專利名稱：：基于刀具角度與切削用量參數(shù)變化的車削力預測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于機械制造
技術(shù)領(lǐng)域：
，涉及一種車削力的預測方法，特別涉及一種基于刀具角度與切削用量參數(shù)變化的車削力預測方法。
背景技術(shù)：
：在零件的切削加工中，切削力不僅對刀具的磨損、耐用度和被加工零件的表面質(zhì)量有很大影響，而且影響到機床的性能和切削效率。因此，預估切削力對刀具刃磨、切削參數(shù)的合理選取和機床設(shè)計具有重要意義。車削力受多種因素的影響，如刀具角度、刀具材料、切削用量條件、切削液、被加工材料的材質(zhì)及其熱處理條件等，這些影響因素中，有些因素可以定量表達，有些因素只能定性描述。因此，建立準確、通用的車削力模型具有一定的難度。目前使用的車削力預報模型主要有以下四種1)基于實驗數(shù)據(jù)的完全經(jīng)驗模型。這種模型需要做大量的切削實驗，一般通過指數(shù)曲線擬合方法找到切削力與切削用量參數(shù)之間的關(guān)系，因此只能適用于切削用量參數(shù)變化，而刀具角度參數(shù)、刀具材料、工件材料和潤滑條件等一定的特定切削條件下的車削力預測，其通用性較差。2)基于切削機理和材料本構(gòu)關(guān)系的物理模型。這種模型主要考慮主剪切區(qū)的材料屈服流動特性及刀具前刀面與切屑之間的摩擦行為，需要做大量實驗以建立材料在高溫、高應(yīng)變環(huán)境下的材料本構(gòu)模型，實驗難度大，而且只適用于固定刀具和被加工材料及固定切削條件范圍(刀具角度參數(shù)、刀具材料、工件材料、潤滑條件等一定)。另外，刀具與切屑之間的摩擦行為很復雜，需要做許多簡化處理，影響建模精度。該模型主要用于有限元法預測切削力，使用起來也不方便，需要操作者具備較好的有限元法知識。3)單位切削力模型。單位切削力模型是指單位切削面積上的主切削力，這種模型是通過切削實驗測出主切削力，然后用主切削力除以切削面積，得到單位切削力。使用時，再用切削面積乘以單位切削力，得到主切削力。這種模型的局限性在于僅適用于不同切削用量參數(shù)的主切削力預測；當?shù)毒呓嵌葏?shù)發(fā)生變化時，單位切削力模型需要重新建立。4)基于人工智能的切削力預測模型。主要有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、灰色系統(tǒng)模型等。這種模型可以考慮多種定量和定性因素，利用該方法要建立具有一定通用性的切削力模型，必須做大量的典型切削實驗，以提供足夠多的訓練模型用樣本。這種模型的缺陷是建立具有一定通用性的切削力模型所需的實驗數(shù)據(jù)工作量太大，其適用范圍主要在其切削條件范圍內(nèi)。對于神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型來說，其模型的有效性還取決于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)，且通用性越高，訓練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型效率較低，需要花費大量的訓練時間。綜上所述，現(xiàn)有的車削力預測方法，需要做大量的切削實驗，才能獲得在一定范圍內(nèi)使用的車削力預測模型；而且預測模型的精度要求越好、使用范圍要求越寬，需要做的切削實驗量越大，導致建立該預測模型的難度也越大。另外，現(xiàn)有的車削力預測模型還主要適用于切削用量參數(shù)變化的情況。眾所周知，切削實驗需要耗費大量的人力和物力，尤其對于一些采用貴重材料和稀有材料制作的工件，不允許做大量的切削實驗來預測其切削力，因此采用常規(guī)的方法幾乎難以實現(xiàn)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種基于刀具角度與切削用量參數(shù)變化的車削力預測方法，該預測方法通過很少的實驗次數(shù)即可建立切削力預測模型，所建立的預測模型具有較寬的使用范圍。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種基于刀具角度與切削用量參數(shù)變化的車削力預測方法，通過一次車削實驗得到的數(shù)據(jù)，來進行不同刀具角度、不同切削用量參數(shù)時的車削力預測，該方法按以下步驟進行步驟l:用車刀1車削工件2，以車刀1的刀尖為坐標原點，建立三維坐標系uvw，利用三向測力儀，測出沿該三維坐標系uvw的坐標軸分布的三向車削力值&、fv、fw，車刀i的刀具角度參數(shù)為前角n、刃傾角;u實際主偏角^和實際副偏角^'，切削用量參數(shù)為切削深度^和進給量/;步驟2:根據(jù)步驟1建立的三維坐標系UVW，保持坐標系原點與V軸不變，將u軸和W軸構(gòu)成的平面繞V軸順時針轉(zhuǎn)動實際主偏角的余角的角度，建立三維坐標系ur^wn步驟3:根據(jù)步驟2建立的三維坐標系IV^W,，保持坐標系原點與U,軸不變，將V,軸和W,軸構(gòu)成的平面繞Ui軸順時針轉(zhuǎn)動刃傾角&的角度，建立三維坐標系U2V2W2;步驟4:根據(jù)步驟3建立的三維坐標系U2V2W2，保持坐標系原點與W2軸不變，將V2軸和U2軸構(gòu)成的平面繞W2軸順時針轉(zhuǎn)動前角y。的角度，建立三維坐標系U3V3W3;步驟5:根據(jù)步驟1測得的三向切削力i^、^和&，通過下式將該三向切削力尸、R和Fw轉(zhuǎn)換為步驟4建立的三維坐標系U3V3W3中的三向切削<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(1)式中，T為由三維坐標系UVW到三維坐標系U3V3W3的坐標轉(zhuǎn)換矩陣；步驟6:根據(jù)步驟5得到的三向切削力i^、&和尸^，按照下述公式計算三向切削力系數(shù)/^、《w、<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(2)式中，S為車刀前刀面上的有效切削面積；步驟7:車削力預測計算根據(jù)步驟6得到的三向切削力系數(shù)ii^、《w、《w，通過下式預測計算出任意給定刀具角度和切削用量參數(shù)的車刀1切削工件2時，在三維坐標系UVW下的三向車削力《、Fv、Fw:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>本發(fā)明的預測方法將影響車削力的多種因素中的定性影響因素以切削力系數(shù)的方式予以表達，而將其中的定量影響因素以公式中的變量形式進行表征，通過很少的實驗次數(shù)即可預測車削力，且使用范圍較寬。適用于同種材料的刀具在使用同樣的切削液或不用切削液的條件下，加工同種材質(zhì)和相同熱處理狀態(tài)的工件時，對不同切削用量參數(shù)及不同刀具角度參數(shù)的車削力預測。圖1是本發(fā)明預測方法建立的三維坐標系及該坐標系中三向車削力的分布示意圖2是本發(fā)明預測方法建立的不同計算坐標系的示意圖3是本發(fā)明預測方法計算車刀有效切削面積的示意圖。圖中，l.車刀，2.工件。具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進行詳細說明。車刀的切削力受多種因素的影響，在這些影響因素中，有些可以定量表達，如刀具角度參數(shù)和切削用量參數(shù)；有些只能定性描述，如刀具材料、切削液、被加工材料的材質(zhì)及其熱處理狀態(tài)。本發(fā)明方法將影響車削力的多種因素中的定性影響因素以切削力系數(shù)的方式予以表達，而將定量影響因素以公式中的變量形式進行表征，使得采用本發(fā)明方法建立的車削力模型可適用于同種材質(zhì)的刀具在同種切削液或不用切削液的條件下，加工同種材質(zhì)和相同熱處理狀態(tài)的工件時，對不同切削用量參數(shù)及不同刀具角度參數(shù)條件下的車削力預測?，F(xiàn)有的車削力實驗研究表明中等切削速度條件下，切削速度對車削力影響不大。本發(fā)明方法在建立車削力預測模型時，不考慮切削速度的影響，主要考慮切削進給量、切削深度參數(shù)，同時，對于刃磨鋒利(新刃磨)的車刀，不考慮其后刀面磨損的影響，因此在刀具的角度參數(shù)中主要考慮刀具的前角、刃傾角、主偏角、副偏角等參數(shù)。故本發(fā)明方法將排除"切削深度、進給量、刀具的前角、刃傾角、主偏角、副偏角"以外的影響車削力的因素，以三個方向的切削力系數(shù)來考慮，并以此為基礎(chǔ)建立車削力預測模型。本發(fā)明的車削力預測方法，具體按下述步驟進行步驟l:將車刀l安裝在測力儀上，對工件2進行切削，以車刀l的刀尖為坐標原點，建立如圖1所示的三維坐標系UVW，利用三向測力儀，測出車刀1車削工件2時，沿所建立的三維坐標系UVW的坐標軸產(chǎn)生的三向車削力值&、Fv、因瞬時車削力有波動，該三向車削力值取平均值。車刀1的角度為如圖2所示的前角&、刃傾角4、實際主偏角^和圖3中所示的實際副偏角A'，選定的切削量為圖3中所示的切削深度/和進給量/;步驟2:根據(jù)步驟1建立的三維坐標系UVW，保持坐標系原點與V軸不變，將U軸和W軸構(gòu)成的平面繞V軸順時針轉(zhuǎn)動實際主偏角&的余角的角度，建立三維坐標系QV,Wp如圖2所示；步驟3:根據(jù)步驟2建立的三維坐標系"V,Wp保持坐標系原點與Q軸不變，將K軸和Wt軸構(gòu)成的平面繞U,軸順時針轉(zhuǎn)動刃傾角A的角度，建立三維坐標系U2V2W2，如圖2所示；步驟4:根據(jù)步驟3建立的三維坐標系U2V2W2，保持坐標系原點與W2軸不變，將V2軸和U2軸構(gòu)成的平面繞W2軸順時針轉(zhuǎn)動前角y。的角度，建立三維坐標系U3V3W3，如圖2所示；步驟5:根據(jù)步驟1測得的三向切削力F"、K和i;，通過下式將該三向切削力&、K和i^轉(zhuǎn)換為步驟4建立的三維坐標系U3V3W3中的三向切削<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>(1)式中，T為從坐標系UVW到坐標系U3V3W3的坐標轉(zhuǎn)換矩陣，其計算公式如下7;=J3一sin(^)0-cos(A>)010cos斷0sin,100-0cos(義力sin(義力0-sin(義s)cos(義"cosO0)sinO0)0.-sinO0)cos(,0)0001步驟6:根據(jù)步驟5得到的三向切削力i^、&3和7^3，按照下述公式計算出三向切削力系數(shù)&3、&3、&3&3-(2)式中，S為車刀前刀面上的有效切削面積，即圖3中四邊形BCDE的面積在前刀面上的投影面積，即cosOo)，(;i》/2.sinA>'sinA>'車刀l在工件2的表面上切削，其切削深度為^車刀l刀尖所處的位置點為A，沿工件軸向做進給量/距離的切削后，刀尖到達B點；此時，車刀1主切削刃上與工件2未加工表面的交點由D點到達C點；線段AD與車刀1刀尖到達B點時的副切削刃的交點設(shè)為E，如圖3所示，四邊形BCDE在前刀面上的投影面積，即為車刀前刀面上的有效切削面積S;步驟7:車削力預測計算根據(jù)步驟6得到的三向切削力系數(shù)&3、尺W、尺W，通過下式預測計算出任意給定刀具角度參數(shù)和切削用量參數(shù)的車刀1切削工件2時，在三維坐標系UVW下的三向車削力《、《、<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>(3)(4)實施例采用瑞士產(chǎn)Kistler9257B測力儀、Kistler5070A電荷放大器和Kistler9403刀架，通過計算機車削力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行三向車削力實時記錄。采用兩把新刃磨的車刀，且為干切削。表1為兩把車刀的刀具幾何參數(shù)。表l兩把車刀的刀具幾何參數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>(l)取l號刀，將其安裝于刀架上，選定切削用量參數(shù)為主軸轉(zhuǎn)速n=475r/min，進給量f=0.16mm/r，切削深度t-1.0mm;對工件進行切削，通過測力儀得到三向切削力&、fv、」f;的値，根據(jù)該值分別計算得到三向切削力系數(shù)《3、4、&3。三向切削力與計算得到的對應(yīng)的三向切削力系數(shù)如表2所示。表2:1號刀的車削力及對應(yīng)的三向切削力系數(shù)單位N<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>由表3可得出，實際三向車削力與通過本發(fā)明方法預測的車削力之間的最大相對誤差2.52%。(2)取2號刀，將其安裝于刀架上，選定切削用量參數(shù)主軸轉(zhuǎn)速n=475r/min、進給量^0.28mm/r、切削深度t=1.0mm，對上述工件再進行切削。通過測力儀得到實際三向車削力；同時，以上述一號車刀實驗所得到的三向切削力系數(shù)為基礎(chǔ)，預測計算出2號刀的三向車削力；該預測三向車削力和實測三向車削力的對比如表4所示。<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>表4中顯示，采用本發(fā)明預測方法預測得到的車削力與實際三向車削力之間的最大相對誤差為8.56%。產(chǎn)生較大誤差的主要原因是用1號車刀所獲得的三向切削力系數(shù)為基礎(chǔ)，預測2號車刀的三向車削力，兩種車刀的材質(zhì)與熱處理狀態(tài)存在差異。本發(fā)明預測方法，對于同種材質(zhì)的刀具在同樣的切削潤滑條件下，加工同種材質(zhì)和相同熱處理狀態(tài)的工件時，對任意刀具角度參數(shù)和切削用量參數(shù)的車削力進行預測具有較高精度。一般只需做一次切削實驗，即可得到刀具的三向切削力系數(shù)，因此切削實驗次數(shù)最少，且對刀具沒有特殊要求。權(quán)利要求1.一種基于刀具角度與切削用量參數(shù)變化的車削力預測方法，通過一次車削實驗得到的數(shù)據(jù)，來進行不同刀具角度、不同切削用量參數(shù)時的車削力預測，其特征在于，該方法按以下步驟進行步驟1用車刀(1)車削工件(2)，以車刀(1)的刀尖為坐標原點，建立三維坐標系UVW，利用三向測力儀，測出沿該三維坐標系UVW的坐標軸分布的三向車削力值Fu、Fv、Fw，車刀(1)的刀具角度參數(shù)為前角γ0、刃傾角λs、實際主偏角Kr和實際副偏角，切削用量參數(shù)為切削深度t和進給量f；步驟2根據(jù)步驟1建立的三維坐標系UVW，保持坐標系原點與V軸不變，將U軸和W軸構(gòu)成的平面繞V軸順時針轉(zhuǎn)動實際主偏角Kr的余角的角度，建立三維坐標系U1V1W1；步驟3根據(jù)步驟2建立的三維坐標系U1V1W1，保持坐標系原點與U1軸不變，將V1軸和W1軸構(gòu)成的平面繞U1軸順時針轉(zhuǎn)動刃傾角λs的角度，建立三維坐標系U2V2W2；步驟4根據(jù)步驟3建立的三維坐標系U2V2W2，保持坐標系原點與W2軸不變，將V2軸和U2軸構(gòu)成的平面繞W2軸順時針轉(zhuǎn)動前角γ0的角度，建立三維坐標系U3V3W3；步驟5根據(jù)步驟1測得的三向切削力Fu、Fv和Fw，通過下式將該三向切削力Fu、Fv和Fw轉(zhuǎn)換為步驟4建立的三維坐標系U3V3W3中的三向切削力Fu3、Fv3和Fw3式中，T為由三維坐標系UVW到三維坐標系U3V3W3的坐標轉(zhuǎn)換矩陣；步驟6根據(jù)步驟5得到的三向切削力Fu3、Fv3和Fw3，按照下述公式計算三向切削力系數(shù)Ku3、Kv3、Kw3式中，S為車刀前刀面上的有效切削面積；步驟7車削力預測計算根據(jù)步驟6得到的三向切削力系數(shù)Ku3、Kv3、Kw3，通過下式預測計算出任意給定刀具角度和切削用量參數(shù)的車刀(1)切削工件(2)時，在三維坐標系UVW下的三向車削力Fu、Fv、Fw2.按照權(quán)利要求1所述的車削力預測方法，其特征在于，所述步驟5中，坐標轉(zhuǎn)換矩陣T的計算公式為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>3.按照權(quán)利要求1所述的車削力預測方法，其特征在于，所述步驟6中的有效切削面積S的計算公式為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>為車刀(1)在工件(2)表面上切削的切削深度，/為進給:全文摘要本發(fā)明公開的一種基于刀具角度與切削用量參數(shù)變化的車削力預測方法，利用測力儀，測得一次車削中沿坐標系坐標軸分布的切削力，通過變換標系，計算出該切削力在變換后的坐標系中的三向車削力系數(shù)，再根據(jù)該車削力系數(shù)，計算得到預測的車削力，以實現(xiàn)對同種材質(zhì)的刀具在同樣的切削潤滑條件下，加工材質(zhì)相同和具有相同熱處理狀態(tài)的工件，在任意刀具角度參數(shù)和切削用量參數(shù)時的三向車削力的預測。本發(fā)明預測車削力的方法所需的切削實驗工作量少，所獲得的切削力模型具有較寬的使用范圍，其預測精度可滿足實際需要，便于推廣應(yīng)用。文檔編號G06F17/50GK101412196SQ200810232190公開日2009年4月22日申請日期2008年11月10日優(yōu)先權(quán)日2008年11月10日發(fā)明者劉軍海,張廣鵬,李少英申請人:西安理工大學