基于斜角有限元仿真的齿轮铣削力预测研究

针对采用机械力学模型或铣削有限元仿真方法计算齿轮铣削力耗时且繁琐的难题,提出了一种基于斜角有限元仿真的铣削力预测方法。该方法将铣刀的切削刃离散成无限小的微元斜角切削过程,通过一系列斜角切削过程仿真,拟合得出了切削力系数与未变形切削厚度之间的关系;然后通过几何变换,将所求得切削力系数运用于铣削过程,得到了作用在齿轮刀具上的瞬时切削力。通过与实际铣削仿真得到的结果进行对比,结果表明,斜角切削有限元仿真方法可以应用到齿轮轮齿的铣削过程中,并验证了所提出方法的有效性,为齿轮制造过程中力的预测及后续齿轮加工表面完整性研究奠定了较好基础。     

基于斜角切削理论的立铣切削力预测研究

为了预测立铣加工的切削力,把立铣刀的切削刃离散为一系列无限小的斜角切削单元。对于每个微元斜角切削单元,应用斜角切削理论来建立切屑通过时剪切区的应力、应变、应变率和温度的控制方程。采用数值方法根据控制方程计算出流动应力,并根据斜角切削和铣削之间的力变换关系,把流动应力转化为铣削力。最后,对45钢进行了多组不同切削参数的立铣实验,仿真和实验的对比结果验证了所提出模型的有效性。该方法同样可以用于其他加工方式（如车削和钻削）的建模。     

螺旋铣孔工艺的切削稳定性及工艺参数规划

以螺旋铣孔工艺时域解析切削力建模、时域与频域切削过程动力学建模、切削颤振及切削稳定性建模为基础,研究了螺旋铣孔的切削参数工艺规划模型和方法。切削力模型同时考虑了刀具周向进给和轴向进给,沿刀具螺旋进给方向综合了侧刃和底刃的瞬时受力特性;动力学模型中同时包含了主轴自转和螺旋进给两种周期对系统动力学特性的影响,并分别建立了轴向切削稳定域和径向切削稳定域的预测模型,求解了相关工艺条件下的切削稳定域叶瓣图。在切削力和动力学模型基础之上,研究了包括轴向切削深度、径向切削深度、主轴转速、周向进给率、轴向进给率等切削工艺参数的多目标工艺参数规划方法。最后通过试验对所规划的工艺参数进行了验证,试验过程中未出现颤振现象,表面粗糙度、圆度、圆柱度可以达到镗孔工艺的加工精度。     

轴向车铣理论切削力的研究

以瞬时切削面积为主要研究对象建立了瞬时切削力的计算模型,并对瞬时切削力的变化进行了仿真。结果表明,轴向车铣为多参数影响下的变切削力加工,单齿瞬时切削力在整个切削过程中都是一个变化量,且圆周刃为主切削刃,其切削力远大于端面刃。在一次完整的切削过程中,整个刀齿的瞬时切削力产生两次突变。     

无偏心正交车铣理论切削力

为了深入研究无偏心正交车铣加工的切削过程,针对无偏心正交车铣加工变厚度、变深度切削的特点,把切削刃划分为圆周刃和端面刃两部分,分别以其瞬时切削面积为主要研究对象构建了计算各自瞬时切削力的数学模型,并通过数学模型对其瞬时切削力的变化进行了仿真。结果表明,无偏心正交车铣为多参数影响下的变切削力加工,圆周刃、端面刃在切削过程中都发挥重要作用,瞬时切削力的最大值由二者共同决定,但圆周刃上的切削力明显大于端面刃。圆周刃、端面刃几乎同时切入、切出工件,在一次完整的切削过程中圆周刃上的瞬时切削力发生一次突变,端面刃上的瞬时切削力则无突变发生。     

平头铣刀圆形铣削的切削力预测

针对平头铣刀的圆形铣削,提出一种适用于圆形铣削的切削力预测方法。建立铣刀与工件交点的数学模型,求解工件与铣刀的时变交点进而计算铣削过程中不断变化的切入角与切出角。同时分析了铣刀轨迹曲率效应对瞬时切削厚度的影响。通过槽铣试验来确定切削力系数。基于微分思想,将圆形铣削过程中的瞬时切削厚度运用到切削力模型中计算微元切削力,然后通过积分法获得切削力值。数值仿真与圆形铣削试验结果表明,预测的铣削力和试验结果在幅值和变化趋势上都吻合良好,从而验证了该切削力预测方法的有效性。     

基于ABAQUS的钛合金螺旋铣孔仿真及试验验证

为了提高螺旋铣孔的制孔质量,需要预测加工过程中的切削力大小规律。通过ABAUQS/Explicit求解器模块对螺旋铣孔进行试验验证,分析并建立了钛合金螺旋铣孔仿真中的一系列模型,提出综合位移分离法和能量分离法来定义材料的分离属性。针对螺旋铣孔的特殊运动路径,运用连接器与边界载荷条件协同模拟实现。通过仿真模拟得出螺旋铣孔加工中切削力的变化规律,同时分析了最大应力应变的属性和分布特点。     

钛合金TC11铣削力分析与建模

基于单位切削力系数法,建立了侧铣钛合金时的切削力预报模型。文中将微元切向分力、微元径向分力、微元轴向分力分别用刀面单位剪力系数和刀腹单位犁入力系数的组合来描述,切削合力则通过沿切削刃进行积分而获得。实验结果表明,仿真的铣削力曲线无论在形状上还是幅值大小以及波形变化趋势等方面都与实际测得的铣削力吻合一致。     

切削力系数辨识的贝叶斯推断方法

快速标定斜角切削力系数的方法在切削力建模中得到了广泛应用,但该方法忽略了系数辨识过程中的不确定性因素。针对此问题,提出了一种基于贝叶斯推断的切削力系数辨识方法。推导了镶齿面铣刀铣削力解析模型,给出了快速标定斜角切削力系数的线性回归方法。通过马尔科夫链蒙特卡罗方法从切削力系数的后验分布中生成样本,然后基于贝叶斯推断方法评价切削力系数的变化。在给定的实验条件下,分别用线性回归方法和贝叶斯推断方法进行切削力系数辨识,将计算得到的铣削力与实验铣削力值进行对比,结果表明贝叶斯推断方法具有更高的预测精度。     

淬硬钢GCr15斜角切削过程的有限元分析

采用有限元方法Deform3D软件模拟PCBN刀具硬态切削GCrl5的三维正交切削与斜角切削过程。通过改变刃倾角、切削速度和进给量,研究两种切削过程中切削力和切削温度的变化规律并进行试验验证,仿真结果与试验结果取得较好的一致性。     

AN ANALYTICAL MODEL OF OBLIQUE CUTTING WITH APPLICATION TO END MILLING

A new analytical cutting force model is presented for oblique cutting. Orthogonal cutting theory based on unequal division shear zone is extended to oblique cutting using equivalent plane approach. The equivalent plane angle is defined to determine the orientation of the equivalent plane. The governing equations of chip flow through the primary shear zone are established by introducing a piecewise power law distribution assumption of shear strain rate. The flow stress is calculated from Johnson-cook material constitutive equation. The predictions were compared with test data from the available literature and showed good correlation. The proposed model of oblique cutting was applied to predict the cutting forces in end milling. The helical flutes are decomposed into a set of differential oblique cutting edges. To every engaged tooth element, the differential cutting forces are obtained from oblique cutting process. Experiments on machining AISI 1045 steel under different cutting conditions were conducted to validate the proposed model. It shows that the predicted cutting forces agree with the measurements both in trends and values.     

基于斜角切削的曲线端铣切削力建模

切削力预测是制定与优化加工工艺的重要环节。针对曲线端铣加工过程,提出一种基于斜角切削的切削力建模方法。将刀具沿轴向微分,以曲线微分几何计算微元刃上的工作基面。在微元刃的工作法平面参考系中,应用最小能量原理,构建微元刃中力矢量、速度矢量、流屑角、法向摩擦角、法向剪切角及剪应力等切削参数之间的约束。以单齿直线铣削试验对切削参数进行标定,其中法向摩擦角、法向剪切角及剪应力等可表示为瞬时未变形切屑厚度的函数。选取高强度钢PCrNi3MoVA试件,分别进行圆弧和Bézier曲线端铣加工试验。试验结果表明,曲线端铣时切削力的变化与瞬时进给方向和曲线曲率相关。切削力预测值的幅值大小和变化趋势与试验值一致,验证了该切削力建模方法的有效性。     

二维振动辅助微细铣削切削力建模与试验研究

基于力学解析法与斜角切削微元力模型,综合考虑刀具偏心、尺度效应与累积作用对瞬时切削厚度的影响,结合二维振动辅助微细铣削运动学特性,根据剪切区与犁耕区切削力大小不同的特点,建立了二维振动辅助微细铣削切削力模型。为实现振动辅助加工的目的,基于自行设计并优化的非谐振式二维柔顺振动平台,对铝合金Al6061进行了相应的二维振动辅助微细铣削试验研究,并利用MATLAB软件对铝合金Al6061的切削力曲线进行了仿真研究,通过对比分析验证所建立的二维振动辅助微细铣削切削力模型的正确性。最后,基于所建立的切削力模型,分别分析了振幅与振动频率对铣削力的影响规律。     

硬质合金立铣刀高速铣削铝合金切削力实验研究

采用试验分析和经验建模相结合的方法对硬质合金立铣刀高速切削铝合金时的切削力及其变化规律进行了研究,重点分析了切削用量对切削力的影响规律。同时通过建立切削力在不同主轴转速下的时频信号间的联系,进一步揭示切削力对切削机理、表面质量和切削效率等的作用规律。建立了基于现场的7075铝合金切削力经验模型,试验结果表明,利用该经验模型对切削力进行预测,结果精确可靠。     

高速铣削中切削力的研究

在高速铣削试验的基础上，研究高速切削时切削速度对切削力的影响。结果表明，在切削速度较低的情况下，切削力随切削转速的增加而增大，但达到某一临界速度后，随着切削速度继续增大，剪切角增大，造成切向切削分力下降。不同刀具材料与工件材料的匹配在不同切削条件下有不同的临界切削速度。     

平底立铣刀在多刃切削时的切削力变化规律研究

为揭示平底立铣刀在多刃铣削时的切削力变化规律,理论推导了多刃切削的水平方向公称切削力的数学表达式,发现这些公称切削力是旋转角的简谐函数,其常数项与同时参与切削的刃数成正比。将切削力表达式的系数做归一化处理,采用仿真方法,得到各常用齿数平底立铣刀在单刃、多刃连续切削时的公称切削力量纲一均值和刀齿频率幅值,结果表明：切削宽度方向的公称切削力均值在多刃切削时显著增大,而其刀齿频率幅值在多刃切削时有时增大,有时减小。开展了4齿平底立铣刀的切削测力试验,试验结果与理论推导和仿真结果相符。研究结果表明：与单刃连续切削相比,多刃切削的切削宽度方向的静态切削力显著增大;多刃切削在水平方向存在着更平稳和更不平稳两种可能;偶数齿铣刀的多刃切削最平稳。研究结论可为铣削加工中优选浸入角参数提供参考。     

Improved Dynamic Cutting Force Model in Peripheral Milling. Part I: Theoretical Model and Simulation

The accurate prediction of cutting forces is important in controlling the tool deflection and the machining accuracy. In this paper, the authors present an improved theoretical dynamic cutting-force model for peripheral milling with helical end-mills. The theoretical model is based on the oblique cutting principle and includes the size effect of undeformed chip thickness and the influence of the effective rake angle. A set of closed-form analytical expressions is presented. Using the cutting forces measured by Yucesan [1] in tests on a titanium alloy, the cutting-force coefficients are estimated and the cutting- force model verified by simulation. The simulation results indicate that the improved dynamic cutting-force model does predict the cutting forces in peripheral milling accurately. Simulation results for a number of particular examples are presented. ID="A1" Correspondence and offprint requests to: Prof K. Cheng, School of Engineering, Leeds Metropolitan University, City Campus, Calverley Street, Leeds LS1 3HE, UK. E-mail: k.cheng@lmu.ac.uk     

基于切削力预测模型的刀具几何参数和切削参数优化

整体硬质合金立铣刀高速铣削航空铝合金过程中,刀具螺旋角、轴向切深、径向切深对铣削均匀性有显著影响。应用全因子实验设计和多元线性回归技术建立了切削力预测模型,采用方差分析方法检验了预测模型的拟合度及各独立输入参数的显著性。应用遗传算法,以切削力预测模型为目标函数,通过基于遗传学的选择-交叉-变异操作,优化了刀具几何参数和切削参数。结果表明,在较大的金属去除率下选择出最佳的轴向切深-径向切深-螺旋角组合以获得最小的切削力是有可能的。     

球头铣刀加工倾角对切削力的影响

对球头铣刀刀具轴线和工件加工表面之间的加工倾角进行了理论研究,建立了加工曲面时刀具倾角的数学模型,并通过试验研究了高速铣削铝合金时刀具倾角对切削力的影响规律。随着刀具轴线相对于进给方向倾斜角度β的增大,切削力变化的趋势是减小;编制多轴数控加工程序时可以通过设置合理的刀具倾角来改善切削条件。