[发明专利]车削SiC颗粒增强铝基复合材料切削力预测方法

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料切削力预测领域，具体涉及一种车削SiC颗粒增强铝基复合材料切削力预测方法。

背景技术

在金属切削加工中，切削力的变化能够影响零件的加工精度、刀具耐用度和切削过程的平稳性等。因此，准确的获得切削过程的切削力对于提高生产效率、降低生产成本、保证生产安全具有重要的作用。

对切削力的获得一般通过两种途径，即切削力的预测和切削力的直接测量。目前切削力的预测大部分是通过切削用量三要素，即切削速度、进给量、切削深度的变化，进行前期大量的切削实验，获得其切削力数据，然后通过各种方法，譬如最小二乘法、响应面法、人工神经网络、粗糙集等方法预测其未知条件下的切削力，而切削力的测量，一般利用专用的切削力测量仪器，譬如压电晶体测力仪、电阻应变片测力仪，进行切削力的测量，目前国外主要以瑞士的KSTLER为主，而国内的测力仪主要来自于大连理工大学和北京航天航空大学。但是无论是切削力的预测还是切削力的测量都是基于实验测量的基础上的，无论是设备成本，还是运行成本都比较高。

SiC颗粒增强铝基复合材料是一种新型的复合材料，具有轻质、高模量、低膨胀、力和温度耦合下尺寸稳定等优点，目前，主要应用在航天航空、精密仪器、高速列车等领域。随着SiC颗粒增强铝基复合材料制备技术的成熟，其具有非常广阔的应用前景。但是，目前SiC颗粒增强铝基复合材料的切削加工还存在一些问题，主要包括两类：

1)由于SiC颗粒增强铝基复合材料硬度较高，其切削加工性较传统连续性材料相比，其力学性能差别较大，根据现有的技术资料，无法确定其在不同的条件下的切削参数。

2)SiC颗粒增强铝基复合材料切削时，其刀具耐用度和零件表面的表面粗糙度很难保证。SiC颗粒增强铝基复合材料切削时，主要使用硬度较高的PCD刀具，刀具磨损非常剧烈，而且由于SiC颗粒物的存在，刀具磨损的主要原因是发生在前刀面物理磨损。同样，由于颗粒物的存在，使得零件表面的粗糙度也变得交叉。

而上述两个问题都可以通过控制切削力这一参数进行解决。区别于传统的连续性材料，对于SiC颗粒增强铝基复合材料切削力的预测必须要考虑SiC颗粒物的影响，而目前大部分的预测方法都忽略了SiC颗粒对于切削力的影响。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种车削SiC颗粒增强铝基复合材料切削力预测方法，通过切削变形区的受力分析来预测切削力，不需要通过大量的切削实验来进行。并且，充分考虑了切削变形区中SiC颗粒物对切屑、刀具、零件的影响，研究切削力的各个来源，并进行准确的预测。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

车削SiC颗粒增强铝基复合材料切削力预测方法，包括如下步骤：

S1、第I变形区AB受力分析：

S11、根据几何关系可得

式中，F_τ为剪切面AB的剪切力，F_c为作用于剪切面的正压力，F_n为作用于前刀面的正压力，F_f为前刀面与切屑铝基体的滑动摩擦力，τ_s为零件材料的剪应力，γ₀为刀具前角，β为前刀面和切屑铝基体底部的摩擦角，为剪切角，b为切削深度，d为工件每转一周沿进给方向的切屑宽度，即剪切层宽度，r_z为切削刃钝圆半径；

S12、通过以下公式计算剪切角

S13、根据材料力学平面应力状态理论，主应力F_τS方向与最大剪应力F_τ方向的夹角为π/4，通过以下公式计算摩擦角β：

S14、将切削力沿着坐标轴进行分解，可得

式中，τ_s为零件材料的剪应力；γ₀为刀具前角；b为切削深度；r_z为切削刃钝圆半径，剪切层宽度d大小等于进给量f*1＝f；

S15、将所得的在XOY坐标平面进一步分解，可得

S16、取切削深度b远大于刀尖圆弧半径r_ε，按下式计算主偏角k_rε：

由此可知，来自第一变形区，切削力的三个分量如下式所示