一种利用尺度效应规划进给速度的方法

摘要

本发明属于铣削加工领域，并公开了一种利用尺度效应规划进给速度的方法。该方法包括下列步骤：(a)采集切削过程中的主轴、刀具和切削特征参数，计算在不同的切削宽度和刀具进给速度下的切削比能和平均未变形厚度，并获得切削比能和平均未变形厚度的指数关系式；(b)定义切削比能指标的关系式，获取切削比能指标和平均未变形厚度的关系；(c)获取进给速度和切削比能指标之间的关系式，以此计算进给速度。通过本发明，快速获得不同切削宽度和切削深度下，符合切削比能指标约束的进给速度，充分利用尺度效应对加工过程的影响，实现特定刀具切削特定材料的加工效率、刀具磨损速率和加工表面粗糙度的优化加工。

权利要求

1.一种利用尺度效应规划进给速度的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：(a)采集切削过程中的主轴特征参数、刀具特征参数和切削特征参数，计算在不同的切削宽度和刀具进给速度下的切削比能k和平均未变形厚度have,以此绘制所述切削比能随所述平均未变形厚度变化的关系图，将该关系图中的点拟合为曲线后获得所述切削比能k和平均未变形厚度have的关系式(一)，该关系式(一)如下：其中，A，B和C为常数；

(b)构建切削比能指标I关于切削比能k和最小切削比能kmin的关系式(二)，根据所述关系式(一)和关系式(二)，得到所述切削比能指标I和平均未变形厚度have的关系式(三)，所述关系式(二)和(三)如下：其中，I是切削比能指标，k是切削比能，kmin是最小切削比能，最小切削比能kmin等于A，n是主轴转速，f是进给速度，Pchip是表征刀具的几何特征，N是刀具齿数；

(c)根据所述关系式(三)，构建进给速度f和切削比能指标I之间的关系式(四)，设定所述切削比能指标的值，根据所述关系式(四)计算所述进给速度，即所需的最优进给速度，所述关系式(四)如下：其中，对于粗加工，I是介于1.1至1.4之间的任意常数，对于精加工，I是介于1.5至2.5之间的任意常数。

2.如权利要求1所述的一种利用尺度效应规划进给速度的方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述计算切削比能k按照下列表达式(五)进行：其中，n是主轴转速，ap是切削深度，ae是切削宽度，f是进给速度，Ec表示刀具旋转一周切削材料过程中所耗费的能量。

3.如权利要求2所述的一种利用尺度效应规划进给速度的方法，其特征在于，所述Ec采用下列关系式(六)或者(七)计算：Ec＝u0(ic-i0)    (六)

Ec＝FcVc    (七)

其中，u0是主轴额定电压，i0是主轴空转电流，ic是切削状态下的主轴电流，Fc是实验测得的切削力，Vc是切削速度。

4.如权利要求1所述的一种利用尺度效应规划进给速度的方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述计算平均未变形厚度have按照下列关系式(八)：对于顺铣加工：

对于逆铣加工：

其中，

Pchip是表征刀具的几何特征，N是刀具齿数， 和κ分别表示刀刃微元的径向位置角和轴向位置角， 和 分别是刀具径向切入角和切出角，R是刀刃微元的有效旋转半径，D是刀具直径，r是刀具圆角半径，z是刀具轴向高度,ap是切削深度，ae是切削宽度。

5.如权利要求1-4任一项所述的一种利用尺度效应规划进给速度的方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述刀具特征参数包括刀具圆角半径、刃口钝圆半径、刀具前角、刀具后角、刀具直径和刀具齿数，所述主轴特征参数包括主轴转速、主轴额定电压、主轴空转电流和主轴切削电流，所述切削特征参数包括切削深度、切削宽度、切削速度和进给速度。

说明书

一种利用尺度效应规划进给速度的方法

技术领域

[0001] 本发明属于铣削加工领域，更具体地，涉及一种利用尺度效应规划进给速度的方法。

背景技术

[0002] 在金属切削加工中，由于刀具刃口钝圆的影响、第一剪切变形区应变率的变化、切削表面温升对材料的软化效应、加工表面材料的塑性回弹和后刀面的摩擦作用，切削过程中的切削比能会随着瞬时切削厚度的减小而增大，尤其是当瞬时切厚的尺度与刃口钝圆半径相当时尤为明显，这就是有名的尺度效应。

[0003] 特定的崭新刀具切削特定材料时，切削比能的变化可以反映尺度效应的显著程度，进而映射不同切削参数的材料去除模式、切屑形态、磨粒磨损速率和加工表面粗糙度，粗加工时，以去除多余的毛坯余料为目的，在加工中应当避免犁切和磨削效应，优先采用剪切效应作为材料去除的主要模式，此时刀具磨粒磨损速率较慢，材料去除效率更高；精加工时，以加工质量为主要目标，在加工中可利用尺度效应中相对较大的径向切削力改善加工表面粗糙度，并适当兼顾刀具的磨损速率。

[0004] 目前，Balogun等人通过使用电流传感器监测机床总线缆的方式获取耗能，进而获得机床的切削比能，并指出磨切与犁切是耗费更多能量的加工方式，剪切作用更加节约能量；Filiz等人使用烧结碳化钨刀具切削101材料实验时发现，去除同样体积材料时，进给速度越小，刀具磨损量越大，Aramcharoen等人研究揭示了当未变形切屑厚度与刀尖圆角半径相当时，容易获得最小的加工表面粗糙度，该切厚也是犁切效应与传统剪切作用的临界值，并未提及如何利用尺度效应规划切削参数，获得较好的加工表面粗糙度。但是，上述研究均没有给出进给速度的具体规划方法以改善尺度效应影响下的刀具磨损速率，也没有一种利用切削比能变化反映的尺度效应进行切削参数规划的加工方法。

发明内容

[0005] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种利用尺度效应规划进给速度的方法，通过对其关键参数切削比能、平均未变形切削厚度、切削比能指标以及进给速度等之间相互的关系进行构建和设定、使得切削比能与平均未变形切削厚度之间呈指数函数关系，进而使得构建的切削比能指标与平均未变形切削厚度之间呈指数函数关系，准确地反映尺度效应与切削过程参数的关系，最后通过平均未变形切削厚度与进给速度之间的关系，获得切削比能指标与进给速度之间的关系，在实际加工中在给定切削比能指标要求的情况下，能快速准确地计算获得最优进给速度，以此满足与该尺寸效应显著性指标对应的加工效率、刀具磨损率和加工表面粗糙度的要求，从而对实际加工过程具有指导性意义。

[0006] 为实现上述目的，按照本发明，提供了一种利用尺度效应规划进给速度的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

[0007] (a)采集切削过程中的主轴特征参数、刀具特征参数和切削特征参数，计算在不同的切削宽度和刀具进给速度下的切削比能k和平均未变形厚度have,以此绘制所述切削比能随所述平均未变形厚度变化的关系图，将该关系图中的点拟合为曲线后获得所述切削比能k和平均未变形厚度have的关系式(一)；

[0008] (b)构建切削比能指标I关于切削比能k和最小切削比能kmin的关系式(二)，根据所述关系式(一)和关系式(二)，得到所述切削比能指标I和平均未变形厚度have的关系式(三)；

[0009] (c)根据所述关系式(三)，构建进给速度f和切削比能指标I之间的关系式(四)，设定所述切削比能指标的值，根据所述关系式(四)计算所述进给速度，即所需的最优进给速度。

[0010] 进一步优选地，在步骤(a)中，所述计算切削比能k优选按照下列表达式(五)进行：

[0011]

[0012] 其中，n表示主轴转速，ap是切削深度，ae是切削宽度，f是进给速度，Ec表示刀具旋转一周切削材料过程中所耗费的能量。

[0013] 进一步优选地，所述Ec优选采用下列关系式(六)或者(七)计算：

[0014] Ec＝u0(ic-i0)               (六)

[0015] Ec＝FcVc                  (七)

[0016] 其中，u0是主轴额定电压，i0是主轴空转电流，ic是切削状态下的主轴电流，Fc是实验测得的切削力，Vc是切削速度。

[0017] 进一步优选地，在步骤(a)中，所述计算平均未变形厚度have优选按照下列关系式(八)：

[0018]

[0019]

[0020] 对于顺铣加工：

[0021]

[0022] 对于逆铣加工：

[0023]

[0024] 其中，

[0025]

[0026] Pchip是表征刀具的几何特征，N是刀具齿数，和κ分别表示刀刃微元的径向位置角和轴向位置角， 和 分别是刀具径向切入角和切出角，R是刀刃微元的有效旋转半径，D是刀具直径，r是刀具圆角半径，z是刀具轴向高度。

[0027] 进一步优选地，在步骤(a)中，所述关系式(一)优选采用下列进行：

[0028]

[0029] 其中，A，B和C为常数。

[0030] 进一步优选地，在步骤(b)中，所述关系式(二)优选按照下列进行：

[0031]

[0032] 其中，I是切削比能指标，k是切削比能，kmin是最小切削比能。

[0033] 进一步优选地，在步骤(b)中，所述关系式(三)优选按照下列进行：

[0034]

[0035] 其中，最小切削比能kmin等于A。

[0036] 进一步优选地，在步骤(c)中，所述关系式(四)优选按照下列进行：

[0037]

[0038] 其中，对于粗加工，I是介于1.1至1.4之间的任意常数，对于精加工，I是介于1.5至2.5之间的任意常数。

[0039] 进一步优选地，在步骤(a)中，所述刀具特征参数包括刀具圆角半径、刃口钝圆半径、刀具前角、刀具后角、刀具直径和刀具齿数，所述主轴特征参数包括主轴转速、主轴额定电压、主轴空转电流和主轴切削电流，所述切削特征参数包括切削深度、切削宽度、切削速度和进给速度。

[0040] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

[0041] 1、本发明通过构建切削比能与平均未变形切削厚度之间的指数关系，然后构建切削比能指标关于切削比能的关系式，获得了切削比能指标与平均未变形切削厚度之间的指数关系，与现有中采用相对刀尖圆角与瞬时切削后之间的线型关系表征尺度效应显著性相比，更加准确的反映尺度效应与切削过程参数的关系，从而对更加直接的反映了尺度效应对加工过程的影响程度，对于后续的加工具有指导性意义；

[0042] 2、本发明提出了一种表征未变形切屑几何特征的参数Pchip，该参数准确地反映了切削宽度和切削深度对未变形切屑形态的影响，实现在给定切削条件下快速计算平均未变形切屑厚度，且计算精度高；

[0043] 3、本发明通过切削比能指标约束平均未变形切削厚度之间的指数关系，进而获得了切削比能指标与进给速度的关系式，在设定尺寸效应显著性指标的值后，无需迭代计算，快速获得任意切削宽度和切削深度下，尺度效应影响下的最优进给速度，以此实现进给速度的规划；

[0044] 4、本发明提供的切削比能指标约束进给速度的方法，可以根据不同工况下对尺度效应显著性的要求，快速准确计算获得相应的最优进给速度，进而以此最优进给速度加工即可满足切削比能指标对应地加工效率、刀具磨损速率或加工表面粗糙度的要求，优化实际加工过程。

附图说明

[0045] 图1是按照本发明的优选实施例所构建的进给速度规划方法流程图；

[0046] 图2是按照本发明的优选实施例所构建的刀刃的轮廓线示意图；

[0047] 图3是按照本发明的优选实施例所构建的刀具几何与刀刃微元位置示意图；

[0048] 图4是按照本发明的优选实施例所构建的切削比能与平均未变形切屑厚度的关系图；

[0049] 图5是按照本发明的优选实施例所构建的粗加工时不同切削深度和宽度对应的进给速度；

[0050] 图6是按照本发明的优选实施例所构建的精加工时不同切削深度和宽度对应的进给速度。

具体实施方式

[0051] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0052] 图1是按照本发明的优选实施例所构建的进给速度规划方法流程图，如图1所示，一种利用尺度效应规划进给速度的方法，该方法包括下列步骤：

[0053] 1)采集实际加工过程中的刀具、主轴和切削特征参数，其中，图2是按照本发明的优选实施例所构建的刀刃的轮廓线示意图，图3是按照本发明的优选实施例所构建的刀具几何与刀刃微元位置示意图，如图2和3所示，刀具特征参数包括刀具圆角半径、刃口钝圆半径、刀具前角、刀具后角、刀具直径和刀具齿数等，主轴特征参数包括主轴转速、主轴额定电压、主轴空转电流和主轴切削电流等，切削特征参数包括切削深度、切削宽度切削速度和进给速度等，对于不同的切削宽度和进给速度，按照下列表达式求解切削比能：

[0054]

[0055] 其中，n表示主轴转速(rpm)，ap是切削深度(mm)，ae是切削宽度(mm)，f是进给速度(mm/min)，Ec表示刀具旋转一周切削材料过程中所耗费的能量，可以通过主轴电流监测的方式获得，Ec＝u0(ic-i0)，其中u0表示额定电压，i0表示主轴空转电流，ic表示切削状态下的主轴电流；也可以通过实验测得的切削力和瞬时切削速度计算得到，Ec＝FcVc，其中Fc表示切削力，Vc表示切削速度。

[0056] 2)计算在不同的切削宽度和进给速度下对应的平均未变形切削厚度have，具体按照下列表达式计算：

[0057]

[0058] 其中，f是进给速度(mm/min)，n表示主轴转速(rpm)，N是刀具齿数，Pchip描述了未变形切屑的几何特征。

[0059] 在环形刀的铣削加工中，Pchip的计算按照下列表达式，

[0060]

[0061] 其中，ap是切削深度(mm)， 和κ分别表示刀刃微元的径向位置角和轴向位置角，和 分别是径向切入角和切出角，顺铣加工中表示为：

[0062]

[0063] 逆铣加工中表示为：

[0064]

[0065] 其中，ae是切削宽度(mm)；R是刀刃微元的有效旋转半径，对于直径为D圆角半径为r的环形刀，轴向位置为z处刀刃微元的有效旋转半径为

[0066]

[0067] 3)根据步骤(1)和(2)计算获得的切削比能和平均未变形切削厚度的值，绘制分别以二者为横纵坐标的二维关系图，并将图中的点拟合为指数函数曲线，图4是按照本发明的优选实施例所构建的切削比能与平均未变形切屑厚度的关系图，如图4所示，由此获得在考虑金属切削过程中的尺度效应下，二者的指数函数关系，具体如下：

[0068]

[0069] 其中，A，B和C为常数，可以通过几组不同平均未变形切屑厚度的试切实验拟合获得。

[0070] 4)定义切削比能指标为相应切削参数下的切削比能k与最小切削比能kmin的比值：

[0071]

[0072] 由此获得，进给速度关于切削比能指标的关系：

[0073]

[0074] 其中,n表示主轴转速(rpm)；N是刀具齿数；Pchip描述了与切削参数和刀具参数相关的未变形切屑几何特征；A，B和C为常数，描述了切削比能与平均未变形切屑厚度的关系；

[0075] 在实际加工中，加工效率、刀具磨损速率或加工表面粗糙度的要求对应一个切削比能指标，即在根据实际的加工需求设定加工效率、刀具磨损速率或加工表面粗糙度的要求后，即可获得相应的切削比能指标值，对于粗加工，I设定为介于1.1至1.4之间的任意常数，对于精加工，I设定为介于1.5至2.5之间的任意常数。

[0076] 下面将结合具体的实施例进一步说明本发明。

[0077] 本实施例为环形刀切削高强钢的加工。工件材料为上海宝钢所产300M钢；使用的圆刀片为山特维克R300-1032E-PL 1030，圆角半径r为5mm，刃口钝圆半径0.02mm，前角13°，后角14°，工具显微镜下的刃口的形貌轮廓线，从图2中可以获得刃口钝圆半径0.02mm；刀杆型号为山特维克R300-020B25L-10L，有效切削直径D为20mm，刀具几何特征如图3所示。共进行了12组不同参数的切削实验，每组实验安装1个刀片。实验中采用逆铣加工的方式，主轴转速n为2100rpm，刀齿个数N＝1，切削深度ap为1mm，切削宽度ae为0.5mm、1mm和2mm，进给速度f为105mm/min，210mm/min，315mm/min，420mm/min。每组切削实验进行切削力测量，结合刀刃的切削线速度，获得刀具旋转一周切除材料所消耗的能量；

[0078] 具体规划进给速度的实施步骤如下：

[0079] 将不同组的切削深度ap、切削宽度ae代入下列式子，可以得到逆铣加工不同切宽和切深的未变形切屑形貌参数Pchip。

[0080]

[0081]

[0082]

[0083] 将进给速度f，主轴转速n，刀具齿数N和相应的未变形切屑形貌参数Pchip代入下面表达式，可以得到相应切削参数的平均未变形切屑厚度

[0084]

[0085] 将实验获得的切削能量代入下面表达式，可以得到相应切削参数的切削比能[0086]

[0087] 本次实验中12组切削参数的切削比能与平均未变形切削厚度如图4所示，使用下面表达式进行拟合，进而得到各常数项的值A＝4441，B＝8415和C＝-165.3。

[0088]

[0089] 根据N＝1，n＝2100rpm,A＝4441,B＝8415and C＝-165.3，由此获得本次实验中刀具和材料组合的进给速度规划表达式

[0090]

[0091] 图5是按照本发明的优选实施例所构建的粗加工时不同切削深度和宽度对应的进给速度，如图5所示，在粗加工中，选择较小的切削比能指标，如Iobj＝1.2时，不同切削宽度和切削深度时，对应的最优进给速度如图中所示。

[0092] 图6是按照本发明的优选实施例所构建的精加工时不同切削深度和宽度对应的进给速度，如图6所示，在精加工中，选择相对较大的切削比能指标，如Iobj＝1.5时，不同切削宽度和切削深度时，对应的最优进给速度如图中所示。

[0093] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。