本發(fā)明涉及一種控制曲線車削加工切削力突變的方法，屬于曲線車削加工工藝領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：曲線車削加工是兵器、車輛等工業(yè)領(lǐng)域常見的加工工藝，如彈體外圓車削、中凸變橢圓活塞型面車削等。由于工件輪廓曲線曲率變化，切削力容易出現(xiàn)大幅度變化，對刀具和工件造成切削載荷沖擊，加劇刀片磨損、破損，甚至引起刀具折斷，影響零件加工質(zhì)量，降低生產(chǎn)效率?，F(xiàn)有技術(shù)面對彈體外圓車削和內(nèi)孔鏜削加工時，切削力在實際加工過程中會產(chǎn)生突變，通常采用過小的刀具進給量以避免產(chǎn)生切削力突變，這種切削用量選擇方式趨于保守，使得能耗過大、加工成本偏高，成為制約難加工材料切削技術(shù)發(fā)展的瓶頸；即使采用切削力建模技術(shù)，也僅僅針對直線切削，面向彈體外圓、變橢圓型面等變曲線曲率車削加工時也不具備適用性。因此，建立曲線車削加工切削力模型，研究切削力變化規(guī)律，對實現(xiàn)高效優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)具有重要意義。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的技術(shù)解決問題：為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種控制曲線車削加工切削力突變的方法，通過建曲線切削狀態(tài)下的切削力模型，判斷切削力在實際加工過程中產(chǎn)生突變的位置，進而調(diào)整刀具在切削力突變處的進給量，高效完成曲線車削加工。本發(fā)明的技術(shù)解決方案：一種控制曲線車削加工切削力突變的方法具體步驟為：(1)建立坐標系按照右手定則在工件上建立世界坐標系：以工件軸線和端面的交點為原點o，x軸與工件軸線重合并指向工件外側(cè)，oyz平面與工件端面重合，建立世界坐標系oxyz；按照右手定則在刀具上建立移動坐標系：以刀尖圓弧圓心為原點o'，x'軸與x軸平行且方向一致，o'x'y'平面與刀具前刀面重合，建立刀具上的移動坐標系o'x'y'z'；(2)確定切削層面積任意前后兩次進刀時，切削刃與工件輪廓曲線相交圍成切削層區(qū)域abcd，其中兩次進刀切削刃中的圓弧刃部分交點為a，切削刃中的直線刃部分與工件輪廓曲線交點分別為b和c，圓弧刃與直線刃切點為d，基于格林運算法則計算切削層區(qū)域abcd面積(3)確定等效切削刃方向角ω等效切削刃方向角ω可由刃傾角λs和摩擦力方向角β表示為：ω＝β-λs，其中刃傾角λs為由加工條件決定的定值，β由切削層區(qū)域中微元上的摩擦力矢量確定；(4)在世界坐標系oxyz上采集直線切削狀態(tài)下的切削力fx1、fy1和fz1；(5)直線切削力變換通過空間矩陣變換，將采集的直線切削力[fx1,fy1,fz1]變換為移動坐標系o'x'y'上的切削力(6)標定剪應(yīng)力τs、法向摩擦角βn、流屑角η和法向剪切角(7)計算切向、徑向和軸向切削力系數(shù)kt、kr和ka其中，γn為法向前角；(8)在移動坐標系o'x'y'z'上計算曲線切削狀態(tài)時的切削力ft3、fr3和fa3(9)在世界坐標系oxyz上計算曲線切削狀態(tài)時的切削力fx3、fy3、fz3(10)根據(jù)步驟9計算得到的切削力，判斷實際加工過程中切削力在刀具及工件上產(chǎn)生突變的位置，進而調(diào)整刀具在切削力突變位置處的進給量，使切削力在此處變化趨于穩(wěn)定。的計算方法為：采用b樣條曲線法將切削刃和工件輪廓曲線分別參數(shù)化表示為和其中n(u)和n(t)為遞推公式，均可表示為式中，n表示b樣條曲線上離散點對應(yīng)的參數(shù)值，i表示第i個離散點，k表示b樣條曲線的冪次，px、py分別為切削刃在世界坐標系oxyz中x方向和y方向上的b樣條曲線控制點；qx、qy分別為加工前工件輪廓曲線在世界坐標系oxyz中x方向和y方向上的b樣條曲線控制點；其中j和j+1分別為前后兩次進刀。通過得到剪應(yīng)力τs、法向摩擦角βn、流屑角η和法向剪切角其中ftn、frn和fan分別為ft、fr和fa在法平面投影，as為剪切面積，f為進給量，ap為切削深度，為剪力在法平面上的投影與切削平面之間夾角，ξn為切削合力在法平面上的投影與切削平面之間夾角，ξλ為切削合力f與法平面之間的夾角，βa為摩擦角，βn為法向摩擦角。步驟5中其中γo為刀具前角。步驟3中摩擦力方向角β計算方法為將切削層區(qū)域abcd分為由圓弧刃圍成的第一區(qū)域和由直線刃圍成的第二區(qū)域，δam,1和δam,2分別表示第一區(qū)域和第二區(qū)域中的第m個微元面積，δβm,1和δβm,2分別表示第一區(qū)域和第二區(qū)域中第m個微元對應(yīng)的摩擦角。式中cj+1,θ(u)和cj+1,r(u)分別為微元的極角和極徑，可分別表示為：同理可得δam,2；微元摩擦角同理可得δβm,2。在步驟9和步驟10之間還可以對建模進行試驗驗證，在世界坐標系oxyz上采集曲線切削狀態(tài)下的切削力，作為切削力試驗值，將切削力試驗值與步驟9獲得的切削力預(yù)測值進行比對，如果切削力幅值偏差在10％以內(nèi)，則說明建模正確；如果切削力幅值偏差大于10％，則重新檢驗并標定剪應(yīng)力τs、法向摩擦角βn、流屑角η和法向剪切角直至將切削力幅值偏差控制在10％以內(nèi)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下有益效果：(1)本發(fā)明采用b樣條曲線法將切削刃和工件輪廓曲線參數(shù)化處理，建立包含關(guān)鍵幾何參數(shù)的統(tǒng)一計算模型，解析切削力模型系數(shù)和力矢量、速度矢量、流屑矢量之間的約束關(guān)系，提出切削力模型系數(shù)標定方法，進而確定切削力模型系數(shù)，通過建立的切削力模型，可以判斷切削力在實際曲線加工過程中產(chǎn)生突變的位置，進而調(diào)整刀具在切削力突變處的進給量，使切削力在此處變化趨于穩(wěn)定，相對于現(xiàn)有對直線切削建模技術(shù)的應(yīng)用，可以高效完成曲線車削加工；(2)本發(fā)明中基于格林運算法則計算單連通區(qū)域內(nèi)的切削層面積，基于極坐標微元法計算等效切削刃方向角采用極坐標微元法，有效避免了因出現(xiàn)不規(guī)則幾何接觸區(qū)域而產(chǎn)生的解析困難問題。附圖說明圖1為本發(fā)明世界坐標系oxyz示意圖；圖2為本發(fā)明移動坐標系o'x'y'z'示意圖；圖3為本發(fā)明切削層面積示意圖；圖4為本發(fā)明等效切削刃方向角示意圖；圖5為本發(fā)明切削力采集標定示意圖；圖6為本發(fā)明法向摩擦角標定結(jié)果及其擬合曲線；圖7為本發(fā)明法向剪切角標定結(jié)果及其擬合曲線；圖8為本發(fā)明剪應(yīng)力標定結(jié)果及其擬合曲線；圖9為本發(fā)明切向力系數(shù)標定結(jié)果及其擬合曲線；圖10為本發(fā)明徑向力系數(shù)標定結(jié)果及其擬合曲線；圖11為本發(fā)明軸向力系數(shù)標定結(jié)果及其擬合曲線；圖12為本發(fā)明曲線車削工件輪廓示意圖；圖13為本發(fā)明切削層面積的變化曲線；圖14為本發(fā)明等效切削刃方向角變化曲線；圖15為本發(fā)明在x方向上切削力預(yù)測值與試驗值的比對示意圖；圖16為本發(fā)明在y方向上切削力預(yù)測值與試驗值的比對示意圖；圖17為本發(fā)明在z方向上切削力預(yù)測值與試驗值的比對示意圖。具體實施方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述。一種控制曲線車削加工切削力突變的方法，具體步驟為：(1)建立坐標系如圖1所示，按照右手定則在工件上建立世界坐標系：以工件軸線和端面的交點為原點o，x軸與工件軸線重合并指向工件外側(cè)，oyz平面與工件端面重合，建立世界坐標系oxyz；如圖2所示，按照右手定則在刀具上建立移動坐標系：以刀尖圓弧圓心為原點o'，x'軸與x軸平行且方向一致，o'x'y'平面與刀具前刀面重合，建立刀具上的移動坐標系o'x'y'z'；(2)確定切削層面積任意前后兩次進刀時，切削刃與工件輪廓曲線相交圍成切削層區(qū)域abcd，如圖3所示，其中兩次進刀切削刃中的圓弧刃部分交點為a，切削刃中的直線刃部分與工件輪廓曲線交點分別為b和c，圓弧刃與直線刃切點為d，基于格林運算法則計算切削層區(qū)域abcd面積具體計算方法為：采用b樣條曲線法將切削刃和工件輪廓曲線分別參數(shù)化表示為和其中n(u)和n(t)為遞推公式，均可表示為式中，n表示b樣條曲線上離散點對應(yīng)的參數(shù)值，i表示第i個離散點，k表示b樣條曲線的冪次，px、py分別為切削刃在世界坐標系oxyz中x方向和y方向上的b樣條曲線控制點；qx、qy分別為加工前工件輪廓曲線在世界坐標系oxyz中x方向和y方向上的b樣條曲線控制點；則其中j和j+1分別為前后兩次進刀。(3)確定等效切削刃方向角ω等效切削刃方向角ω可由刃傾角λs和摩擦力方向角β表示為：ω＝β-λs，其中刃傾角λs為由加工條件決定的定值，β由切削層區(qū)域中微元上的摩擦力矢量確定，如圖4所示，將切削層區(qū)域abcd分為由圓弧刃圍成的第一區(qū)域和由直線刃圍成的第二區(qū)域，δam,1和δam,2分別表示第一區(qū)域和第二區(qū)域中的第m個微元面積，δβm,1和δβm,2分別表示第一區(qū)域和第二區(qū)域中第m個微元對應(yīng)的摩擦角；式中cj+1,θ(u)和cj+1,r(u)分別為微元的極角和極徑，可分別表示為：同理可得δam,2；微元摩擦角同理可得δβm,2。(4)在世界坐標系oxyz上采集直線切削狀態(tài)下的切削力fx1、fy1和fz1；(5)直線切削力變換通過空間矩陣變換，將采集的直線切削力[fx1,fy1,fz1]變換為移動坐標系o'x'y'上的切削力其中γo為刀具前角。(6)標定剪應(yīng)力τs、法向摩擦角βn、流屑角η和法向剪切角通過得到剪應(yīng)力τs、法向摩擦角βn、流屑角η和法向剪切角其中ftn、frn和fan分別為ft、fr和fa在法平面投影，as為剪切面積，f為進給量，ap為切削深度，為剪力在法平面上的投影與切削平面之間夾角，ξn為切削合力在法平面上的投影與切削平面之間夾角，ξλ為切削合力f與法平面之間的夾角，βa為摩擦角，βn為法向摩擦角。(7)計算切向、徑向和軸向切削力系數(shù)kt、kr和ka其中，γn為法向前角；(8)在移動坐標系o'x'y'z'上計算曲線切削狀態(tài)時的切削力ft3、fr3和fa3(9)在世界坐標系oxyz上計算曲線切削狀態(tài)時的切削力fx3、fy3、fz3(10)在世界坐標系oxyz上采集曲線切削狀態(tài)下的切削力，作為切削力試驗值，將切削力試驗值與步驟9獲得的切削力預(yù)測值進行比對，如果切削力幅值偏差在10％以內(nèi)，則說明建模正確；如果切削力幅值偏差大于10％，則重新檢驗并標定剪應(yīng)力τs、法向摩擦角βn、流屑角η和法向剪切角直至將切削力幅值偏差控制在10％以內(nèi)；(11)根據(jù)步驟9計算得到的切削力，判斷實際加工過程中切削力在刀具及工件上產(chǎn)生突變的位置，進而調(diào)整刀具在切削力突變位置處的進給量，使切削力在此處變化趨于穩(wěn)定。實施例試驗在數(shù)控精密車削中心進行，由測力儀在世界坐標系oxyz上采集直線切削狀態(tài)下的切削力fx1、fy1和fz1，采樣頻率10khz,試件材料選用58simn高強度鋼，刀具前角為0°，后角為5°，主偏角為93°，副偏角為52°，刀尖圓弧半徑為0.8mm。1、進行切削力模型系數(shù)標定試驗切削力模型系數(shù)標定試驗的因素及水平設(shè)計如表1所示，將采集的切削力表示成切削層面積的函數(shù)，如圖5所示，根據(jù)上文的標定方法對切削力模型系數(shù)進行標定，以雙指數(shù)函數(shù)對切削力模型系數(shù)進行擬合，其中a表示切削層面積，b、c、d、b和c表示雙指數(shù)函數(shù)的系數(shù)，擬合系數(shù)如表2所示，標定結(jié)果如圖6-8和擬合曲線如圖9-11所示。表1標定試驗設(shè)計的因素及水平表2雙指數(shù)函數(shù)的擬合系數(shù)βnφnτsktkrkab18.726-18.735-1987.34880.8-787.78c0.5173-0.5172-2388.21202.6-152.52d0.0960.6892931.452772.71202.5407.18b0.00580.0058-0.07730.03970.0155c0.2937-0.5172-472.160.00210.40032、進行曲線車削試驗曲線車削試驗工件輪廓如圖12所示，試驗過程中切削層面積和等效切削刃方向角變化如圖13和圖14所示，切削力預(yù)測值與試驗值對比如圖15-17所示。通過圖15-17可以看出，在x、y、z三方向上切削力預(yù)測值與試驗值的幅值大小偏差在10％以內(nèi)，變化趨勢保持一致，驗證了曲線車削中該切削力建模方法的有效性。在此基礎(chǔ)上，判斷實際加工過程中切削力在刀具及工件上產(chǎn)生突變的位置，進而調(diào)整刀具在切削力突變位置處的進給量，使切削力在此處變化趨于穩(wěn)定。本發(fā)明采用b樣條曲線法將切削刃和工件輪廓曲線參數(shù)化處理，建立包含關(guān)鍵幾何參數(shù)的統(tǒng)一計算模型，解析切削力模型系數(shù)和力矢量、速度矢量、流屑矢量之間的約束關(guān)系，提出切削力模型系數(shù)標定方法，進而確定切削力模型系數(shù)，通過建立的切削力模型，可以判斷切削力在實際曲線加工過程中產(chǎn)生突變的位置，進而調(diào)整刀具在切削力突變處的進給量，使切削力在此處變化趨于穩(wěn)定，相對于現(xiàn)有對直線切削建模技術(shù)的應(yīng)用，可以高效完成曲線車削加工。本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員的公知技術(shù)。當前第1頁12