[发明专利]基于响应曲面法的超声辅助加工的尖形刀切削力预测模型建模方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于响应曲面法的超声辅助加工的尖形刀切削力预测模型建模方法。

背景技术

NOMEX蜂窝复合材料是一种新型的合成纤维材料，具有耐高温、耐酸耐碱、阻燃、高比强度和高比刚度等众多优点，广泛地应用在航空航天、舰船以及其他具有特殊要求的领域。其组成为纤维材料，韧性较强，轴向受力极易变形，正是这种正交各项异性的特性，使其成为了典型的难加工材料之一。传统铣削等加工方法会出现纤维开裂、毛刺，加工效率低，污染环境等问题，超声加工技术的引入有效地解决了传统加工方法所存在的问题。切削力作为一种综合反映超声辅助切割过程及加工效果的重要参数，对超声辅助切割NOMEX蜂窝复合材料的机理研究具有重要理论意义，为进一步的理论研究及加工技术研究奠定基础。根据声学理论，振幅是声学系统稳定性的最终反映参数。切削力作为动态负载，是超声切割声学系统输出振幅的重要影响因素之一。因此，超声辅助切割NOMEX蜂窝复合材料的切削力研究对超声切割声学系统定振幅输出具有重要意义，对保持超声切割声学系统稳定性具有重要意义。在超声辅助切割NOMEX蜂窝复合材料过程中，尖形刀的刀具摆角、前倾角及切割深度对切削力均有一定影响。选取合适的刀具摆角、前倾角及切割深度，保证较小的切削力不仅有利于提高加工质量及加工效率，而且有利于尖形刀刀具的使用寿命，同时有利于声学系统输出恒定振幅保证系统稳定性。目前对超声辅助切割MOMEX蜂窝复合材料的切削力分析还只停留在理论分析，通过运动学分析推到切削力相关模型，所得模型冗长复杂难以与实际应用进行匹配。

发明内容

本发明提供了一种基于响应曲面法的超声辅助加工的尖形刀切削力预测模型建模方法，能够在超声辅助切割NOMEX蜂窝复合材料时，选取合适的尖形刀刀具摆角、前倾角及切割深度以保证切割过程中产生较小的切削力。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：基于响应曲面法的超声辅助加工的尖形刀切削力预测模型建模方法，包括如下步骤：

步骤一，以刀具摆角、前倾角及切割深度为自变量，三向切削力为因变量，考虑到因变量与自变量之间的相互关系，通过Box-Behnken实验设计方法进行实验方案设计，得到对应的实验方案；

步骤二，基于实验方案搭建超声辅助切割NOMEX蜂窝复合材料的切削力测试实验平台，并基于Box-Behnken实验设计方法所设计的实验方案进行实验并获取样本数据；

步骤三，借助Design-Expert软件运用响应曲面法对样本数据进行回归分析，建立以刀具摆角、前倾角及切割深度为自变量的切削力的二阶响应曲面模型；

步骤四，借助Design-Expert软件对所建切削力的二阶响应曲面模型进行方差分析，分析模型中的一次项、二次项及交互项对切削力的影响显著程度，剔除影响不显著项进而得到优化二阶响应曲面模型；

步骤五，任意指定切削条件对切削力预测模型进行实验验证。

所述尖形刀的刀具摆角调节范围为15°～30°，前倾角调节范围为20°～40°，切割深度为9mm～15mm。

步骤二中所用的NOMEX蜂窝复合材料的型号为HDL-1-1.83-48。

步骤三中切削力的二阶响应曲面模型表达式为：

F＝b+b₁α+b₂θ+b₃a_p+b₄αθ+b₅αa_p+b₆θa_p+b₇α²+b₈θ²+b₉a_p²

式中b_i为待估系数，F为切削力，α为刀具摆角，θ为前倾角，a_p为切割深度。

步骤三中三向切削力的二阶响应曲面模型表达式为：

F_x＝-1.175+0.09α-0.14θ+0.38a_p+0.003αθ+0.003αa_p+0.005θa_p-0.003α²+0.0008θ²-0.019a_p²