申请/专利权人：哈尔滨工程大学

申请日：2021-11-16

公开（公告）日：2024-04-30

公开（公告）号：CN114091194B

主分类号：G06F30/17

分类号：G06F30/17;G06F30/23;G06F111/04;G06F119/08;G06F119/14

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.30#授权;2022.03.15#实质审查的生效;2022.02.25#公开

摘要：本发明一种摆线铣削中的切削温度预测方法，包括如下步骤：步骤1：求解铣削过程中第二变形区消耗的能量Qf；步骤2：建立铣削中的切削温度模型；步骤3：第二变形区消耗能量经前刀面流入刀具的能量分配系数R2的标定；步骤4：求解摆线铣削中流入刀具能量的输入规律；步骤5：求解摆线铣削中的切削温度Tx,y,z,t。本发明方法可用于高精、高效求解摆线铣削中的切削温度，其可求解切削刃上任意点处切削温度随时间的变化曲线，克服了以往摆线铣削中切削温度难以定量分析的不足；该方法综合运用有限元法和解析法，克服了单纯有限元法求解切削温度效率低的不足，以及单纯解析法求解流入刀具能量密度困难的不足。

主权项：1.一种摆线铣削中的切削温度预测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：求解铣削过程中第二变形区消耗的能量Qf；取m个未变形切屑厚度hi，将每一个未变形切屑厚度hi连同切削速度V，刀具前角αr，刀-屑之间的摩擦系数μ，刀具和工件的材料参数以及刀具几何输入有限元软件，求得给定切削厚度hi及相应切削条件下的切削力Ftci,Ffci，刀-屑接触长度lcni以及剪切角φci的数值；利用m个结果，拟合得到铣削中切削力Ftc,Ffc、刀-屑接触长度lcn与未变形切屑厚度h的关系，如以下公式表示： lcnh＝k1·h+k0剪切角φc看作是与未变形切屑厚度h无关的量，剪切角φc的值由m次φci的平均值计算得到；铣削过程中第二变形区消耗的能量Qf为：Qf＝Fu·Vc其中，Fu为切屑在前刀面上受到的摩擦力，Fu＝Ftc·sinαr+Ffc·cosαr，αr为刀具前角；Ftc为沿切削速度V方向的主切削力，Ffc的方向与Ftc的方向垂直；Vc为切屑相对于前刀面的滑动速度，步骤2：建立铣削中的切削温度模型；在铣削过程中经由前刀面流入刀具的热流密度qc为：qc＝R2·QfAs其中，R2为第二变形区消耗能量流入刀具的百分比；As为铣削过程中刀具和切屑的接触面积，As＝lcn·ap；铣削中任意瞬时t刀具上任意一点Ax,y,z处的切削温度Tx,y,z,t由下式求解： 其中，k为刀具材料的导热系数；K为刀具材料的热扩散系数；D＝Kt-τ12；τ表示前刀面上B0,yp,zp处的单位热源在τ时刻加热了刀具；erf为误差函数，步骤3：第二变形区消耗能量经前刀面流入刀具的能量分配系数R2的标定；假定一系列的能量分配系数值R2j，根据步骤1和2，计算出给定条件下对应能量分配系数R2j时流入刀具的热流密度qcj，进而计算出铣削过程中刀具上任一点Ax,y,z在任意时刻t的切削温度Tx,y,z,tj；0＜R2j＜1；通过切削实验，测量给定刀具-工件对及切削参数下刀具上一点Ax,y,z处的切削温度曲线Tx,y,z,te；分别取计算出的切削温度曲线Tx,y,z,tj的稳定段和实验测量得到的切削温度曲线Tx,y,z,te的稳定段，对比分析稳定段最大切削温度计算值R2j与测量值R2的关系；若当R2＝R2j时，在Ax,y,z点处求得的最大切削温度Tx,y,z,tjmax与实验测得Ax,y,z点处的最大切削温度Tx,y,z,temax之间的差值小于5％，则认为R2＝R2j为给定刀具-工件对和切削条件下，第二变形区经前刀面流入刀具的能量分配系数；步骤4：求解摆线铣削中流入刀具能量的输入规律；建立坐标系xO0y以描述摆线铣削中的几何关系，其中坐标原点O0处在摆线刀轨直线段的起点S的正上方，两点之间的距离为r，且x轴的方向与SE平行；直线段SE和绕O1点半径为r的圆构成一个摆线周期的刀轨，刀具沿摆线刀轨运动以切削工件；当刀心点Oc处在摆线刀轨直线段的起点S时，t＝0；则当刀具沿摆线刀轨的直线段SE运动时，t时刻刀心点Ocxc,yc在坐标系xO0y中的位置为： 其中，f为进给速度；c为摆线步长，即线段SE的长度；当刀心点Oc划过摆线刀轨直线段的终点E沿摆线刀轨的圆弧段运动时，Ocxc,yc在坐标系xO0y中的位置为： 当刀心点沿摆线刀轨的圆弧段运动；tc时刻刀心点Oc划过摆线刀轨上的H点，此后刀具将不再与工件啮合直到下一个摆线周期开始；tc由下式计算： 当t∈[0,tc]时，刀尖点Pexe,ye的运动轨迹Se在坐标系xO0y中由圆来表示： P2为刀尖点运动轨迹Se与前一个摆线周期材料切除边界B的交点；边界B为圆心在O0，半径为r+R的圆；P1为刀具的切出点；当刀具沿摆线刀轨的直线段运动时，切出点P1处在与SE平行且在距离SE下方r+R的线段上；当刀具沿摆线刀轨的圆弧段运动时，切出点P1处在边界B1上；边界B1为圆心在O1，半径为r+R的圆；O1在xO0y中的坐标为c,0；P1点和P2点的坐标均通过解方程求得；在一个摆线铣削周期中，切削刃每次切削工件的切入角θst由下式计算：θst＝θex-θimm其中，θex为切出角，在摆线铣削中θex恒为π；θimm为啮合角，θimm＝∠P2OcP1，在P1和P2点的坐标已知的情况下，θimm由余弦定理求得；任意瞬时刀齿旋转形成的切削刃Pe的方程为： n为主轴转速；θen为刀尖点的瞬时位置角，表示PeOc与y轴的夹角；当0≤t≤tc时，若刀尖点的瞬时位置角θen满足θst≤θen≤θex，则未变形切屑厚度ht为ht＝fz·sinθen；fz为每齿进给；若刀尖点的瞬时位置角θen不满足θst≤θen≤θex，则未变形切屑的厚度ht＝0；当tc＜t≤60c+2πrf时，刀具的切削刃不再切削工件，此时ht＝0；在求得摆线铣削中任意瞬时的未变形切屑厚度ht后，先将ht带入步骤1，再结合步骤3求得的能量分配系数R2，最后即可求得摆线铣削中经前刀面进入刀具的热流密度qct；步骤5：求解摆线铣削中的切削温度Tx,y,z,t；将步骤4求得的摆线铣削中流入刀具的热流密度qct，代入步骤2建立的铣削中的切削温度模型即可求得摆线铣削中任意瞬时t刀具切削刃上任意点Ax,y,z处的切削温度Tx,y,z,t。

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百度查询： 哈尔滨工程大学 摆线铣削中的切削温度预测方法

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