1时刻、t2时刻、t3时刻的切削刃下边界，dz为刀齿切削刃微元宽度；
S3.2、构建铣削振动和刀齿误差影响下瞬时参与切削的刀齿切削刃上边界(mk)、下边界(m0)分别为：
/>
θst＝3π/2-arccos[(ri-ae)/ri] (24)
式中，θi(t)为刀尖点的瞬时位置角，θst为刀齿的初始切入角，θwt为刀齿的初始切出角，值为3π/2，θet为刀齿完全切出工件时的位置角，θp为切削刃初始达到切深时的位置角；
刀齿切削刃瞬时切削上、下边界如图10所示，图中l为切削刃展开长度；
S3.3、构建刀齿切削刃上刀齿切削刃微元瞬时切削层厚度hD i(z,t)为：
S3.4、对切削刃特征点运动速度分解如图11所示，设置为vc i在x轴的分量，/>为vc i在y轴的分量，/>为vc i在z轴的分量，/>为vc i与vc ix的夹角，/>为vc i与vc iy的夹角，/>为vc i与vc iz的夹角，vv x为振动速度在x轴的分量，vv y为振动速度在y轴的分量，vv z为振动速度在z轴的分量，构建刀齿切削刃微元的瞬时运动合速度和瞬时切削速度为：
式中，θc(t)为工件坐标系中v(t)与vc i(t)的夹角，且vc i(t)的方向与向量方向一致，点/>与/>在工件坐标系中的坐标为：
根据式(28)～式(32)，选定点mj瞬时切削速度vc i(t)的解算结果如图12所示。其中，选定点mj在刀齿坐标系中的坐标为(5.6,8.3,5)；
S3.5、利用式(27)～(32)，获得刀齿切削刃微元的瞬时切削力能耗和瞬时剪切能耗分布函数为：
其中，
θs＝π/4+γ0-arctanμ (36)
式中，kt为主切削力修正系数，其中，立铣刀切削钛合金时取值范围为1.17～1.68，κc(z,t)为单位切削力，vs i(t)为刀齿i选定点的剪切方向速度，τi(z,t)为刀齿i任意一点的剪应力，θs为剪切角，μ为摩擦系数，a为晶格常数(2.9506×10-10m)，h为普朗克常量(h＝6.62607015×10-34J·s)，k为波尔兹曼常量(k＝1.380649×10-23J/K)，υ为原子受迫振动频率，FN为切削刃特征点的法向应力；
根据(35)～式(37)，选定点mj瞬时剪切方向速度vs i(t)的解算结果如图13所示。其中，选定点mj在刀齿坐标系中的坐标为(5.6,8.3,5)；
S3.6、根据步骤S3.1-S3.5，得到刀齿切削刃微元的瞬时剪切能量效率ηsc i(z,t)为：
利用表1中的实验参数，对立铣刀切削加工过程进行仿真，如图14所示。其中，仿真有关参数如表2所示。
表2 TC4钛合金J-C的本构参数
根据图14、式(33)和式(34)，解算剪切能耗与切削力能耗。利用式(38)对刀齿切削刃剪切能量效率进行解算。选取不同周期的相同接触角研究其瞬时分布的变化特性，其中，接触角为162°，165.6°，169.2°，172.8°，176.4°，180°，183.6°，以第470个周期中五个刀齿接触角172.8°时为例，刀齿瞬时剪切能量效率沿切削刃的分布如图15、图16所示；
S4、构建刀齿切削刃微元的瞬时切削比能的解算方法：利用切削刃瞬时切削上边界、下边界，微元瞬时切削体积，切削刃微元的瞬时切削力能耗分布函数与剪切力能耗分布函数，解算瞬时切削力比能与瞬时剪切比能沿切削刃轴向高度的变化曲线；
铣削振动和刀齿误差共同作用下的铣刀及其刀齿的瞬时切削行为，改变了刀齿与工件的瞬时切削接触关系，使得刀齿切削刃的瞬时切削体积具有多变性，如图17所示；
进一步的，步骤S4的具体构建方法包括如下步骤：
S4.1、构建微元瞬时切削体积，设置mj为切削刃上第j点，β为刀齿螺旋角，θ(t1)、θ(t2)为铣刀姿态角，则铣削振动和刀齿误差影响下瞬时切削体积Vi(z,t)为：
式中，fz i为刀齿i的每齿进给量，vc i(t)为考虑振动速度的刀齿i任意一点相对于工件的合成切削运动的瞬时速度在铣刀主运动速度方向上的分量；
根据图17及式(39)，选定点mj的瞬时切削体积解算结果如图18所示；
S4.2、利用式(33)、式(34)和式(39)，则刀齿切削刃微元的瞬时切削力比能ec i(z,t)和瞬时剪切比能es i(z,t)为：
由式(40)、式(41)，各刀齿瞬时切削力比能和瞬时剪切力比能的解算结果如图19、图20所示；
S5、基于加工表面形貌的铣刀瞬时切削体积求解方法：利用白光干涉仪获取的铣削加工表面形貌坐标点、刀齿任意一点瞬时切削位姿及铣刀结构，解算基于实验结果的铣刀瞬时切削体积；
为了验证铣刀瞬时切削力比能解算模型的正确性，根据白光干涉仪检测获得的加工表面形貌，获取铣刀瞬时切削体积实测结果，如图21及式(42)～式(45)所示；
进一步的，步骤S5的具体构建方法包括如下步骤：
S5.1、利用白光干涉仪获取工件加工表面形貌的实测结果，根据铣削实验获取铣削振动实测结果、铣刀切削力实测结果；
S5.2、利用S5.1得到的实测结果，根据铣刀结构及刀齿瞬时位姿，对切削体积进行解算，如式(42)～式(45)所示：
式中，(xm0(t),ym0(t),zm0(t))为切削刃下边界任意一点在工件坐标系中的坐标，(xi m0(t),yi m0(t),zi m0(t))为切削刃下边界任意一点在刀齿坐标系中的坐标，(xmk(t),ymk(t),zmk(t))为切削刃上边界任意一点在工件坐标系中的坐标，(xi mk(t),yi mk(t),zi mk(t))为切削刃上边界任意一点在刀齿坐标系中的坐标；ζi(t)为t时刻的刀齿切削刃微元滞后角，为切削刃下边界瞬时位置角，，V'(t)为铣刀瞬时切削体积实测结果；
根据式(33)、式(39)、式(45)，对铣刀瞬时切削力比能的实测结果和解算结果进行求解，如图22所示；
为了验证铣刀切削力比能解算水平的正确性，对图22中的铣刀瞬时切削力比能实测结果与解算结果的相对误差进行解算，其范围为12.2％～19.3％。为了进一步验证切削力比能分布的准确性，以切削力比能解算结果为比较序列，以切削力比能实测结果为参考序列，分别对两个实验方案获得的铣刀切削力比能进行相对关联分析，关联度为0.84；
S6、利用步骤S2至步骤S5及实验结果，对铣刀瞬态切削能效分布变化特性进行识别和评价。
进一步的，步骤S6的具体构建方法包括如下步骤：
S6.1、根据步骤S2-S5的基于实验结果的铣刀瞬时切削体积解算结果、基于实验结果的铣刀瞬时切削力能耗解算结果、基于实验结果的铣刀瞬时切削力比能解算结果，对铣刀瞬态切削能效分布的变化特性进行识别和评价；
S6.2、首先判断相对误差是否符合要求，判断为否，则返回步骤S1，判断为是则进行下一步；
S6.3、判断关联度是否符合要求，判断为否，则返回步骤S1，判断为是则进行下一步；
S6.4、判断关键工艺设计变量识别是否符合要求，判断为否，则返回步骤S1，判断为是则进行下一步；
S6.5、判断工艺设计方案是否符合设计要求，判断为否，则返回步骤S1，判断为是则完成关键工艺变量设计。
需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
虽然在上文中已经参考具体实施方式对本申请进行了描述，然而在不脱离本申请的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本申请所披露的具体实施方式中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本申请并不局限于文中公开的特定具体实施方式，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
Claims (7)
1.振动作用下铣刀瞬态切削能效分布的变化特性的识别方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、构建铣刀瞬时切削能量效率关联模型；
S2、构建铣刀瞬时切削能量传递与转换的表征方法：利用铣削振动对铣刀瞬时切削位姿和瞬时切削输入、输出能量的影响特性，构建铣刀瞬时输入、输出能量方程，实现铣刀瞬时切削能量效率传递与转换关系的定量描述；
S3、构建刀齿切削刃微元的瞬时剪切能量效率解算方法：利用切削刃瞬时切削上边界、下边界，微元瞬时切削速度，微元瞬时剪切速度，微元瞬时切削力，微元瞬时剪切力，对切削刃微元的瞬时切削力能耗分布函数与剪切力能耗分布函数进行构建，解算微元瞬时切削能量效率沿切削刃轴向高度的变化曲线；
S4、构建刀齿切削刃微元的瞬时切削比能的解算方法：利用切削刃瞬时切削上边界、下边界，微元瞬时切削体积，切削刃微元的瞬时切削力能耗分布函数与剪切力能耗分布函数，解算瞬时切削力比能与瞬时剪切比能沿切削刃轴向高度的变化曲线；
S5、基于加工表面形貌的铣刀瞬时切削体积求解方法：利用白光干涉仪获取的铣削加工表面形貌坐标点、刀齿任意一点瞬时切削位姿及铣刀结构，解算基于实验结果的铣刀瞬时切削体积；
S6、利用步骤S2至步骤S5及实验结果，对铣刀瞬态切削能效分布变化特性进行识别和评价。
2.根据权利要求1所述的振动作用下铣刀瞬态切削能效分布的变化特性的识别方法，其特征在于：步骤S1的具体构建方法包括如下步骤：
S1.1、构建o-xyz为工件坐标系，o0-x0y0z0为无振动的切削坐标系，ov-xvyvzv为振动作用下的切削坐标系，od-xdydzd为铣刀结构坐标系，oi-aibici为刀齿坐标系；
S1.2、设置n为主轴转速，vf为进给速度，PM(t)为扭矩输入铣刀的能量；Px(t)、Py(t)、Pz(t)分别为沿x方向、y方向、z方向输入铣刀的能量，分别为刀齿i沿x方向、y方向、z方向的能耗；Pvx(t)、Pvy(t)、Pvz(t)分别为铣刀沿x方向、y方向、z方向的振动输入能量；/>为刀齿i的主切削力能耗；/>为刀齿i的剪切能耗，/>为刀齿切削体积消耗的能量，/>为伴随刀齿剪切过程所生成的热量；/>为刀齿i的摩擦能耗，/>为刀齿磨损能耗，/>为伴随刀齿摩擦磨损所生成的热量；
S1.3、构建工件坐标系中，铣刀切削刃任意一点的轨迹方程为：
[x(t) y(t) z(t) 1]T＝A3A2T3T2A1T1[xi yi zi 1]T (1)
式中，(xi,yi,zi)为切削刃任意一点在刀齿坐标系中的坐标，切削刃方程如式(2)所示：
式中，Δri为刀齿径向误差，ζi为滞后角；
S1.4、构建平移矩阵、旋转矩阵，A1,A2,A3为平移矩阵，T1,T2,T3为旋转矩阵，具体如式(3)～(9)所示：
式中，xv(t)为振动作用下铣刀原点在工件坐标系的x方向坐标，yv(t)为振动作用下铣刀原点在工件坐标系的y方向坐标，zv(t)为振动作用下铣刀原点在工件坐标系的z方向坐标，W为工件宽度，H为工件高度，ap为切削深度，ae为切削宽度，Δci为刀齿i的轴向误差，β为刀齿的螺旋角，为齿间夹角，/>为yd轴与yy轴在xvovyv平面内的瞬时夹角，θ1(t)、θ2(t)为铣削振动引起的铣刀偏置角；
式中，为t0时刻yd轴与yy轴在xvovyv平面内的瞬时夹角。
3.根据权利要求2所述的振动作用下铣刀瞬态切削能效分布的变化特性的识别方法，其特征在于：步骤S2的具体构建方法包括如下步骤：
S2.1、设置P(t)为输入能量，Pc(t)为铣刀主切削力能耗，Pic(t)为铣刀内能，Pce(t)为铣刀离心力振动能耗，为铣刀切削力振动能耗，构建铣刀瞬时切削的能量输入如式(10)～(12)所示：
P(t)＝PM(t)+P1(t)+P2(t)+P3(t) (10)
P1(t)＝Px(t)+Py(t)+Pz(t) (11)
P2(t)＝Pvx(t)+Pvy(t)+Pvz(t) (12)
式中，P1(t)为机床进给系统输入的能量，P2(t)为进给系统附加的振动能量，P3(t)为铣刀能量消耗所需机床提供的附加能量；
S2.2、构建铣刀瞬时切削的能量输出如式(13)～(16)所示：
PE(t)＝Pie(t)+Pce(t)+Pc(t)+Pd(t) (13)
式中，Pd(t)为铣刀能量消耗的附加能耗；
S2.3、利用步骤S2.1、步骤S2.2的式(10)～式(16)，分析铣刀瞬时切削过程中的能量分配可知，铣刀瞬时输入能量转化为瞬时切削力能量的效率如式(17)所示：
S2.4、利用步骤S2,2的式(14)可知，铣刀作用在工件切削变形区的剪切变形能量是形成已加工表面的有效切削能量，则铣刀瞬时切削力能量转化为瞬时剪切能量的效率如式(18)所示：
S2.5、利用步骤S2.1至步骤S2.4获得铣刀瞬时切削能量效率传递与转换关系如式(19)～(21)所示：
式中，ec i(z,t)为刀齿切削刃微元的瞬时切削力比能，es i(z,t)为刀齿切削刃微元的瞬时剪切比能，pc i(z,t)为刀齿切削刃微元瞬时切削功率的分布函数，ps i(z,t)为刀齿切削刃微元瞬时剪切功率的分布函数，Vi(z,t)为刀齿切削刃微元的瞬时切削体积。
4.根据权利要求3所述的振动作用下铣刀瞬态切削能效分布的变化特性的识别方法，其特征在于：步骤S3的具体构建方法包括如下步骤：
S3.1、铣削振动和刀齿误差共同作用下的铣刀及其刀齿的瞬时切削行为，改变了刀齿与工件的瞬时切削接触关系，使得刀齿切削刃的瞬时切削边界具有多变性，构建mk(t2)、mk(t3)、mk(t4)分别为t2时刻、t3时刻、t4时刻的切削刃上边界，m0(t1)、m0(t2)、m0(t3)分别为t1时刻、t2时刻、t3时刻的切削刃下边界，dz为刀齿切削刃微元宽度；
S3.2、构建铣削振动和刀齿误差影响下瞬时参与切削的刀齿切削刃上边界mk、下边界m0分别为：
θst＝3π/2-arccos[(ri-ae)/ri] (24)
式中，θi(t)为刀尖点的瞬时位置角，θst为刀齿的初始切入角，θwt为刀齿的初始切出角，值为3π/2，θet为刀齿完全切出工件时的位置角，θp为切削刃初始达到切深时的位置角；
S3.3、构建刀齿切削刃微元瞬时切削层厚度hD i(z,t)为：
S3.4、对切削刃特征点运动速度分解，设置为vc i在x轴的分量，/>为vc i在y轴的分量，为vc i在z轴的分量，/>为vc i与vc ix的夹角，/>为vc i与vc iy的夹角，/>为vc i与vc iz的夹角，vv x为振动速度在x轴的分量，vv y为振动速度在y轴的分量，vv z为振动速度在z轴的分量，构建刀齿切削刃微元的瞬时运动合速度和瞬时切削速度为：
式中，θc(t)为工件坐标系中v(t)与vc i(t)的夹角，且vc i(t)的方向与向量方向一致，点/>与/>在工件坐标系中的坐标为：
S3.5、利用式(27)～(32)，获得刀齿切削刃微元的瞬时切削力能耗和瞬时剪切能耗分布函数为：
其中，
θs＝π/4+γ0-arctanμ (36)
式中，kt为主切削力修正系数，其中，立铣刀切削钛合金时取值范围为1.17～1.68，κc(z,t)为单位切削力，vs i(t)为刀齿i选定点的剪切方向速度，τi(z,t)为刀齿i任意一点的剪应力，θs为剪切角，μ为摩擦系数，a为晶格常数，a＝2.9506×10-10m，h为普朗克常量h＝6.62607015×10-34J·s，k为波尔兹曼常量，k＝1.380649×10-23J/K，υ为原子受迫振动频率，FN为切削刃特征点的法向应力；
S3.6、根据步骤S3.1-S3.5，得到刀齿切削刃微元的瞬时剪切能量效率ηsc i(z,t)为：
5.根据权利要求4所述的振动作用下铣刀瞬态切削能效分布的变化特性的识别方法，其特征在于：步骤S4的具体构建方法包括如下步骤：
S4.1、构建微元瞬时切削体积，设置mj为切削刃上第j点，β为刀齿螺旋角，θ(t1)、θ(t2)为铣刀姿态角，则铣削振动和刀齿误差影响下瞬时切削体积Vi(z,t)为：
式中，fz i为刀齿i的每齿进给量，vc i(t)为考虑振动速度的刀齿i任意一点相对于工件的合成切削运动的瞬时速度在铣刀主运动速度方向上的分量；
S4.2、利用式(33)、式(34)和式(39)，则刀齿切削刃微元的瞬时切削力比能ec i(z,t)和瞬时剪切比能es i(z,t)为：
6.根据权利要求5所述的振动作用下铣刀瞬态切削能效分布的变化特性的识别方法，其特征在于：步骤S5的具体构建方法包括如下步骤：
S5.1、利用白光干涉仪获取工件加工表面形貌的实测结果，根据铣削实验获取铣削振动实测结果、铣刀切削力实测结果；
S5.2、利用S5.1得到的实测结果，根据铣刀结构及刀齿瞬时位姿，对切削体积进行解算，如式(42)～式(45)所示：
式中，(xm0(t),ym0(t),zm0(t))为切削刃下边界任意一点在工件坐标系中的坐标，(xi m0(t),yi m0(t),zi m0(t))为切削刃下边界任意一点在刀齿坐标系中的坐标，(xmk(t),ymk(t),zmk(t))为切削刃上边界任意一点在工件坐标系中的坐标，(xi mk(t),yi mk(t),zi mk(t))为切削刃上边界任意一点在刀齿坐标系中的坐标；ζi(t)为t时刻的刀齿切削刃微元滞后角，为切削刃下边界瞬时位置角，V'(t)为铣刀瞬时切削体积实测结果。
7.根据权利要求6所述的振动作用下铣刀瞬态切削能效分布的变化特性的识别方法，其特征在于：步骤S6的具体构建方法包括如下步骤：
S6.1、根据步骤S2-S5的基于实验结果的铣刀瞬时切削体积解算结果、基于实验结果的铣刀瞬时切削力能耗解算结果、基于实验结果的铣刀瞬时切削力比能解算结果，对铣刀瞬态切削能效分布的变化特性进行识别和评价；
S6.2、首先判断相对误差是否符合要求，判断为否，则返回步骤S1，判断为是则进行下一步；
S6.3、判断关联度是否符合要求，判断为否，则返回步骤S1，判断为是则进行下一步；
S6.4、判断关键工艺设计变量识别是否符合要求，判断为否，则返回步骤S1，判断为是则进行下一步；
S6.5、判断工艺设计方案是否符合设计要求，判断为否，则返回步骤S1，判断为是则完成关键工艺变量设计。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211260551.2A CN116061004B (zh) | 2022-10-14 | 2022-10-14 | 振动作用下铣刀瞬态切削能效分布的变化特性的识别方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211260551.2A CN116061004B (zh) | 2022-10-14 | 2022-10-14 | 振动作用下铣刀瞬态切削能效分布的变化特性的识别方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116061004A CN116061004A (zh) | 2023-05-05 |
| CN116061004B true CN116061004B (zh) | 2023-08-08 |
Family
ID=86177667
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211260551.2A Active CN116061004B (zh) | 2022-10-14 | 2022-10-14 | 振动作用下铣刀瞬态切削能效分布的变化特性的识别方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116061004B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117217050A (zh) * | 2023-09-12 | 2023-12-12 | 哈尔滨理工大学 | 一种铣刀刀工界面熵产生及熵流分布特性表征方法 |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1997025659A1 (en) * | 1993-12-27 | 1997-07-17 | Omat Ltd. | Automatic monitoring of tool status |
| EP1522384A1 (fr) * | 2003-10-07 | 2005-04-13 | Leonello Zaquini | Dispositif de surveillance de l'usinage d'une pièce à partir de la mesure des forces de coupe |
| DE102014003844A1 (de) * | 2014-03-18 | 2014-09-18 | Daimler Ag | Verfahren zum Überprüfen eines mindestens zwei Schneiden aufweisenden Werkzeugs |
| CN107085412A (zh) * | 2017-03-30 | 2017-08-22 | 北京精密机电控制设备研究所 | 一种控制曲线车削加工切削力突变的方法 |
| CN109434564A (zh) * | 2018-12-21 | 2019-03-08 | 哈尔滨理工大学 | 一种基于深度神经网络的铣刀磨损状态监测方法 |
| CN112372372A (zh) * | 2020-12-07 | 2021-02-19 | 哈尔滨理工大学 | 一种高效铣刀累积摩擦磨损边界识别与验证方法 |
| CN113297696A (zh) * | 2021-05-26 | 2021-08-24 | 西安理工大学 | 一种基于半解析法的球头铣刀静态铣削力的建模方法 |
| WO2022116381A1 (zh) * | 2020-12-02 | 2022-06-09 | 山东大学 | 一种稳态切削第一变形区储存能场的计算方法及系统 |
| CN114769692A (zh) * | 2022-04-19 | 2022-07-22 | 哈尔滨理工大学 | 高效铣刀后刀面摩擦磨损边界跨尺度识别方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE112018008087B4 (de) * | 2018-11-29 | 2022-09-08 | Mitsubishi Electric Corporation | Numerisches Steuerungsgerät und numerisches Steuerungsverfahren |
-
2022
- 2022-10-14 CN CN202211260551.2A patent/CN116061004B/zh active Active
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1997025659A1 (en) * | 1993-12-27 | 1997-07-17 | Omat Ltd. | Automatic monitoring of tool status |
| EP1522384A1 (fr) * | 2003-10-07 | 2005-04-13 | Leonello Zaquini | Dispositif de surveillance de l'usinage d'une pièce à partir de la mesure des forces de coupe |
| DE102014003844A1 (de) * | 2014-03-18 | 2014-09-18 | Daimler Ag | Verfahren zum Überprüfen eines mindestens zwei Schneiden aufweisenden Werkzeugs |
| CN107085412A (zh) * | 2017-03-30 | 2017-08-22 | 北京精密机电控制设备研究所 | 一种控制曲线车削加工切削力突变的方法 |
| CN109434564A (zh) * | 2018-12-21 | 2019-03-08 | 哈尔滨理工大学 | 一种基于深度神经网络的铣刀磨损状态监测方法 |
| WO2022116381A1 (zh) * | 2020-12-02 | 2022-06-09 | 山东大学 | 一种稳态切削第一变形区储存能场的计算方法及系统 |
| CN112372372A (zh) * | 2020-12-07 | 2021-02-19 | 哈尔滨理工大学 | 一种高效铣刀累积摩擦磨损边界识别与验证方法 |
| CN113297696A (zh) * | 2021-05-26 | 2021-08-24 | 西安理工大学 | 一种基于半解析法的球头铣刀静态铣削力的建模方法 |
| CN114769692A (zh) * | 2022-04-19 | 2022-07-22 | 哈尔滨理工大学 | 高效铣刀后刀面摩擦磨损边界跨尺度识别方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 基于瞬时铣削力的球头铣刀铣削力系数辨识;黎柏春等;东北大学学报（自然科学版）;第37卷(第5期);678-682 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116061004A (zh) | 2023-05-05 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Li et al. | Cutting force prediction and analytical solution of regenerative chatter stability for helical milling operation | |
| Liu et al. | Modelling, simulation and experimental investigation of cutting forces during helical milling operations | |
| Wang et al. | Prediction of cutting forces in helical milling process | |
| Zhenyu et al. | Influence of dynamic effects on surface roughness for face milling process | |
| Jeswiet et al. | Single point and asymmetric incremental forming | |
| Altintas | Modeling approaches and software for predicting the performance of milling operations at MAL-UBC | |
| Daniyan et al. | Design and optimization of machining parameters for effective AISI P20 removal rate during milling operation | |
| Feng et al. | A mechanistic cutting force model for 3D ball-end milling | |
| Hao et al. | Analysis of milling surface roughness prediction for thin-walled parts with curved surface | |
| Wan et al. | Mechanics and dynamics of multifunctional tools | |
| Fu et al. | An analytical force model for ball-end milling based on a predictive machining theory considering cutter runout | |
| CN116061004B (zh) | 振动作用下铣刀瞬态切削能效分布的变化特性的识别方法 | |
| Sahoo et al. | Modeling dynamic stability and cutting forces in micro milling of Ti6Al4V using intermittent oblique cutting finite element method simulation-based force coefficients | |
| Zhang et al. | A new algorithm for the numerical simulation of machined surface topography in multiaxis ball-end milling | |
| Martins Crichigno Filho | Prediction of cutting forces in mill turning through process simulation using a five-axis machining center | |
| Euan et al. | Modeling static and dynamic cutting forces and vibrations for inserted ceramic milling tools | |
| Su et al. | Predictive model of milling force for complex profile milling | |
| Jia et al. | A new cutting force prediction method in ball-end milling based on material properties for difficult-to-machine materials | |
| Motta et al. | Machine learning models for surface roughness monitoring in machining operations | |
| Wang et al. | Identification of instantaneous cutting force coefficients using surface error | |
| Qiong et al. | Corner-milling of thin walled cavities on aeronautical components | |
| Dikshit et al. | Determining cutting force coefficients from instantaneous cutting forces in ball end milling | |
| Liu et al. | Investigation on chatter stability of thin-walled parts in milling based on process damping with relative transfer functions | |
| Zhang et al. | A new method for determining the instantaneous uncut chip thickness in micro-milling | |
| Baburaj et al. | Development and experimental validation of a mechanistic model of cutting forces in micro-ball end milling of full slots |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |