[发明专利]一种面向旋风包络铣削工艺的切削力预测方法及系统

权利要求书

1.一种面向旋风包络铣削工艺的切削力预测方法，其特征在于，该方法包括：

获取工件参数、刀具参数和刀盘参数，确定刀盘与工件相对几何位置，建立刀具切削状态下刀盘坐标系；

进一步的，所述工件参数包括：零件尺寸、毛坯尺寸和工件转速；

所述刀具参数包括：刀具数量和刀具几何参数；所述刀具几何参数包括刀尖圆弧半径和余偏角；

所述刀盘参数包括：刀盘半径、刀盘转速和设定的轴向切削厚度；

在确定刀盘与工件相对几何位置之前，根据毛坯尺寸、零件尺寸和刀盘半径确定工件与刀盘之间的安装偏心距e和安装角δ；

在建立的刀具切削状态下刀盘坐标系中，毛坯在刀具平面为一短轴轴长为r，r为待加工毛坯工件半径，长轴长度为r/cosδ的椭圆，即：

x²cos²δ+(y-e)²＝r² (1)

在刀盘坐标系下，根据工件参数和旋风铣刀参数，计算刀具的切入角度、切出角度和最大切削深度点角度；

所述计算刀具的切入角度的具体步骤为:

计算刀具进入切削状态的切入点坐标(x₁，y₁):

根据切入点的坐标(x₁，y₁)计算刀具的切入角度：

其中，x₁为切入点横坐标值，y₁为切入点纵坐标值，R为刀盘半径，θ₁为切入角；

所述计算刀具的最大切削深度点角度的具体步骤为:

计算刀具到达切削深度最大点的坐标(x₂，y₂):

根据切削深度最大点的坐标(x₂，y₂)计算刀具的最大切削深度点角度：

其中，x₂为最大切削深度点横坐标值，y₂为最大切削深度点纵坐标值，n₁为工件转速，n₂为刀盘转速，θ₂为最大切削深度点角，Z为刀具数量；

所述计算刀具的切出角度的具体步骤为:

计算刀具离开切削状态的切出点坐标(x₃，y₃):

其中，(x_A，y_A)为切入点的y轴对称点，满足：

根据切出点坐标(x₃，y₃)计算刀具的切出角度：

其中，x₃为切出点横坐标值，y₃为切出点纵坐标值，x_A为切入点的y轴对称点横坐标值，y_A切入点的y轴对称点纵坐标值，θ₃为切出角；

计算刀具切触点相对当前切削刀具的刀盘坐标系的坐标，计算切削深度；

所述切削深度计算步骤包括：

判断切削角θ与切入角θ₁、切出角θ₃和最大切削深度点角θ₂的大小关系或判断刀具切触点与工件待加工表面边界的位置关系；

若θ₁≤θ≤θ₂或刀具切触点位于工件待加工表面边界切入点至最大切削深度点段，该段任意刀具切触点坐标(x_a，y_a)为：

其中，x_a为当前切削刀具的刀盘坐标系中任意刀具切触点横坐标值，y_a为当前切削刀具的刀盘坐标系中任意刀具切触点纵坐标值，

该段的切削深度h₁(θ)为：

若θ₂θ≤θ₃或工件待加工表面边界为上一刀具残留轨迹，即上一刀具切削工件椭圆边界最大切削深度点至切入点段的残留轨迹，

在上一刀具切削工件时的相对刀盘坐标系中，计算任意刀具切触点坐标(x_b-1，y_b-1)：

将任意刀具切触点坐标由上一刀具切削工件时的相对刀盘坐标系转换为当前切削刀具的刀盘坐标系，在当前切削刀具的刀盘坐标系中，计算任意刀具切触点坐标(x_b，y_b)：

其中，x_b-1为上一刀具切削工件时的相对刀盘坐标系中任意刀具切触点横坐标值，y_b-1为上一刀具切削工件时的相对刀盘坐标系中任意刀具切触点纵坐标值，κ为∠O₁O_wO，O₁为上一刀具切削工件时的相对刀盘坐标系的原点，O为当前切削刀具的刀盘坐标系的原点，O_w为工件圆心，n₁为工件转速，n₂为刀盘转速，z为刀具数量；

计算刀具切触点角度，即切削角θ，和该段的切削深度h₂(θ)：

根据刀具形状和上述计算得到的切削深度，计算刀具加工时未变形切削面积A₀：

其中，r_t为刀具圆弧半径，h为上一步计算的切削深度，b为轴向切削厚度，ψ₁为余偏角，ψ_C为余偏角的上限值；

根据刀具参数，修正刀具余偏角，计算刀具圆弧刃区的等效余偏角；

通过将刀具圆弧刃区微分的微元da进行加权平均，计算得到圆弧刀刃区的等效余偏角ψ₂：

其中，ΔA为参与切削的圆弧刃区微元面积，ψ为微元的余偏角，A₂为参与切削的圆弧刃区面积，r_t为刀具圆弧半径，b为轴向切削厚度，ψ₁为余偏角，ψ_C为余偏角的上限值；

进一步计算整个刀具切削加工区域的等效余偏角ψ_S：

其中，A₀为刀具参与切削加工的总面积即加工时未变形切削面积，A₁为参与切削的直线切削刃区面积，A₂为参与切削的圆弧刃区面积；

计算切削力，切削力的分力为斜角切削的走刀抗力和吃刀抗力以及切削主切削力；

根据刀具加工时未变形切削面积A₀和整个刀具切削加工区域的等效余偏角ψ_S，计算切削力分力：

其中，F_v为切削主切削力，F_f为斜角切削的走刀抗力，F_p为斜角切削的吃刀抗力，τ_s为剪切屈服强度，ω为铣削合力F与剪切面的夹角，为剪切角。