钛合金TC18铣削过程铣削力建模方法

摘要

本发明公开了一种钛合金TC18铣削过程铣削力建模方法，用于解决现有技术在进行钛合金TC18铣削过程铣削力建模时，不能有效模拟带刀具偏心钛合金TC18铣削过程中出现的等相宽非零铣削力的技术问题。技术方案是既考虑了侧刃参与切削时侧刃和底刃对铣削力的影响，也考虑了侧刃退出切削时底刃对铣削力的影响，克服了现有技术不能有效模拟带刀具偏心钛合金TC18铣削过程中出现的等相宽非零铣削力现象的不足；由于将底刃铣削力系数表示成切屑宽度的指数函数，克服了现有技术无法对底刃切削过程中的尺寸效应进行模拟的不足。

主权项

1.一种钛合金TC18铣削过程铣削力建模方法，其特征在于包括以下步骤：(1)选定立铣刀参数，包括立铣刀的半径R、螺旋角β、刀齿数N_f；设定切削参数，包括单齿进给量f、轴向切削深度Rz、径向切削深度Rr、刀具主轴转速；(2)将铣刀沿轴向划分为N个等高梁段，通过下式计算在t时刻作用在第i个刀齿上第j个侧刃单元上的切向铣削力F_{T，F，i，j}(t)和径向铣削力F_{R，F，i，j}(t)：F_{T，F，i，j}(t)＝K_{T，F，i，j}h_F，i，j(t)w_zF_{R，F，i，j}(t)＝K_{R，F，i，j}h_F，i，j(t)w_z式中，K_{T，F，i，j}是对应于第i个刀齿上第j个侧刃单元的切向铣削力系数，K_{R，F，i，j}是对应于第i个刀齿上第j个侧刃单元的径向铣削力系数，w_z表示对应于第i个刀齿上第j个侧刃单元的轴向高度，h_F，i，j(t)表示在t时刻第i个刀齿上第j个侧刃单元的瞬时未变形切屑厚度；(3)将侧刃单元上的铣削力转化到X和Y方向并求和：式中，θ_i，j(t)是刀具旋转角度处与第i个刀齿上第j个侧刃单元对应的切削角度，被定义为从Y向顺时针到第i个刀齿上第j个侧刃单元的中点所转过的角度；(4)计算在t时刻作用在底刃上的径向铣削力F_T，B，i(t)和切向铣削力F_R，B，i(t)；①当侧刃参与切削时，F_T，B，i (t)＝K_T，B，iA_B，i(t)F_R，B，i(t)＝K_R，B，iA_B，i(t)式中，K_T，B，i是对应于第i个底刃的切向铣削力系数，K_R，B，i是对应于第i个底刃的径向铣削力系数，A_B，i(t)是与第i个底刃对应的切屑载荷面积；②当侧刃退出切削时，F_T，B，i(t)＝K_T，B，ib_i(t)F_R，B，i(t)＝K_R，B，ib_i(t)式中，K_T，B，i是对应于第i个底刃的切向铣削力系数，K_R，B，i是对应于第i个底刃的径向铣削力系数，b_i(t)是与第i个底刃对应的切屑宽度；(5)将底刃上的铣削力转化到X和Y方向 F_X，B(t)＝-F_T，B，i(t)cosθ_i，0(t)-F_R，B，i(t)sinθ_i，0(t)F_Y，B(t)＝F_T，B，i(t)sinθ_i，0(t)-F_R，B，i(t)cosθ_i，0(t)式中，θ_i，0(t)是刀具旋转角度处与第i个底刃对应的切削角度，被定义为该刀刃方向与Y轴正方向之间的夹角；(6)将作用在各个底刃和侧刃的铣削力求和，得到总铣削力：(7)通过下述方法确定K_{T，F，i，j}、K_{R，F，i，j}、K_T，B，i、K_R，B，i、A_B，i(t)、K_T，B，i、K_R，B，i和b_i(t)，并在一个刀具旋转周期内重复执行步骤(1)到(6)，获得一个周期内的铣削力分布图；1)选定立铣刀参数，包括立铣刀的半径R、螺旋角β、刀齿数N_f，选定工件几何参数；设定标定试验的切削参数，单齿进给量f、轴向切削深度Rz、径向切削深度Rr、刀具主轴转速；要求：工件为满足测力仪安装的长方体块；2)根据步骤1)设定的参数并测铣削力，要求工件被加工面与刀具轴线垂直；用表示对应于第m个刀齿切削周期内的第n个采样点的相角，将对应于的瞬时铣削力记为和3)根据步骤2)测得的铣削力标定刀具偏心参数ρ和λ；4)在每一采样瞬态，根据坐标变换关系式，将步骤2)测得的瞬时铣削力从笛卡尔坐标系转换到局部坐标系，也就是将和转换到局部坐标系下的分量和5)根据步骤4)的结果，用和除以h_F，i，j(t)w_z，得到一组与h_F，i，j(t)w_z对应的离散值，将该组离散值拟合成h_F，i，j(t)w_z的线性函数，该线性函数的斜率就是标定得到的与所有侧刃单元对应的切向铣削力系数K_{T，F，i，j}和径向铣削力系数K_{R，F，i，j}；6)根据步骤3)和步骤5)的结果，首先根据步骤(1)和步骤(2)计算与侧刃对应的X向铣削力F_X，F(t)和Y向铣削力F_Y，F(t)，然后通过下式计算步骤2)测得的铣削力中与底刃对应的铣削力分量，7)确定切屑参数A_B，i(t)和b_i(t)，①当侧刃参与切削时，b_i(t)与刀尖位置处对应的侧刃的瞬时未变形切屑厚度相等，该情况下，通过下式计算A_B，i(t)式中，β表示侧刃螺旋角，η是在与刀具轴线重合的纵向截面内底刃与刀具径向的偏角；②当侧刃退出切削时，通过以下步骤计算b_i(t)：(a)在两个连续刀齿周期内，计算与每一刀尖对应的旋转轨迹的方程C_n，u，n＝1，2，...，N_f，u＝1，2；将当前刀齿i的轨迹视为选定周期内的最后一条轨迹；(b)计算当前刀齿i的轨迹中心与刀尖之间连线的方程L_i；(c)计算L_i与所有轨迹C_n，u之间的交点Z_n，u＝(x_n，u，y_n，u)；(d)通过下式计算Z_i，2与其他Z_n，u直接的距离式中，当u＝2时n≠i；(e)通过下式计算b_i(t)b_i(t)＝max[0，min(l_n，u)]8)根据步骤6)和步骤7)的结果，确定与底刃对应的切向切削力系数和径向铣削力系数；①当侧刃参与切削时，用F_B，M(t)除以A_B，i(t)，得到一组离散数据，将该组数据拟合成如下与底刃切屑宽度b_i(t)对应的指数函数关系式，即得到底刃切削力系数的数学模型；式中，K_T，B、m_T，B、k_R，B和m_R，B是拟合得到的常值系数；②当侧刃退出切削时，用F_B，M(t)除以b_i(t)，得到一组离散数据，将该组数据拟合成如下与底刃切屑宽度b_i(t)对应的指数函数关系式，得到底刃切削力系数的数学模型；式中，k_T，B、m_T，B、k_R，B和m_R，B是拟合得到的常值系数。