復(fù)雜型面切削力預(yù)測方法、參數(shù)調(diào)整和刀具路徑規(guī)劃方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種預(yù)測復(fù)雜型面切削力的方法和一種利用該預(yù)測方法進(jìn)行參數(shù)調(diào)整和刀具路徑規(guī)劃的方法，其具有普遍適用性，能夠降低模型核心參數(shù)的計算復(fù)雜度，提高所建立復(fù)雜型面切削力預(yù)測模型的有效性。該預(yù)測方法根據(jù)待加工表面輪廓線與圓弧刃相交與否，將刀具-工件接觸區(qū)域分為僅包含刀尖圓弧刃區(qū)的類型一、包含刀尖圓弧刃區(qū)和主切削刃區(qū)的類型二。對于后者，計算切削層總面積、接觸刃總長、刀尖圓弧刃區(qū)的切削層面積、接觸刃長度和摩擦力方向角；采用相減法得到主切削刃區(qū)的相關(guān)模型參數(shù)，兩區(qū)域摩擦力方向角加權(quán)得到總摩擦力方向角；對于前者，計算刀尖圓弧刃區(qū)的模型參數(shù)即可。將計算好的模型參數(shù)代入切削力理論模型，得到切削力預(yù)測值。
【專利說明】復(fù)雜型面切削力預(yù)測方法、參數(shù)調(diào)整和刀具路徑規(guī)劃方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及切削力的預(yù)測【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種預(yù)測復(fù)雜型面車削時切削力大 小的方法，以及利用該預(yù)測方法進(jìn)行參數(shù)調(diào)整和刀具路徑規(guī)劃方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品的加工型面多為復(fù)雜型面且要求實(shí)現(xiàn)一次性加工，由于切削力的劇 烈變化容易導(dǎo)致工件變形及加速刀具磨損破損，不利于生產(chǎn)自動化的進(jìn)行。因此建立適用 于復(fù)雜型面車削加工的切削力預(yù)測模型，能夠在零件工藝決策過程中根據(jù)不同的切削參數(shù) 計算出切削力大小，以對切削力較大的情況提出警示并進(jìn)行切削參數(shù)調(diào)整或工藝修改。
[0003] 過去切削力的建模預(yù)測方法一般有直角切削到斜角切削轉(zhuǎn)變的切削力建模法，這 種方法需要知道剪切應(yīng)力、摩擦角及切削壓縮比等不易確定的未知量，建模過程繁瑣，預(yù)測 局限較大，實(shí)用性不高。而根據(jù)刀具-工件接觸特性的切削力理論模型，則無需考慮刀具的 幾何復(fù)雜性如是否帶斷屑槽等情況，且其精度較高，更適用于生產(chǎn)實(shí)際。但已有計算切削力 理論模型的模型參數(shù)（切削層面積和接觸刃長度等）的方法多為簡單解析幾何法，對于復(fù) 雜型面車削采用該方法需要區(qū)分的刀具-工件接觸區(qū)域類型較多，而且在計算不規(guī)則幾何 面積時顯得非常復(fù)雜，因而不能以此建立統(tǒng)一的預(yù)測模型。為了利用理論模型預(yù)測復(fù)雜型 面切削力并實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用，需要建立一種模型參數(shù)計算的有效方法，適用于各種刀具-工 件接觸區(qū)域類型，計算復(fù)雜性降低，從而提高所建立復(fù)雜型面切削力預(yù)測模型的有效性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 有鑒于此，本發(fā)明提供了一種預(yù)測復(fù)雜型面切削力的方法和利用該預(yù)測方法進(jìn)行 參數(shù)調(diào)整和刀具路徑規(guī)劃方法，其具有普遍適用性，能夠降低模型核心參數(shù)的計算復(fù)雜度， 提高所建立復(fù)雜型面切削力預(yù)測模型的有效性。
[0005] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明具體方法如下：
[0006] 所述預(yù)測復(fù)雜型面切削力的方法具體包括如下步驟：
[0007] 步驟1、根據(jù)待加工表面輪廓線與圓弧刃相交與否，將刀具-工件接觸區(qū)域的幾何 圖形分為兩類：如果不相交，則刀具-工件接觸區(qū)域只包含1區(qū)即刀尖圓弧刃區(qū)，屬于類型 一；如果相交，則包括1區(qū)和2區(qū)即刀尖圓弧刃區(qū)和主切削刃區(qū)，且兩個區(qū)以圓弧刃圓心和 圓弧刃參與切削的極點(diǎn)之間的連線作為區(qū)域劃分線，屬于類型二；
[0008] 步驟2、根據(jù)影響切削力微元的主要因素，確定采用如下切削力理論模型，作為復(fù) 雜型面切削力預(yù)測模型；該切削力理論模型表達(dá)了切削層面積、接觸刃長度和摩擦力方向 角這三個模型參數(shù)與切削力之間的關(guān)系；
[0009] Ft = Ktc ? At+Kte ? Lt _0] Ffr = Kfrcl ? A!+Kfrc2 ? A2+Kfre ? Lt
[0011] 其中，F(xiàn)t為切削力沿切削速度方向的切向力，F(xiàn)fr為切削力在刀具基平面上的摩擦 力，At為切削層總面積，&為1區(qū)切削層面積，A2為2區(qū)切削層面積，Kt。、Kfrcl、Kf"2分別為 所述切向力的切削力系數(shù)、1區(qū)切削力系數(shù)和2區(qū)切削力系數(shù)，Kte、KfM分別為切向力摩擦系 數(shù)和摩擦力摩擦系數(shù)；其中，兩個摩擦系數(shù)均是切削速度的多項式函數(shù)，三個切削力系數(shù)均 是切削層面積、切削刃長度和切削速度的函數(shù)，用指數(shù)函數(shù)表示；
[0012] Ffr進(jìn)一步又分解為刀具基平面上相互垂直的軸向力Ff和徑向力Fr
[0013] Ff = Ffr ? cos ( 3 )
[0014] Fr = Ffr ? sin ( 3 )
[0015] 其中，P為所述摩擦力的方向角；
[0016]步驟3、對于任何一復(fù)雜型面車削加工，切削力預(yù)測模型的模型參數(shù)計算如下：
[0017] 對于類型二，計算切削層總面積At和接觸刃總長Lt;計算刀尖圓弧刃區(qū)的切削層 面積V接觸刃長度Q和摩擦力方向角@i;按A2 =At-Ai及L2 =Lt-Li計算得到主切削刃 區(qū)的切削層面積4和接觸刃長度L2，主切削刃區(qū)摩擦角@2等于刀具余偏角；P2與^加 權(quán)平均得到所述摩擦力的方向角3 ;
[0018] 對于類型一，計算刀尖圓弧刃區(qū)的切削層面積Ai、接觸刃長度Li和摩擦力方向角 3 丄，且At =A"Lt =Lp3 3pA2 = 0 ;
[0019] 步驟4、根據(jù)需要預(yù)測的復(fù)雜型面車削所使用的刀具-工件材料對以及已知的刀 具路徑和切削參數(shù)，進(jìn)行復(fù)雜型面切削力預(yù)測模型中摩擦系數(shù)的關(guān)系式標(biāo)定和切削力系數(shù) 的指數(shù)標(biāo)定，進(jìn)而計算獲得Kte、K&e、Kt。、Kfrcl和Kf"2;
[0020] 步驟5、按照步驟3對需要預(yù)測的復(fù)雜型面車削的模型參數(shù)進(jìn)行計算，代入已標(biāo)定 好的切削力預(yù)測模型后得到每一次進(jìn)給的復(fù)雜型面切削力的切向力Ft、軸向力匕和徑向力 Fr，并合成為切削合力的預(yù)測值。
[0021] 優(yōu)選地，運(yùn)用B樣條曲線對復(fù)雜型面車削時的刀具切削刃和待加工表面輪廓線插 值，參數(shù)化定義刀具-工件接觸區(qū)域，積分計算切削層總面積At和接觸刃總長Lt。
[0022] 優(yōu)選地，轉(zhuǎn)換1區(qū)的邊界方程到極坐標(biāo)后，將刀尖圓弧刃區(qū)分割成多個扇形微元， 求解每個扇形微元的面積AAh、接觸刃長度ALh和摩擦力方向角A0h，再通過累加及加權(quán) 平均法分別計算得到刀尖圓弧刃區(qū)的切削層面積4、接觸刃長度U和摩擦力方向角3 lt)
[0023] 所述利用該預(yù)測方法進(jìn)行參數(shù)調(diào)整和刀具路徑規(guī)劃方法包括如下步驟：
[0024] 采用上述預(yù)測方法獲得復(fù)雜型面切削力的預(yù)測結(jié)果；判斷預(yù)測得到的切削力，當(dāng) 刀具路徑上個別位置的切削力超出允許值時，調(diào)整切削參數(shù)和/或刀具路徑并重復(fù)步驟5 直至整個切削過程的切削力低于允許范圍。
[0025] 有益效果：
[0026] 1、由于切削力理論模型無需考慮刀具的幾何復(fù)雜性如是否帶斷屑槽等情況，切削 力在此模型中的描述幾何上便只與刀具-工件接觸區(qū)域形狀有關(guān)，而對于確定條件的復(fù)雜 型面車削，刀具-工件接觸區(qū)域的幾何形狀又取決于切削參數(shù)中的進(jìn)給量和切削深度。將 切削力分解后通過理論分析可以建立各分力與刀具-工件接觸區(qū)域的幾何屬性量如區(qū)域 面積（即切削層面積）、接觸刃長度和摩擦力方向角之間的關(guān)系，由于刀具-工件接觸區(qū)域 的幾何屬性量都能通過切削參數(shù)中的進(jìn)給量和切削深度計算確定，因而通過切削層面積、 接觸刃長度和摩擦力方向角這三個模型參數(shù)描述切削力便建立起了切削力和切削參數(shù)之 間的關(guān)系，從而避免了直角切削到斜角切削轉(zhuǎn)變的切削力建模法需要經(jīng)過大量實(shí)驗和計算 獲得剪切應(yīng)力、摩擦角及切削壓縮比等不易確定未知量的繁瑣過程。除此之外，切削力還應(yīng) 與另一切削參數(shù)即切削速度有關(guān)，因而切削速度出現(xiàn)在切削力表達(dá)式的系數(shù)中，作為與刀 具-工件接觸區(qū)域幾何量交互作用的影響因子，但這種影響是非線性的，通過用指數(shù)式的 構(gòu)造方法可以在較大范圍內(nèi)建立起切削力與切削參數(shù)之間的準(zhǔn)確關(guān)系。并且運(yùn)用本發(fā)明中 的切削力理論模型對于一定的刀具-工件材料對，只需對模型系數(shù)進(jìn)行一次標(biāo)定，就能在 不同的刀具幾何形狀、工件外形及切削參數(shù)組合的情況下進(jìn)行切削力預(yù)測，而無需在更換 同類刀具、變換工件外形和改變切削參數(shù)時重新進(jìn)行標(biāo)定。
[0027] 2、由于復(fù)雜型面車削過程中出現(xiàn)刀具_(dá)工件接觸區(qū)域的可能情形有很多種，用一 般的簡單解析幾何方法去計算其幾何屬性量如接觸面積即切削層面積、接觸刃長度和摩擦 力方向角則需要對眾多情形進(jìn)行一一區(qū)分，而且每一種情形的計算還需要劃分成若干個簡 單區(qū)域，不利于建立統(tǒng)一算法。本發(fā)明只需根據(jù)待加工表面輪廓線與切削刃的相交情況將 所有可能的刀具-工件接觸區(qū)域情形簡單分成待加工表面輪廓線與圓弧刃相交與不相交 兩類，大大減少需要區(qū)分的情形數(shù)量，同時避免了可能情形的疏漏。
[0028] 3、用B樣條曲線插值參數(shù)化定義刀具-工件接觸區(qū)域有利于快速計算切削層面 積、接觸刃長度而不必去考慮曲線的凹凸性及按拐點(diǎn)劃分區(qū)域計算等問題，在保證精度較 高的同時簡化了計算步驟，有效地提高了運(yùn)算速度。
[0029] 4、對于刀尖圓弧刃區(qū)的切削層面積、接觸刃長度和摩擦力方向角采用了分割計算 的方法，主要是本發(fā)明在假設(shè)摩擦力微元是垂直于接觸刃上每一點(diǎn)的前提下實(shí)施的，因而 摩擦力的方向角大小的計算不同于主切削刃區(qū)，通過分割可以將微元弧段上的摩擦力各微 元近似認(rèn)為是平行的，由此可根據(jù)分割成的小塊區(qū)域位置推算得到其摩擦力方向角的大 小，最后應(yīng)用加權(quán)平均算法可以計算得到刀尖圓弧刃區(qū)較為準(zhǔn)確的摩擦力方向角大小。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030] 圖1為典型復(fù)雜型面車削加工示意圖；
[0031] 圖2為刀具-工件接觸區(qū)域的切削力分布圖；
[0032] 圖3為凹形型面車削加工刀具-工件的9種接觸情形舉例；
[0033] 圖4為刀具-工件接觸第二類情形的幾何參數(shù)化建模圖；
[0034] 圖5為包含有凹形型面、凸形型面與圓柱面的預(yù)測試驗工件實(shí)例圖；
[0035] 圖6為切向力摩擦系數(shù)Kte、摩擦力摩擦系數(shù)KfM與切削速度V。之間的關(guān)系圖；
[0036] 圖7為包含有凹形型面、凸形型面與圓柱面的切削層面積和接觸刃長度隨切削時 間的變化規(guī)律圖；（a)為切削層總面積A t、刀尖圓弧刃區(qū)面積Ai和主切削刃區(qū)面積A2的隨 切削時間的變化規(guī)律圖，（b)為接觸刃總長度L t、圓弧刃區(qū)接觸刃長度Q和主切削刃區(qū)接觸 刃長度L2隨切削時間的變化規(guī)律圖；
[0037] 圖8為預(yù)測試驗的總摩擦力方向角0預(yù)測值與實(shí)測值的對比圖；
[0038] 圖9為包含有凹形型面、凸形型面與圓柱面的車削試驗與模型預(yù)測結(jié)果的對比 圖，（a)為切向力F t，（b)為軸向力Ff，（c)為徑向力Fr，（d)為切削合力Fres。

【具體實(shí)施方式】
[0039] 本發(fā)明提供了一種預(yù)測復(fù)雜型面車削時切削力大小的方法，包括切削力模型建 立、刀具_(dá)工件接觸區(qū)域幾何類型劃分、模型參數(shù)計算方法確定以及預(yù)測過程幾個部分。下 面分別進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0040] 切削力模型的建立
[0041] 切削力是由被切除材料的變形和刀具-工件的摩擦產(chǎn)生，圖1所示為典型復(fù)雜型 面（包括圓柱面、凹型面和凸型面）車削時刀具的受力情況。以刀具軸向進(jìn)給的反方向為 X軸，沿著切削速度V。垂直于刀具基平面的方向為Z軸，用右手準(zhǔn)則確定Y軸，在此建立的 坐標(biāo)系下可將力分解為沿切削速度方向的切向力F t和刀具基平面上的摩擦力F&，F(xiàn)&進(jìn)一 步又分解為基平面上相互垂直的軸向力？ {和徑向力Fr，摩擦力方向角0為？&與乂軸的夾 角。
[0042] 由于刀尖圓弧半徑r的存在，以及切削時進(jìn)給f?的方向和切削深度a p的不斷變化， 使得切削厚度沿切削刃的每一接觸點(diǎn)分布都是不同的，因此切削力也隨之不均勻分布，如 圖2所示。沿切削刃將刀具-工件接觸區(qū)域劃分成許多微元，切削力微元就可表示為所在 微元區(qū)域的面積dA和局部切削刃接觸長度dL的函數(shù) ：
[0043] dFt = dFtc+dFte = Ktc ? dA+Kte ? dL (1)
[0044] dFfr = dFfrc+dFfre = Kfrc ? dA+Kfre ? dL (2)
[0045] 式中：dFt和dFfr是分別是切向力微元和摩擦力微元（dF t垂直于刀具基平面而dFfr 垂直于切削刃）；dFt。和dF&。是由工件材料的變形引起的力分量；dFte和dF fte是由后刀面 的"犁耕"和"劃擦"產(chǎn)生的力分量；KtcjPK&。為切削力系數(shù)，取決于前刀面、刃傾角、流屑角 和工件-刀具材料性質(zhì)；K te和Kfre為刃口摩擦系數(shù)，取決于切削刃的狀況。
[0046] 對于某一次進(jìn)給（假設(shè)為第j次），其一般的刀具-工件接觸區(qū)域類型如圖2所 示，在此刻的刀具位置，C點(diǎn)和D點(diǎn)分別表示刀尖圓弧刃端點(diǎn)，即DC弧線段為刀尖圓弧刃， 〇 j為其圓心；B點(diǎn)表示待加工表面輪廓線與切削刃的交點(diǎn)，CB所在直線為主切削刃，DV所在 直線為副切削刃。定義參與切削的刀尖圓弧刃（此處為KC弧線段）上沿順時針方向偏離D 點(diǎn)最遠(yuǎn)的點(diǎn)為圓弧刃參與切削的極點(diǎn)（此處為C點(diǎn)），連接極點(diǎn)與圓弧刃圓心可以將該 陰影區(qū)域劃分為兩部分（1區(qū)和2區(qū)）。而在切削力理論模型中一般近似認(rèn)為K t。主要與切 削層面積有關(guān)，如果刀具后角大小一致則Kte和KfM只與接觸刃長度有關(guān)，而K &。與切削刃 及切削層區(qū)域的幾何類型有關(guān)，因此在整個區(qū)域Kt。、Kt6和K ft6近似為常數(shù)，Kft。在1區(qū)和2 區(qū)則分別近似為兩個不同的常數(shù)。據(jù)此對式（1)和（2)分別進(jìn)行積分后可以得到每一次進(jìn) 給瞬時的切削力計算公式
[0047] Ft=Ftc+Fte=Ktc?At+Kte?Lt (3)
[0048] Ffr - Ffrcl+Ffrc2+Ffre - Kfrcl ? A1+Kfrc2 ? A2+Kfre ? Lt (4)
[0049] 切削力系數(shù)K。（切向切削力系數(shù)Ktc;、l區(qū)切削力系數(shù)K frcl和2區(qū)切削力系數(shù)KfTC2) 與刃口摩擦系數(shù)(切向摩擦系數(shù)Kte和摩擦力摩擦系數(shù)K fJ可以通過直線車削試驗確定， 其中兩個摩擦系數(shù)均是切削速度的多項式函數(shù)，而切削力系數(shù)K?？烧J(rèn)為是金屬切削過程中 切削層面積A、接觸刃長度L和切削速度V。的函數(shù)，用指數(shù)函數(shù)表示為
[0050] Klc=ebK (5)
[0051] Km (6)
[0052] ^/rc2=e"uL2vc' 11 (7)
[0053] 式中e為自然數(shù)，v。為瞬時切削速度。切削力模型參數(shù)即式（3)_(7)中的切削層 總面積At、接觸刃總長度Lt、l區(qū)切削層面積Apl區(qū)接觸刃長度Lp2區(qū)切削層面積A 2和2 區(qū)接觸刃長度L2，由于在復(fù)雜型面車削過程中每一次進(jìn)給時各參數(shù)的大小都是變化的，所 以需要建立統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型。本發(fā)明所運(yùn)用的理論模型為指數(shù)式模型，所以式（5)_(7)中 的指數(shù)系數(shù)（bp bp b2、nv m2、rv h和n2)對于確定的刀具-工件材料對可通過一定的 直線車削實(shí)驗按線性回歸處理進(jìn)行標(biāo)定。且確定模型參數(shù)和模型系數(shù)后，為了進(jìn)一步確定 摩擦力的方向以便獲得三向切削力的大小，還需知道每一次進(jìn)給的摩擦力方向角0，以便 運(yùn)用下式計算軸向力F f和徑向力Fr
[0054] Ff=Ffr?cos( ^ )(8)
[0055] Fr=Ffr?sin( @ )(9)
[0056] 從公式（3)?（9)可以看出，該切削力理論模型表達(dá)了切削層面積、接觸刃長度和 摩擦力方向角這三個模型參數(shù)與切削力之間的關(guān)系，這三個參數(shù)均是影響切削力微元的主 要因素。
[0057] 刀具-工件接觸區(qū)域幾何類型的劃分
[0058] 為了建立模型參數(shù)的統(tǒng)一數(shù)學(xué)計算方法，首先對刀具-工件可能的接觸區(qū)域進(jìn)行 劃分歸納。通常車刀包括主切削刃、刀尖圓弧刃和副切削刃三部分，隨著切削條件的不同， 各部分刃參與切削的情況也不同。在車削中應(yīng)盡量避免副切削刃參與切削，且由于切削后 的殘留高度取決于進(jìn)給量f?和刀尖圓弧半徑r，為了獲得好的表面質(zhì)量，進(jìn)給量的選擇一般 小于刀尖圓弧半徑。
[0059] 按上述條件，刀具-工件接觸區(qū)域就可以通過刀刃和待加工表面輪廓線方程建立 解析幾何模型。對于一般凹形型面加工（圖2)，假設(shè)當(dāng)前（第j次）進(jìn)給的刀尖圓弧刃 都是與前一次（第j_l次）進(jìn)給的刀尖圓弧刃相交，按照前后刀刃參與切削的情況可將刀 具-工件接觸分為9種情形，如圖3所示。若當(dāng)前進(jìn)給的刀尖圓弧刃與前一進(jìn)給的主切削 刃相交，則可能的刀具-工件接觸情形還有其他4種，即凹形型面加工的刀具-工件接觸情 形共有13種。可以推斷凸型面也應(yīng)該有13種類似情形，也就是在包含有凹凸型面的切削 情況下可能出現(xiàn)的刀具-工件接觸情形有26種或者更多。
[0060] 如果采用傳統(tǒng)的解析幾何法需要對各種情形進(jìn)行區(qū)分，計算較為繁瑣，不利于統(tǒng) 一建模。
[0061] 從式⑴和⑵可以看出，切削力主要與刀具-工件接觸區(qū)域的面積及當(dāng)前進(jìn)給 刀具接觸刃長度有關(guān)，如果考慮將前一次進(jìn)給的刀刃和待加工表面輪廓線分別參數(shù)化成兩 條曲線，則只需根據(jù)待加工表面輪廓線與圓弧刃的相交情況進(jìn)行簡單分類。即通過連接圓 弧刃圓心…和圓弧刃參與切削的極點(diǎn)可以將刀具-工件接觸區(qū)域劃分為1區(qū)（刀尖圓弧刃 區(qū)）和2區(qū)（主切削刃區(qū)），并根據(jù)待加工表面輪廓線與圓弧刃是否相交的情況將刀具-工 件接觸區(qū)域的幾何圖形分為兩類：如果不相交，則刀具-工件接觸區(qū)域只包含1區(qū)，屬于第 一類（圖3中的①-③）；如果相交，則包括1區(qū)和2區(qū)，屬于第二類（圖3中的④-⑨）。 [0062] 模型參數(shù)計算方法確定
[0063] 針對是否包含2區(qū)需要分別討論計算方法。下面先對包含1區(qū)和2區(qū)的情況進(jìn)行 討論。
[0064] 對包含1區(qū)和2區(qū)的情況，需要計算的模型參數(shù)包括①切削層總面積A t和接觸刃 總長度Lt，②1區(qū)切削層面積4、1區(qū)接觸刃長度U和1區(qū)摩擦力方向角，③2區(qū)切削層 面積A2、2區(qū)接觸刃長度1^和2區(qū)摩擦力方向角，④總摩擦力方向角3。
[0065] 其中，對于參數(shù)①：本發(fā)明運(yùn)用B樣條曲線對復(fù)雜型面車削時的刀具切削刃和待 加工表面輪廓線插值，參數(shù)化定義刀具-工件接觸區(qū)域，積分計算切削層總面積At和接觸 刃總長Lt。具體來說包括以下步驟：
[0066] 步驟21、運(yùn)用B樣條曲線對切削刃曲線和待加工表面輪廓線進(jìn)行插值，得到待加 工表面輪廓線和每一次進(jìn)給的切削刃曲線的參數(shù)化方程。
[0067] 本步驟中，首先將切削刃曲線和待加工表面輪廓線按一定的間隔取點(diǎn)，再運(yùn)用三 次B樣條曲線進(jìn)行插值，得到刀具初始時（切入前一刻）的切削刃和待加工表面輪廓線的 插值B樣條曲線方程

【權(quán)利要求】
1. 一種預(yù)測復(fù)雜型面切削力的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟： 步驟1、根據(jù)待加工表面輪廓線與圓弧刃相交與否，將刀具-工件接觸區(qū)域的幾何圖形 分為兩類：如果不相交，則刀具-工件接觸區(qū)域只包含1區(qū)即刀尖圓弧刃區(qū)，屬于類型一； 如果相交，則包括1區(qū)和2區(qū)即刀尖圓弧刃區(qū)和主切削刃區(qū)，且兩個區(qū)以圓弧刃圓心和圓弧 刃參與切削的極點(diǎn)之間的連線作為區(qū)域劃分線，屬于類型二； 步驟2、根據(jù)影響切削力微元的主要因素，確定采用如下切削力理論模型，作為復(fù)雜型 面切削力預(yù)測模型；該切削力理論模型表達(dá)了切削層面積、接觸刃長度和摩擦力方向角這 三個模型參數(shù)與切削力之間的關(guān)系； Ft = Ktc · At+Kte · Lt Ffr - Kfrcl · A1+Kfrc2 · A2+Kfre · Lt 其中，F(xiàn)t為切削力沿切削速度方向的切向力，F(xiàn)fr為切削力在刀具基平面上的摩擦力，A t 為切削層總面積，Ai為1區(qū)切削層面積，A2為2區(qū)切削層面積，Kt。、KfTCl、K f"2分別為所述切 向力的切削力系數(shù)、1區(qū)切削力系數(shù)和2區(qū)切削力系數(shù)，Kte、K fM分別為切向力摩擦系數(shù)和摩 擦力摩擦系數(shù)；其中，兩個摩擦系數(shù)均是切削速度的多項式函數(shù)，三個切削力系數(shù)均是切削 層面積、切削刃長度和切削速度的函數(shù)，用指數(shù)函數(shù)表示； Ffr進(jìn)一步又分解為刀具基平面上相互垂直的軸向力Ff和徑向力Fr Ff = Ffr · COS ( β ) Fr = Ffr · sin(3 ) 其中，β為所述摩擦力的方向角； 步驟3、對于任何一復(fù)雜型面車削加工，切削力預(yù)測模型的模型參數(shù)計算如下： 對于類型二，計算切削層總面積At和接觸刃總長Lt;計算刀尖圓弧刃區(qū)的切削層面積 4、接觸刃長度Q和摩擦力方向角β i ;按A2 = At-Ai及L2 = Lt-Li計算得到主切削刃區(qū)的 切削層面積A2和接觸刃長度L2，主切削刃區(qū)摩擦角β 2等于刀具余偏角；β 2與β i加權(quán)平 均得到所述摩擦力的方向角β ; 對于類型一，計算刀尖圓弧刃區(qū)的切削層面積4、接觸刃長度U和摩擦力方向角β ρ 且 At = A" Lt = Lp β = β p A2 = 0 ; 步驟4、根據(jù)需要預(yù)測的復(fù)雜型面車削所使用的刀具-工件材料對以及已知的刀具路 徑和切削參數(shù)，進(jìn)行復(fù)雜型面切削力預(yù)測模型中摩擦系數(shù)的關(guān)系式標(biāo)定和切削力系數(shù)的指 數(shù)標(biāo)定，進(jìn)而計算獲得Kte、K &e、Kt。、KfTCl和Κ&ε2 ; 步驟5、按照步驟3對需要預(yù)測的復(fù)雜型面車削的模型參數(shù)進(jìn)行計算，代入已標(biāo)定好的 切削力預(yù)測模型后得到每一次進(jìn)給的復(fù)雜型面切削力的切向力Ft、軸向力匕和徑向力Fr， 并合成為切削合力的預(yù)測值。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述計算切削層總面積At和接觸刃總長Lt 的方式為：運(yùn)用B樣條曲線對復(fù)雜型面車削時的刀具切削刃和待加工表面輪廓線插值，參 數(shù)化定義刀具-工件接觸區(qū)域，積分計算切削層總面積A t和接觸刃總長Lt。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述運(yùn)用B樣條曲線對復(fù)雜型面車削時的刀 具切削刃和待加工表面輪廓線插值，參數(shù)化定義刀具-工件接觸區(qū)域，積分計算切削層總 面積A t和接觸刃總長Lt的具體步驟為： 步驟21、運(yùn)用B樣條曲線對切削刃曲線和待加工表面輪廓線進(jìn)行插值，得到待加工表 面輪廓線和每一次進(jìn)給的切削刃曲線的參數(shù)化方程； 步驟22、運(yùn)用求交算法確定待加工表面輪廓線與每次進(jìn)給切削刃曲線的交點(diǎn)，定義第 j次和j-Ι次進(jìn)給的切削刃曲線與待加工表面輪廓線的交點(diǎn)分別為B和E，第j次和j-Ι次 進(jìn)給的切削刃曲線的交點(diǎn)為K ; 步驟23、將第j-Ι次進(jìn)給的切削刃曲線EK段和待加工表面輪廓線BE段進(jìn)行拼接，得到 新的均勻三次B樣條曲線BEK」-1 ; 步驟24、利用第j次進(jìn)給的切削刃曲線方程與BEKH曲線方程定積分求差得到兩個曲 線所圍成的封閉區(qū)域的面積，即切削層總面積At ;對第j次進(jìn)給的切削刃曲線方程求定積 分，得到接觸刃總長Lt。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述計算刀尖圓弧刃區(qū)的切削層面積&、接 觸刃長度U和摩擦力方向角β i的方式為： 轉(zhuǎn)換1區(qū)的邊界方程到極坐標(biāo)后，將刀尖圓弧刃區(qū)分割成多個扇形微元，求解每個扇 形微元的面積AAh、接觸刃長度ALh和摩擦力方向角Λ i3h，再通過累加及加權(quán)平均法分別 計算得到刀尖圓弧刃區(qū)的切削層面積4、接觸刃長度U和摩擦力方向角β lt)
5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述計算刀尖圓弧刃區(qū)的切削層面積&、接 觸刃長度U和摩擦力方向角β i的方式為： 步驟31、以第j次刀尖圓弧刃圓心為中心，按角度增量Λ Θ將刀尖圓弧刃區(qū)劃分為m 個扇形微元，第h個扇形微元的面積為AAh、接觸刃長度為ALh和摩擦力方向角為Λ i3h; 步驟32、將刀尖圓弧刃區(qū)的邊界方程轉(zhuǎn)換到以第j次進(jìn)給的刀尖圓弧刃圓心作為原 點(diǎn)的極坐標(biāo)方程；在極坐標(biāo)下，對第h個扇形微元的兩個弧形段方程求定積分并求差得到 AAh，對外圓弧方程求定積分得到ALh，Λ i3h等于第h個扇形微元的余偏角； 步驟33、計算刀尖圓弧刃區(qū)的切削層面積Ai、接觸刃長度Q為： a ~ k=l m 卜lx /i-l 刀尖圓弧刃區(qū)的摩擦力方向角^按加權(quán)平均法計算為： m -。
6. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述@2與^加權(quán)平均得到所述摩擦力的 方向角β，加權(quán)值為切削層面積，即 β- 4 。
7. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述進(jìn)行復(fù)雜型面切削力預(yù)測模型的指數(shù) 標(biāo)定的方式為： 步驟（1)、通過固定切削深度ap，改變切削速度V。和進(jìn)給量f以擬合確定; 步驟（2)、通過正交試驗，根據(jù)切削力經(jīng)驗公式剔除刃口摩擦力后建立K。的系數(shù)方程。
8. -種利用復(fù)雜型面切削力預(yù)測的切削參數(shù)調(diào)整和刀具路徑規(guī)劃方法，其特征在于， 采用權(quán)利要求1?7任意一項所述的方法獲得復(fù)雜型面切削力的預(yù)測結(jié)果；判斷預(yù)測得到 的切削力，當(dāng)?shù)毒呗窂缴蟼€別位置的切削力超出允許值時，調(diào)整切削參數(shù)和/或刀具路徑 并重復(fù)步驟5直至整個切削過程的切削力低于允許范圍。
【文檔編號】G05B19/41GK104239720SQ201410478390
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月18日
【發(fā)明者】焦黎, 王西彬, 譚方浩, 劉志兵, 解麗靜, 梁志強(qiáng), 周天豐, 羅智文, 余璐云 申請人:北京理工大學(xué)