[发明专利]一种考虑倒棱几何的难加工材料高速车削切削力预测方法

说明书

本发明提供一种考虑倒棱几何的难加工材料高速车削时切削力预测方法，首先获取并以车削加工参数和材料本构参数作为输入量，建立正交坐标系，计算切削微元对应的未变形切屑厚度，利用得到的切削微元的瞬时切削厚度计算切削微元的切削力，将切削微元的切削力，通过空间坐标系矩阵变换转换到所述的正交坐标系中，相加后沿着切削刃积分，得到整体的切削力，本发明考虑了倒棱刃口长度和倒棱角度对刃口力系数的影响，进一步完善了刃口力系数标定方程，从而能够高效、精确地预测倒棱圆形车刀车削加工时的切削力。

技术领域

本发明属于金属高效高精切削加工技术领域，具体涉及一种考虑倒棱几何的难加工材料高速车削切削力预测方法。

背景技术

切削力的预测对车削这种常规加工方式的机械加工性能评估有着极其重要的指导意义，尤其是在加工Inconel 718等难加工金属材料时，切削力的变化和分布对刀具的寿命以及已加工表面的质量都有极大的影响。目前，国内外专家学者在常规的菱形车刀和三角形车刀切削力领域的研究已经非常成熟，但圆形车刀因为其切削域几何形状的复杂性，因而对此方面研究相对较少。

同时，圆形车刀刃口对改善切削性能和延长刀具寿命有重要的作用，尤其是倒棱刃口，凭借其良好的抗磨损能力以及强度提高特性，在难加工金属材料高速切削加工领域中被广泛应用，常用的像陶瓷圆形车刀、CBN刀具等，但由于这种倒棱圆形刀具切削几何的复杂性以及刀具成本较高，对其切削力预测方法的研究还需要进一步深入和完善。

目前，已经有学者针对这种复杂车削环境下的切削力的预测做了相关研究，例如Ren H 和Altintas Y(“Machanics of machining with chamfered tools”J Manuf SciEng Trans ASME 2000； 122(4)：650-659)提出了一种基于滑移场模型和最小能量原则的倒棱刀具切削力分析模型，能够输出三个变形区域的切削力和切削热。Weng J，Zhuang K(“An analytical force prediction model for turning operation by round insertconsidering edge effect”In J Mech Sci 2017；128:168-180)研究了倒棱圆形车刀车削时小切厚区域刃口力对切削力的影响，并结合有限元分析推导了刃口力系数标定方程，但是该方法中没有考虑倒棱圆形车刀倒棱角度对刃口力系数的影响，因而如今对于圆形车刀的切削力预测还不够全面，另外，切削力与倒棱几何参数的需要更多的实验去探索和验证。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种考虑倒棱几何的难加工材料高速车削时切削力预测方法，能高效、精确地预测难加工材料高速车削的切削力。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种考虑倒棱几何的难加工材料高速车削时切削力预测方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、获取并以车削加工参数和材料本构参数作为输入量：

车削加工参数包括刀具半径R、切削深度a_p、切削速度V和每齿进给量f；材料本构参数包括屈服强度A、强度系数B、应变率敏感系数C、热软化系数m和应变硬化指数n；

S2、建立正交坐标系：

定义刀具轴向为正交坐标系的Z轴，切削进给方向为正交坐标系的X轴，与X轴、Z轴垂直的方向为Y轴，倒棱圆形刀具包括前刀面、倒棱面和后刀面，以前刀面的圆心为正交坐标系的空间原点，在XY平面内将倒棱圆形刀具切削刃离散成一系列切削微元，获取每个参与切削加工的微元；

S3、计算切削微元对应的未变形切屑厚度：

根据浸入角，将前刀面上参与切削加工区域划分为两个部分，分别给定区域内每个微元对应未变形切屑厚度的计算表达式，具体如下：

其中