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专利号: 2021114645933
申请人: 湖南工业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-10-14
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种椭圆超声振动辅助铣削切削力预测方法,其特征在于,包括以下步骤:S1.采用Z‑MAP模型对工件进行描述;

S2.建立刀具中心、刀尖运动轨迹方程以及速度方程;

椭圆超声振动辅助铣削刀尖运动轨迹的建模过程如下:椭圆超声振动辅助铣削的运动由铣刀绕主轴的回转运动、绕铣刀轴心椭圆振动及铣刀的直线进给运动复合而成,其中铣刀的进给运动方程为:其中,vf为进给速度,ft为铣刀每齿进给量,n为主轴转速,N为刀齿数,t为时间;

铣刀绕主轴回转运动方程为:

其中,r为铣刀半径,ω为铣刀回转角频率,刀尖在Oxy平面内作超声椭圆振动,椭圆振动的轨迹方程为:其中,a、b分别为超声椭圆振动在椭圆长轴和短轴两个方向上的振幅,f为超声振动频率;当铣刀旋转ωt时,椭圆长轴方向与Ouv坐标系中的u轴方向一致;

将Ouv坐标系中椭圆方程转换为Oxy坐标系中的轨迹方程,其坐标变换可表示为:刀尖点运动轨迹方程为:

椭圆超声振动辅助铣削刀尖运动速度方程的建模过程如下:对刀尖运动轨迹方程(5)求导可得刀尖运动速度方程为:合成速度及其方向为:

切向和径向的切削速度分量分别为:

S3.更新工件Z‑MAP模型并计算瞬时切削厚度;

S4.运用瞬时刚性力模型,计算椭圆超声振动辅助铣削在X、Y和Z三个方向动态切削力。

2.根据权利要求1所述的椭圆超声振动辅助铣削切削力预测方法,其特征在于,步骤S1中具体步骤如下:在工件的X和Y方向划分坐标网格,网格的Z坐标值用于表示工件的加工深度。

3.根据权利要求1所述的椭圆超声振动辅助铣削切削力预测方法,其特征在于,步骤S2包括以下步骤:S21.建立椭圆超声振动辅助铣削刀尖运动轨迹方程;

S22.建立椭圆超声振动辅助铣削刀尖运动速度方程。

4.根据权利要求1所述的椭圆超声振动辅助铣削切削力预测方法,其特征在于,步骤S3包括以下步骤:S31.利用公式(4)和公式(5)计算当前时刻刀具中心及刀尖点位置;

S32.利用S31得到的先前时刻和当前时刻刀具中心及刀尖点坐标,构造出一个四边形用于近似表示该时间段内铣刀所切削的区域,并以dx和dy间距对该区域进行网格化处理;

S33.在当前刀具中心点与刀尖点确定的线段上,利用二分法,快速确定该直线与工件的交点坐标,该点到刀尖点的距离即为瞬时切削厚度;

S34.利用S32中四边形X、Y方向上的最小最大坐标值,构造一个矩形,对矩形内的每个网格点进行判断,若该网格点位于四边形内部且该点的Z坐标值未被更新,则更新该点Z坐标值,利用MATLAB软件提供的库函数inploygon来确定某点是否在一个指定的四边形内部。

5.根据权利要求4所述的椭圆超声振动辅助铣削切削力预测方法,其特征在于,步骤S3还包括以下步骤:S35.重复S31~S34直至仿真结束。

6.根据权利要求1所述的椭圆超声振动辅助铣削切削力预测方法,其特征在于,步骤S4中具体过程如下:沿轴向将铣刀切削刃分割成若干微元,并对每个微元施用瞬时刚性力模型,进而获得瞬时切削力。

7.根据权利要求6所述的椭圆超声振动辅助铣削切削力预测方法,其特征在于,步骤S4包括以下步骤:S41.沿轴向将铣刀分隔成n个切削刃微元,切削刃上z高度处的径向滞后角为:ψ=ztanβ/R(9)

对于刀齿均布的铣刀,其齿间角为φp=2π/N,假设第一个刀齿刀尖处的角位移为φ10,那么刀齿j上的切削刃微元l处的角位移可表示为:φjl=φ10+(j‑1)φp+ldztanβ/R        (10)S42.施用瞬时刚性力模型,作用在刀齿j、微元l上的瞬时切削力可表示为:式中,h为切削刃微元的瞬时切削厚度,可由S33.获得;Ktc、Krc、Kac分别为切向、径向和轴向切削力系数;Kte、Kre、Kae分别为切向、径向和轴向刃口力系数;

S43.通过坐标变换,可得到作用在机床坐标系中的切削力分量如下:沿轴向对切削刃微元上的切削力积分,对每个刀齿的切削力求和,可得到三向瞬时切削力为:

8.根据权利要求1所述的椭圆超声振动辅助铣削切削力预测方法,其特征在于,所述预测方法还包括以下步骤:S5.重复S3~S4,直至仿真结束。