鋁合金材料端銑切削力及切削加工變形模型的構(gòu)建方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種鋁合金材料端銑切削力及切削加工變形模型的構(gòu)建方法，建立了基于平均切削力的銑削力預(yù)測(cè)模型，建立了基于斜角切削機(jī)理的銑削力預(yù)測(cè)模型，基于所建立的基于平均切削力的銑削力預(yù)測(cè)模型和基于斜角切削機(jī)理的銑削力預(yù)測(cè)模型，分別開(kāi)展單、多齒瞬態(tài)銑削力預(yù)測(cè)并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，并建立了鋁合金材料銑削加工變形模型，基于實(shí)數(shù)編碼的自適應(yīng)遺傳算法對(duì)端銑加工表面平面度誤差進(jìn)行了預(yù)測(cè)，對(duì)研究加工變形機(jī)理具有重要的研究意義。
【專(zhuān)利說(shuō)明】鋁合金材料端銑切削力及切削加工變形模型的構(gòu)建方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于機(jī)加工領(lǐng)域，尤其涉及一種鋁合金材料端銑切削力及切削加工變形模 型的構(gòu)建方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于鑄鋁合金材料鑄造工藝方法的研究已較為成熟，但對(duì)不同鑄鋁合 金材料的力學(xué)特性的研究仍?xún)H限于靜態(tài)力學(xué)特性研究，針對(duì)切削加工中高溫、高應(yīng)變、高應(yīng) 變率條件下的鑄鋁合金材料動(dòng)態(tài)力學(xué)特性研究尚未開(kāi)展，因此研究鑄鋁合金材料在高速切 削條件下表現(xiàn)處來(lái)的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，對(duì)研究加工變形機(jī)理具有重要的研究意義。
[0003] 根據(jù)鑄鋁合金材料特點(diǎn)，鑄鋁合金復(fù)雜箱體零件的主要加工方法為端銑切削，當(dāng) 進(jìn)行大尺寸平面加工時(shí)，受端銑刀具直徑的影響，雖然加工時(shí)未選用較高的主軸轉(zhuǎn)速，選用 大直徑端銑刀具在切削過(guò)程中仍能達(dá)到較高的切削速度（>l〇〇〇m/min)，因此不適合用傳統(tǒng) 的切削理論開(kāi)展分析，需要建立適合高速端銑切削的研究方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種鋁合金材料端銑切削力及切削加工變形模型的構(gòu)建 方法，旨在對(duì)鑄鋁合金材料在高速切削條件下表現(xiàn)出的高溫、高應(yīng)變、高應(yīng)變率的動(dòng)態(tài)力學(xué) 性能進(jìn)行研究。
[0005] 本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種鋁合金材料端銑切削力模型的構(gòu)建方法的具體步驟如 下：
[0006] 步驟一、建立基于平均切削力的銑削力預(yù)測(cè)模型，根據(jù)瞬時(shí)未變形切屑層厚度與 瞬態(tài)銑削力的解析關(guān)系，建立銑削力求解關(guān)鍵因素一切削力系數(shù)關(guān)于每齒進(jìn)給量、軸向切 深、切削速度及單邊切削寬度四個(gè)切削參數(shù)的二次多項(xiàng)式模型，其中單邊銑削寬度表示了 端銑切削過(guò)程中由于走刀軌跡不同所引起的切入切出角變化，通過(guò)開(kāi)展四因素四水平端銑 切削力測(cè)量試驗(yàn)，運(yùn)用最小二乘法對(duì)切削力系數(shù)模型中系數(shù)進(jìn)行回歸，并研究切削參數(shù)對(duì) 切削力系數(shù)的影響，建立基于平均切削力的銑削力預(yù)測(cè)模型；
[0007] 步驟二、建立基于斜角切削機(jī)理的銑削力預(yù)測(cè)模型，針對(duì)斜角切削中切削力與切 削參數(shù)的關(guān)系開(kāi)展解析計(jì)算，基于鑄鋁合金Johnson-Cook材料本構(gòu)模型，運(yùn)用有限元仿真 方法對(duì)剪切角等切削基本量進(jìn)行預(yù)測(cè)求解，計(jì)算得到銑削力預(yù)測(cè)模型中的切削力系數(shù)，建 立基于斜角切削機(jī)理的銑削力預(yù)測(cè)模型；
[0008] 步驟三、基于所建立的基于平均切削力的銑削力預(yù)測(cè)模型和基于斜角切削機(jī)理的 銑削力預(yù)測(cè)模型，分別開(kāi)展單、多齒瞬態(tài)銑削力預(yù)測(cè)并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合模型建立 過(guò)程進(jìn)行切削力誤差原因分析。
[0009] 進(jìn)一步，所述的建立基于平均切削力的銑削力預(yù)測(cè)模型的具體方法為：
[0010] 首先，將多個(gè)刀齒同時(shí)參與切削的端銑切削過(guò)程進(jìn)行離散，設(shè)端銑刀刀齒編號(hào)為 i，當(dāng)?shù)趇個(gè)刀齒參與切削時(shí)，將切削刃等間距離散為有限個(gè)微元切削刃dz，每一個(gè)微元切 削刃參與切削的過(guò)程可等效于一個(gè)斜角切削過(guò)程；
[0011] 作用在刀齒i切削刃微元dz上的瞬時(shí)切削力ClFi可分別沿切向、徑向、軸向分解 為三個(gè)分量：切向瞬時(shí)切削力dFti、徑向瞬時(shí)切削力dFri及軸向瞬時(shí)切削力dFai，建立瞬時(shí) 切削力求解關(guān)系式如下式，式中Ktc;、KM、Ka。分別為剪切作用對(duì)切向、徑向和軸向切削力的作 用系數(shù)，Kte、KM、I^分別為對(duì)應(yīng)的刃口力系數(shù)；
[0012]

【權(quán)利要求】
1. 一種鋁合金材料端銑切削力及切削加工變形模型的構(gòu)建方法，其特征在于，所述的 鋁合金材料端銑切削力及切削加工變形模型的構(gòu)建方法包括： 步驟一、建立基于平均切削力的銑削力預(yù)測(cè)模型，根據(jù)瞬時(shí)未變形切屑層厚度與瞬態(tài) 銑削力的解析關(guān)系，建立銑削力求解關(guān)鍵因素一切削力系數(shù)關(guān)于每齒進(jìn)給量、軸向切深、切 削速度及單邊切削寬度四個(gè)切削參數(shù)的二次多項(xiàng)式模型，其中單邊銑削寬度表示了端銑切 削過(guò)程中由于走刀軌跡不同所引起的切入切出角變化，通過(guò)開(kāi)展四因素四水平端銑切削力 測(cè)量試驗(yàn)，運(yùn)用最小二乘法對(duì)切削力系數(shù)模型中系數(shù)進(jìn)行回歸，獲得切削參數(shù)對(duì)切削力系 數(shù)的影響，建立基于平均切削力的銑削力預(yù)測(cè)模型； 步驟二、建立基于斜角切削機(jī)理的銑削力預(yù)測(cè)模型，針對(duì)斜角切削中切削力與切削參 數(shù)的關(guān)系開(kāi)展解析計(jì)算，基于鑄鋁合金Johnson-Cook材料本構(gòu)模型，運(yùn)用有限元仿真方法 對(duì)剪切角切削基本量進(jìn)行預(yù)測(cè)求解，計(jì)算得到銑削力預(yù)測(cè)模型中的切削力系數(shù)，建立基于 斜角切削機(jī)理的銑削力預(yù)測(cè)模型； 步驟三、基于所建立的基于平均切削力的銑削力預(yù)測(cè)模型和基于斜角切削機(jī)理的銑削 力預(yù)測(cè)模型，分別開(kāi)展單、多齒瞬態(tài)銑削力預(yù)測(cè)并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合模型建立過(guò)程 進(jìn)行切削力誤差原因分析。
2. 如權(quán)利要求1所述的鋁合金材料端銑切削力及切削加工變形模型的構(gòu)建方法，其特 征在于，所述的建立基于平均切削力的銑削力預(yù)測(cè)模型的具體方法為： 首先，將多個(gè)刀齒同時(shí)參與切削的端銑切削過(guò)程進(jìn)行離散，端銑刀刀齒編號(hào)為i，當(dāng)?shù)?i個(gè)刀齒參與切削時(shí)，將切削刃等間距離散為有限個(gè)微元切削刃dz，每一個(gè)微元切削刃參 與切削的過(guò)程等效于一個(gè)斜角切削過(guò)程； 作用在刀齒i切削刃微元dz上的瞬時(shí)切削力ClFi分別沿切向、徑向、軸向分解為三個(gè)分 量：切向瞬時(shí)切削力dFti、徑向瞬時(shí)切削力dFri及軸向瞬時(shí)切削力dFai，建立瞬時(shí)切削力求 解關(guān)系式如下式，式中K t。、KTC、Ka。分別為剪切作用對(duì)切向、徑向和軸向切削力的作用系數(shù)， Kte、Kre、Kae分別為對(duì)應(yīng)的刃口力系數(shù)；
端銑刀單個(gè)刀齒銑削區(qū)域示意圖，取第i個(gè)刀齒上的dz微元為對(duì)象，與φ?分別為 刀齒的切入角、切出角，當(dāng)?shù)洱X旋轉(zhuǎn)至瞬時(shí)接觸角f時(shí)，瞬時(shí)未變形切屑層厚度hi(<pi(z))由 式
表示，其中fz為每齒進(jìn)給量； 當(dāng)<Ps?S|)i(z運(yùn)φ?時(shí)刀齒微元位于有效的切削范圍之內(nèi)，fst、計(jì)算公式如下式，其 中aey為工件上刀具切入點(diǎn)與刀具旋轉(zhuǎn)中心垂直于進(jìn)給方向的距離，B為被加工表面寬度， R為刀具半徑；
ω為刀具旋轉(zhuǎn)角速度，t為加工時(shí)間，則刀齒切削瞬時(shí)的瞬時(shí)接觸角φ與刀具瞬時(shí)轉(zhuǎn) 角ft、刀具齒間角φΡ以及瞬時(shí)偏差角θ之間的關(guān)系如下式；
當(dāng)?shù)毒咧髌莃時(shí)，瞬時(shí)切屑層厚度1?ι(φ,(/))表示為：
誦討祕(mì)標(biāo)亦拖，將切向、彳孕向及軸向的隱時(shí)切削鮮拖為X方向、V方向和ζ方向：
其中，C = fzsink,., dz=-dq>/kp，ke = tan/R，則積分得到三向瞬時(shí)切削力，其中 /..Ip1(Z))分別表示刀齒切削刃參與切削部分的軸向上、下限；
由于一個(gè)刀具旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)每個(gè)刀齒切除的材料總量為一常數(shù)，與螺旋角無(wú)關(guān)，因此取 dz = Bp, CPi(Z)= φ，ke = 〇,對(duì)一個(gè)刀具旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的瞬間銑削力進(jìn)行積分，將積分結(jié)果除 以齒間角fp，得出每周期平均力：
分別計(jì)算得到X、y、z方向切削平均力：
因此平均切削力表示為每齒進(jìn)給fz的線(xiàn)性函數(shù)與刃口力的和，通過(guò)試驗(yàn)及回歸分析計(jì) 算得到切削力系數(shù)：
切削力系數(shù)為關(guān)于軸向切深ap、每齒進(jìn)給量fz、切削速度v及單邊切削寬度aey的函 數(shù)，采用如下式所示的二次式形式建立Kt。、心。、1(3。、1^、1^、1^關(guān)于切削用量的多項(xiàng)式模型 ：
開(kāi)展切削力測(cè)量試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果便可對(duì)上式中的參數(shù)進(jìn)行求解，從而得出切 削力系數(shù)多項(xiàng)式，計(jì)算瞬時(shí)銑削力。
3.如權(quán)利要求1所述的鋁合金材料端銑切削力及切削加工變形模型的構(gòu)建方法，其特 征在于，建立基于斜角切削機(jī)理的銑削力預(yù)測(cè)模型的具體方法為： 剪切平面內(nèi)的剪切應(yīng)變依據(jù)幾何關(guān)系推導(dǎo)得出：
其中η為流屑角，根據(jù)最小能量原理，從幾何觀(guān)點(diǎn)分析，剪切力Fs表示為F在剪切平 面上的投影，表達(dá)式如下式： Fs = F[cos ( θ n+ φη) cos Θ jcos Φ j+sin Θ jsin Φ J 或表示剪切平面上的平均剪應(yīng)力τ s和剪切面面積As的乘積：
其中剪切面面積計(jì)算基于瞬時(shí)未變形切屑層厚度平均剪應(yīng)力τ，Ts通過(guò) 建立基于Johnson-Cook本構(gòu)模型的有限元仿真模型求解；作用在銑削刀具刀齒微元dz上 的切削力合力dF，以及切向、徑向、軸向的三向切削力分量dFt、dFr、dFa :
對(duì)作用于微元dz上的三向切削力形式：
則得到切削力系數(shù)Kt。、K"、Ka。的表達(dá)式：
在上中，由于dFt、dFr、dFa式關(guān)于剪切屈服應(yīng)力Ts、切削合力方向Q i、刃傾角As 和斜角切削剪切角f?和零i的函數(shù)，眾多斜角切削參數(shù)給求解帶來(lái)不便，故應(yīng)用Armarego 的經(jīng)典斜角切削模型基于以下將難以求解的斜角切削參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化：剪切速度與剪切力共 線(xiàn)；切屑長(zhǎng)度比在直角切削和斜角切削中相同； 得出：
得出切削力系數(shù)Ktc;、Krc;、Ka。
4. 如權(quán)利要求1所述的鋁合金材料端銑切削力及切削加工變形模型的構(gòu)建方法，其特 征在于，對(duì)于多齒的情況，第i個(gè)刀齒的相對(duì)于理想刀齒位置由軸向位置誤差A(yù)zi，徑向位 置誤差A(yù)ri，則：
5. 如權(quán)利要求1所述的鋁合金材料端銑切削力及切削加工變形模型的構(gòu)建方法，其特 征在于，所述的鋁合金材料端銑切削力及切削加工變形模型的構(gòu)建方法包括 ： 單因素加工誤差模型： 點(diǎn)集S是端銑加工中被加工表面上全部點(diǎn)的集合，Pi e S為被加工表面上任意一點(diǎn)，Pi 點(diǎn)在誤差影響因素 F的作用下產(chǎn)生加工誤差EFi，EFi為加工誤差的矢量表示，誤差影響因素 F既是機(jī)床的部件、力、溫度場(chǎng)或某些隨機(jī)的擾動(dòng)； 分析切削加工過(guò)程，EFi并不是一次達(dá)到，而是經(jīng)過(guò)多次誤差累加得到的結(jié)果； 平面切削加工時(shí)間為！^在^時(shí)刻U1 e [〇，T])Pi點(diǎn)在F的作用下的加工誤差為 S Q+ δ i，其中δ ^為pi的初始誤差狀態(tài)，則在tl+ Λ t時(shí)刻，Pi點(diǎn)的加工誤差則表現(xiàn)為累積 的加工誤差^+δ^Λ δ，因此若在[〇，T]范圍內(nèi)取h、t2、……、tm共m個(gè)時(shí)刻進(jìn)行分析， 則E" ;表示為Di點(diǎn)累積誤差矢暈和的形式：
多因素耦合加工誤差模型： 加工過(guò)程中共有k個(gè)誤差影響因素 Fp F2、…Fk作用于被加工工件上，Pi點(diǎn)在各誤差 影響因素作用下產(chǎn)生的加工誤差EFi的表達(dá)式如下：
其中c為廢品率系數(shù)，λ i、λ 2......為各組成因素的誤差分布曲線(xiàn)形狀有關(guān)的系數(shù),正 態(tài)分布時(shí)λ = 1/9,等概率曲線(xiàn)或分布不清時(shí)λ = 1/3,三角形分布時(shí)1/6 ; 端銑加工表面誤差影響因素得出端銑加工表面上點(diǎn)Pi誤差Ei :
基于實(shí)數(shù)編碼的自適應(yīng)遺傳算法進(jìn)行端銑加工表面平面度誤差預(yù)測(cè)。
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK104392090SQ201410505390
【公開(kāi)日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2014年9月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月26日
【發(fā)明者】焦黎, 王西彬, 錢(qián)鈺博, 孫厚芳, 解麗靜 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)