[发明专利]一种用于端铣切削的切削力预测及温度预测的方法

权利要求书

1.一种用于端铣切削的切削力预测及温度预测的方法，其特征在于，该用于端铣切削的切削力预测的方法包括以下步骤：

步骤一，分析端铣切削过程，建立基于平均切削力的铣削力预测模型，在该模型的切削力系数求解过程中，引入单边铣削宽度参数代表影响端铣加工表面切入切出角的因素，使端铣切削力模型不仅与基本切削参数有关，而且与切削过程中的走刀路径有关；

步骤二，建立基于斜角切削机理的铣削力预测模型，运用有限元仿真方法并结合经验公式，对剪切角等切削基本量进行预测求解，计算得到铣削力模型中的切削力系数；

步骤三，在铣削力模型构建过程中考虑了端铣加工切入切出角的影响，通过开展单齿、多齿铣削试验，对两类模型参数进行回归计算，从而预测瞬态铣削力；

步骤四，与试验数据进行对比分析，验证所建立的单、多齿铣削力模型，能够预测端铣切削过程刀齿轴向、径向误差引起的铣削力变化；

该用于端铣切削的温度预测的方法包括以下步骤：

步骤一，基于热源法原理对端铣切削这一非稳态多维热传导问题进行分析，根据温度场叠加原理建立端铣切削传热学简化模型；将端铣切削过程中剪切面热源简化为有限长运动线热源问题，建立空间任意位置有限长线热源温度场求解模型，同时建立在绝热边界条件下的镜像热源温度场求解模型；基于对端铣切削过程中线热源绕刀具轴线做旋转运动的分析，建立端铣切削有限长旋转运动线热源温度场求解模型；根据剪切变形能建立传入工件热量求解方程关系对端铣切削过程中运动线热源强度进行求解；

步骤二，建立端铣切削温度仿真预测有限元模型，结合端铣切削存在切入切出角变化的特点，分别建立对称铣削及非对称铣削的单、多齿铣削温度场仿真预测模型，通过对比仿真结果与理论计算结果，两种方法的预测结果吻合较好，且有限元预测模型更适合多齿铣削温度场的预测；

步骤三，基于半人工热电偶法开展端铣切削过程切削温度测量试验，首次采用将热电偶回路热端嵌入被加工表面的方法，对瞬时端铣切削温度进行测量，并将试验结果与有限元仿真结果及理论预测结果进行对比，两种预测方法得到的铣削温度场与试验结果趋势相同，预测误差在可接受的范围内。

2.如权利要求1所述的用于端铣切削的切削力预测及温度预测的方法，其特征在于，步骤一的基于平均切削力的铣削力预测模型建立的具体方法包括：

首先需将多个刀齿同时参与切削的端铣切削过程进行离散；端铣刀刀齿编号为i，当第i个刀齿参与切削时，将切削刃等间距离散为有限个微元切削刃dz，每一个微元切削刃参与切削的过程可等效于一个斜角切削过程；

作用在刀齿i切削刃微元dz上的瞬时切削力dF_i可分别沿切向、径向、轴向分解为三个分量：切向瞬时切削力dF_ti、径向瞬时切削力dF_ri及轴向瞬时切削力dF_ai，建立瞬时切削力求解关系式如式3.1；式中K_tc、K_rc、K_ac分别为剪切作用对切向、径向和轴向切削力的作用系数，K_te、K_re、K_ae分别为对应的刃口力系数：

端铣刀单个刀齿铣削区域取第i个刀齿上的dz微元为研究对象，与分别为刀齿的切入角、切出角；当刀齿旋转至瞬时接触角时，瞬时未变形切屑层厚度由式3.2近似表示，其中f_z为每齿进给量：

当时刀齿微元位于有效的切削范围之内，计算公式如式3.3，其中a_ey为工件上刀具切入点与刀具旋转中心垂直于进给方向的距离，B为被加工表面宽度，R为刀具半径：

ω为刀具旋转角速度，t为加工时间，则刀齿切削瞬时的瞬时接触角与刀具瞬时转角刀具齿间角以及瞬时偏差角θ(由于刀具螺旋角β引起的与的偏差)之间的关系如式3.4：

当考虑刀具主偏角k_r时，瞬时切屑层厚度表示为：

通过坐标变换，将切向、径向及轴向的瞬时切削力转换为x方向(进给向)、y方向(进给方向法向)和z方向(轴向)：

进一步带入微元力及瞬时切屑厚度得到：

根据式3.4推导得到k_β＝tanβ/R，则积分得到三向瞬时切削力，其中分别表示刀齿切削刃参与切削部分的轴向上、下限：

由于一个刀具旋转周期内每个刀齿切除的材料总量为一常数，与螺旋角无关，因此取k_β＝0，对一个刀具旋转周期内的瞬间铣削力进行积分，将积分结果除以齿间角得出每周期平均力：

分别计算得到x、y、z方向切削平均力：

因此平均切削力可以表示为每齿进给f_z的线性函数与刃口力的和，通过试验及回归分析可计算得到切削力系数：

其中

切削力系数为关于轴向切深a_p、每齿进给量f_z、切削速度v及单边切削宽度a_ey的函数，由于切削力系数与参数间的函数关系复杂，不能用简单的线性函数表示，故采用如式3.12所示的二次式形式建立K_tc、K_rc、K_ac、K_te、K_re、K_ae关于切削用量的多项式模型：

Ktc=a0+a1fz+a2ap+a3vc+a4aey+a5fzap+a6fzvc+a7fzaey+a8apvc+a9apaey+a10vcaey+a11fz2+a12ap2+a13vc2+a14aey2Krc=b0+b1fz+b2ap+b3vc+b4aey+b5fzap+b6fzvc+b7fzaey+b8apvc+b9apaey+b10vcaey+b11fz2+b12ap2+b13vc2+b14aey2Kte=c0+c1fz+c2ap+c3vc+c4aey+c5fzap+c6fzvc+c7fzaey+c8apvc+c9apaey+c10vcaey+c11fz2+c12ap2+c13vc2+c14aey2Kre=d0+d1fz+d2ap+d3vc+d4aey+d5fzap+d6fzvc+d7fzaey+d8apvc+d9apaey+d10vcaey+d11fz2+d12ap2+d13vc2+d14aey2Kac=e0+e1fz+e2ap+e3vc+e4aey+e5fzap+e6fzvc+e7fzaey+e8apvc+e9apaey+e10vcaey+e11fz2+e12ap2+e13vc2+e14aey2Kae=g0+g1fz+g2ap+g3vc+g4aey+g5fzap+g6fzvc+g7fzaey+g8apvc+g9apaey+g1vcaey+g11fz2+g12ap2+g13vc2+g14aey2---(3.12)]]>

根据测量结果便对式3.12中的参数进行求解，从而得出切削力系数多项式，计算瞬时铣削力。