CN112518424A - 螺纹车削的切削力预测方法和装置 - Google Patents

螺纹车削的切削力预测方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开的一种螺纹车削的切削力预测方法,包括:获取车削待加工螺纹的螺纹车刀的刀具几何参数、螺纹切削参数及所述待加工螺纹的螺纹几何参数;获取所述待加工螺纹的切削区域的切削系数和刃口摩擦系数;根据所述刀具几何参数确定刀尖切屑角度;以及根据所述刀具几何参数、所述刀尖切屑角度、所述螺纹几何参数、所述切削系数以及所述刃口摩擦系数预测所述螺纹车刀车削所述待加工螺纹的切削力。本发明实施例可提高螺纹车削加工中的切削力预测精度、简化预测过程,为螺纹切削加工工艺优化提供重要支撑。

Description

螺纹车削的切削力预测方法和装置
技术领域
本发明涉及螺纹车削加工技术领域,尤其涉及一种螺纹车削的切削力预测方法和一种螺纹车削的切削力预测装置。
背景技术
螺纹零件作为常见的固定联接和运动转换部件,已广泛应用于制造业领域,其制造精度直接影响机械产品性能及使用寿命。因此,保证螺纹的加工精度和加工质量就显得尤为重要。随着数控机床的加工性能提升,螺纹车削加工技术在机械制造领域中也得到快速发展。
螺纹车削加工过程,是在车床上通过控制进给运动与主轴转速同步进而加工出螺旋槽形状的过程。在径向进刀的螺纹车削下,螺纹车刀沿螺纹的径向方向进给。在加工过程中,各切削刃同时参与切削加工,因此,其切削力的评定和预测较为复杂。而切削力的预测和确定,不仅能解释加工后工件表面硬化层的形成,还是检测工件表面残余应力的重要参数,通过切削力的评定和预测,可以更好的选择合适的加工机床以及优化切削参数。但是,现有的切削力预测和确定模型的预测精度较差、预测过程复杂,且切削力的机械预测模型和经验公式大多只适用于特定的刀具与工件组合,存在着通用性差的问题。因此,迫切需要一种预测精度高、预测过程简单的切削力预测方法,作为外螺纹切削加工工艺优化的重要理论支撑,从而进一步优化外螺纹车削加工的加工工艺。
发明内容
针对现有技术中的至少部分不足和缺陷,本发明实施例提供一种螺纹车削的切削力预测方法和一种螺纹车削的切削力预测装置,可提高螺纹车削加工中的切削力预测精度、简化预测过程。
具体地,本发明实施例提供的一种螺纹车削的切削力预测方法,包括:获取车削待加工螺纹的螺纹车刀的刀具几何参数、螺纹切削参数、所述待加工螺纹的螺纹几何参数、切削区域的切削系数和刃口摩擦系数,其中所述刀具几何参数包括所述螺纹车刀的刀尖角εr和刀尖圆弧半径rε,所述螺纹切削参数包括径向进给量ap、进刀次数n,所述螺纹几何参数包括螺纹高度H,所述切削系数包括切向切削系数Ktc和轴向切削系数Kac,所述刃口摩擦系数包括切向刃口摩擦系数Kte和轴向刃口摩擦系数Kae;根据所述刀尖角εr确定刀尖切屑角度θ1,其中所述刀尖切屑角度θ1满足
Figure BDA0002809413390000021
确定车削所述待加工螺纹的切屑面积A,其中,当H≤rε(1-cosθ1)时,切削方式为圆弧切削刃切削方式,所述切屑面积A满足:
Figure BDA0002809413390000022
A1为圆弧切削刃的切屑面积,θ为瞬时切屑角度,h(θ)为瞬时切屑厚度且满足
Figure BDA0002809413390000023
为所述定位角且满足
Figure BDA0002809413390000024
当H>rε(1-cosθ1)时,切削方式为圆弧切削刃和直线切削刃切削方式,所述切屑面积A满足:
Figure BDA0002809413390000025
Figure BDA0002809413390000026
A2为直线切削刃的切屑面积,预测车削所述待加工螺纹的切削力,其中,当H≤rε(1-cosθ1)时,所述切削力满足:
Figure BDA0002809413390000027
Figure BDA0002809413390000028
Figure BDA0002809413390000031
当H>rε(1-cosθ1)时,所述切削力满足:
Figure BDA0002809413390000032
Figure BDA0002809413390000033
Figure BDA0002809413390000034
其中,Ft为所述切削力的切向切削力分量、Fr为所述切削力的径向切削力分量,Fa为所述切削力的轴向切削力分量,L为直线切削刃长度且满足
Figure BDA0002809413390000035
另一方面,本发明实施例提供的一种螺纹车削的切削力预测方法,包括:获取车削待加工螺纹的螺纹车刀的刀具几何参数、螺纹切削参数及所述待加工螺纹的螺纹几何参数;获取所述待加工螺纹的切削区域的切削系数和刃口摩擦系数;根据所述刀具几何参数确定刀尖切屑角度;以及根据所述刀具几何参数、所述刀尖切屑角度、所述螺纹几何参数、所述切削系数以及所述刃口摩擦系数预测所述螺纹车刀车削所述待加工螺纹的切削力。
在本发明的一个实施例中,所述螺纹车刀的刀具几何参数包括所述螺纹车刀的刀尖角;所述根据所述螺纹车刀的所述刀具几何参数确定刀尖切屑角度具体为:根据所述刀尖角确定所述刀尖切屑角度,其中所述刀尖切屑角度满足:
Figure BDA0002809413390000036
θ1为所述刀尖切屑角度,εr为所述刀尖角。
在本发明的一个实施例中,所述刀具几何参数包括所述螺纹车刀的刀尖圆弧半径,所述螺纹切削参数包括径向进给量,所述螺纹几何参数包括所述待加工螺纹的螺纹高度;所述根据所述刀具几何参数、所述刀尖切屑角度、所述螺纹几何参数、所述切削系数以及所述刃口摩擦系数预测所述螺纹车刀车削所述待加工螺纹的切削力包括:根据所述螺纹高度、所述刀尖圆弧半径、所述刀尖切屑角度确定所述待加工螺纹的切削方式;根据车削所述待加工螺纹的瞬时切屑角度、所述径向进给量和所述刀尖圆弧半径确定定位角;根据所述径向进给量、所述刀尖圆弧半径和所述定位角确定车削所述待加工螺纹的瞬时切屑厚度;至少根据所述切削方式、所述刀尖圆弧半径、所述刀尖切屑角度以及所述瞬时切屑厚度确定切屑面积;以及至少根据所述切削方式、所述切屑面积、所述刀尖圆弧半径、所述刀尖切屑角度、所述切削系数以及所述刃口摩擦系数确定车削所述待加工螺纹的所述切削力。
在本发明的一个实施例中,所述根据所述螺纹高度、所述刀尖圆弧半径、所述刀尖切屑角度确定所述待加工螺纹的切削方式包括:当所述螺纹高度、所述刀尖圆弧半径、所述刀尖切屑角度满足H≤rε(1-cosθ1)时,所述切削方式为圆弧切削刃切削方式;当所述螺纹高度、所述刀尖圆弧半径、所述刀尖切屑角度满足H>rε(1-cosθ1)时,所述切削方式为圆弧切削刃和直线切削刃切削方式;其中,H为所述螺纹高度,θ1为所述刀尖切屑角度,rε为所述刀尖圆弧半径。
在本发明的一个实施例中,所述切削系数包括切向切削系数和轴向切削系数,所述刃口摩擦系数包括切向刃口摩擦系数和轴向刃口摩擦系数;当所述切削方式为圆弧切削刃切削方式时,所述至少根据所述切削方式、所述刀尖圆弧半径、所述刀尖切屑角度以及所述瞬时切屑厚度确定切屑面积具体为:根据所述瞬时切屑厚度、所述刀尖圆弧半径、所述刀尖切屑角度以及所述瞬时切屑角度确定所述切屑面积;当所述切削方式为圆弧切削刃切削方式时,所述至少根据所述切削方式、所述切屑面积、所述刀尖圆弧半径、所述刀尖切屑角度、所述切削系数以及所述刃口摩擦系数确定车削所述待加工螺纹的所述切削力具体为:根据所述切屑面积、所述刀尖圆弧半径、所述刀尖切屑角度、所述切向切削系数、所述轴向切削系数、所述切向刃口摩擦系数和所述轴向刃口摩擦系数确定所述切削力。
在本发明的一个实施例中,当所述切削方式为圆弧切削刃切削方式时,所述切屑面积满足:
Figure BDA0002809413390000051
所述切削力满足:
Figure BDA0002809413390000052
Figure BDA0002809413390000053
Figure BDA0002809413390000054
其中,A为所述切屑面积,A1为圆弧切削刃的切屑面积,θ1为所述刀尖切屑角度,h(θ)为所述瞬时切屑厚度且满足
Figure BDA0002809413390000055
为所述定位角且满足
Figure BDA0002809413390000056
rε为所述刀尖圆弧半径,ap为所述径向进给量,θ为瞬时切屑角度,Ktc为所述切向切削系数,Kac为所述轴向切削系数,Kte为所述切向刃口摩擦系数,Kae所述轴向刃口摩擦系数,Ft为所述切削力的切向切削力分量、Fr为所述切削力的径向切削力分量,Fa为所述切削力的轴向切削力分量。
在本发明的一个实施例中,所述刀具几何参数包括所述螺纹车刀的刀尖角,所述螺纹切削参数还包括进刀次数;所述切削系数包括切向切削系数和轴向切削系数,所述刃口摩擦系数包括切向刃口摩擦系数和轴向刃口摩擦系数;当所述切削方式为圆弧切削刃和直线切削刃切削方式时,所述至少根据所述切削方式、所述刀尖圆弧半径、所述刀尖切屑角度以及所述瞬时切屑厚度确定切屑面积具体为:根据所述瞬时切屑厚度、所述刀尖圆弧半径、所述刀尖切屑角度以及所述瞬时切屑角度、所述刀尖角、所述进刀次数确定所述切屑面积;当所述切削方式为圆弧切削刃和直线切削刃切削方式时,所述至少根据所述切削方式、所述切屑面积、所述刀尖圆弧半径、所述刀尖切屑角度、所述切削系数以及所述刃口摩擦系数确定车削所述待加工螺纹的所述切削力具体为:根据所述切屑面积、所述刀尖圆弧半径、所述刀尖切屑角度、所述切向切削系数、所述进刀次数、所述径向进给量、所述轴向切削系数、所述切向刃口摩擦系数和所述轴向刃口摩擦系数确定所述切削力。
在本发明的一个实施例中,当所述切削方式为圆弧切削刃和直线切削刃切削方式时,所述切屑面积满足:
Figure BDA0002809413390000061
所述切削力满足:
Figure BDA0002809413390000062
Figure BDA0002809413390000063
Figure BDA0002809413390000064
其中,L为直线切削刃长度且满足
Figure BDA0002809413390000065
h(θ)为所述瞬时切屑厚度且满足
Figure BDA0002809413390000066
为所述定位角且满足
Figure BDA0002809413390000067
A为所述切屑面积,A1为圆弧切削刃的切屑面积,A2为直线切削刃的切屑面积,θ1为所述刀尖切屑角度,rε为所述刀尖圆弧半径,εr为所述刀尖角,ap为所述径向进给量,θ为瞬时切屑角度,n为所述进刀次数且为大于0的自然数,Ktc为所述切向切削系数,Kac为所述轴向切削系数,Kte为所述切向刃口摩擦系数,Kae所述轴向刃口摩擦系数,Ft为所述切削力的切向切削力分量、Fr为所述切削力的径向切削力分量,Fa为所述切削力的轴向切削力分量。
又一方面,本发明实施例提供的一种螺纹车削的切削力预测装置,用于执行如前述任意一项所述的螺纹车削的切削力预测方法且包括:第一参数获取模块,用于获取车削待加工螺纹的螺纹车刀的刀具几何参数、螺纹切削参数及所述待加工螺纹的螺纹几何参数;第二参数获取模块,用于获取所述待加工螺纹的切削区域的切削系数和刃口摩擦系数;刀尖切屑角度确定模块,用于根据所述刀具几何参数确定刀尖切屑角度;以及螺纹切削力预测模块,用于根据所述刀具几何参数、所述刀尖切屑角度、所述螺纹几何参数、所述切削系数以及所述刃口摩擦系数预测所述螺纹车刀车削所述待加工螺纹的切削力。
上述技术方案可以具有如下优点:本发明实施例通过根据车削待加工螺纹的螺纹车刀的刀具几何参数、螺纹切削参数、所述待加工螺纹的螺纹几何参数、切削区域的切削系数和刃口摩擦系数,以及根据刀具几何参数确定的刀尖切屑角度,以来预测车削所述待加工螺纹的切削力,提供了一种精度高、过程简单的螺纹车削的切削力预测方法,为螺纹车削加工工艺的优化提供了强有力的理论支撑。本发明实例提供的螺纹车削的切削力预测方法,通过少量切削实验次数即可预测螺纹车削的切削力,且使用范围较广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种螺纹车削的切削力预测方法的流程示意图。
图2是本发明实施例中的径向进刀螺纹车削示意图。
图3是图2示出的车削过程中仅圆弧切削刃参与切削时的切削示意图。
图4为图1的步骤S17的详细流程示意图。
图5是图2示出的车削过程中圆弧切削刃和直线切削刃同时参与切削时的切削示意图。
图6a、图6b和图6c分别为本发明具体实施例的三组实验的切削力预测结果与实际切削力的对比示意图。
图7为本发明实施例提供的一种螺纹车削的切削力预测装置的模块示意图。
图8为图7中的螺纹切削力预测模块的模块示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明护的范围。
【第一实施例】
参见图1,其示出本发明第一实施例提供的一种螺纹车削的切削力预测方法的过程示意图。本发明实施例提供的螺纹车削的切削力预测方法可例如为适用于径向进刀螺纹车削方式的车削力预测方法,进一步地为采用径向进刀螺纹车削方式的外螺纹的车削力预测方法。具体地,本发明实施例的螺纹车削的切削力预测方法例如包括:
S11:获取车削待加工螺纹的螺纹车刀的刀具几何参数、螺纹切削参数及所述待加工螺纹的螺纹几何参数;
S13:获取所述待加工螺纹的切削区域的切削系数和刃口摩擦系数;
S15:根据所述刀具几何参数确定刀尖切屑角度;以及
S17:根据所述刀具几何参数、所述刀尖切屑角度、所述螺纹几何参数、所述切削系数以及所述刃口摩擦系数预测所述螺纹车刀车削所述待加工螺纹的切削力。
因此,本发明实施例通过根据车削待加工螺纹的螺纹车刀的刀具几何参数、螺纹切削参数、所述待加工螺纹的螺纹几何参数、切削区域的切削系数和刃口摩擦系数,以及根据刀具几何参数确定的刀尖切屑角度,以来预测车削所述待加工螺纹的切削力,提供了一种精度高、过程简单的螺纹车削的切削力预测方法,为螺纹车削加工工艺的优化提供了强有力的理论支撑。此处值得一提的是,本发明实施例中,在进行切削力预测时,可以通过正交切削数据用于模拟三维切削操作期间的切削力,但是工件和切屑的几何形状是影响预测可靠性的重要因素。因此,在机械加工中使用简单的几何形状工件,可以使得切削力的预测更为方便。切削力可以根据正交切削数据中的切屑几何形状进行估算。在线性切屑区域中切屑厚度恒定,并且等于圆柱车削操作中的切屑厚度;在非线性切屑区域中切屑厚度连续变化,切削力在弯曲切屑段周围会不断改变方向。为了能够对切削力实现精确预测的,可以通过将切屑分成具有角度增量的微元切屑来处理。通过积分各个微元切屑的力,即可求出每个切削道次中整个切屑段的总切削力。
承上述,螺纹车刀所述刀具几何参数例如包括所述螺纹车刀的刀尖圆弧半径rε,所述螺纹切削参数包括径向进给量ap和进刀方式n。螺纹加工的进刀方式为多道次直线径向进给,也即进刀次数为多次,每个切削道次所形成的螺纹切屑如图2所示;所述螺纹几何参数包括所述待加工螺纹的螺纹高度H。
此外,切削系数和刃口摩擦系数的获取通过正交切削实验,例如通过对待加工螺纹的材料进行切削实验获取到少量的多个参数的多组数据,例如不同的切削厚度数据、刀具前角数据以及切削速度数据,来确定材料的不同切削厚度、刀具前角和切削速度对摩擦角和切削力的影响;然后采用最小二乘法拟合摩擦角和切削力曲线,根据所得数据即可得到计算微元切屑区域的切削系数和刃口摩擦系数。在该切削力预测方法中,由于每个单独的切削道次中在径向上都没有进给运动,即可假定径向切削系数为零,螺纹切削过程中轴向和径向的切削力均可由轴向切削系数的角投影来表示。因此,所述切削系数包括切向切削系数和轴向切削系数,所述刃口摩擦系数包括切向刃口摩擦系数和轴向刃口摩擦系数。
此外,所述螺纹车刀的刀具几何参数还包括所述螺纹车刀的刀尖角εr;步骤S15具体为:
根据所述刀尖角εr确定所述刀尖切屑角度θ1,其中所述刀尖切屑角度θ1满足:
Figure BDA0002809413390000101
如图3所示,刀尖切屑角度θ1可例如为所述螺纹车刀上刀尖圆弧切削刃的切削范围的角度。
进一步地,如图4所示,步骤17例如包括:
S171:根据所述螺纹高度、所述刀尖圆弧半径、所述刀尖切屑角度确定所述待加工螺纹的切削方式;
S173:根据车削所述待加工螺纹的瞬时切屑角度、所述径向进给量和所述刀尖圆弧半径确定定位角;
S175:根据所述径向进给量、所述刀尖圆弧半径和所述定位角确定车削所述待加工螺纹的瞬时切屑厚度;
S177:至少根据所述切削方式、所述刀尖圆弧半径、所述刀尖切屑角度以及所述瞬时切屑厚度确定切屑面积;以及
S179:至少根据所述切削方式、所述切屑面积、所述刀尖圆弧半径、所述刀尖切屑角度、所述切削系数以及所述刃口摩擦系数确定车削所述待加工螺纹的所述切削力。
更进一步地,步骤S171例如包括:
当所述螺纹高度、所述刀尖圆弧半径、所述刀尖切屑角度满足H≤rε(1-cosθ1)时,所述切削方式为圆弧切削刃切削方式;
当所述螺纹高度、所述刀尖圆弧半径、所述刀尖切屑角度满足H>rε(1-cosθ1)时,所述切削方式为圆弧切削刃和直线切削刃切削方式。
具体地,如图3所示,当H≤rε(1-cosθ1)时,螺纹车刀上只有圆弧切削刃参与切削,所形成的切屑面积只在区域1的刀尖切屑角度θ1内,刀尖切屑角度θ1是包围区域1的角度。如图3所示,该区域1中螺纹切屑的内部边界和外部边界都是圆弧形,内部边界由上一个螺纹切削道次(或者上一次进刀)的螺纹车刀刀尖半径生成,外部边界由当前螺纹切削道次(或者当前进刀)的螺纹车刀刀尖圆弧切削刃的半径生成。区域1的切屑面积如图3阴影区域所示。切屑厚度随区域1中的瞬时切屑角度θ的增大而变化。
由于在相邻的两次切削道次(或称两次进刀)中,螺纹车刀均沿径向移动ap的距离,通过定位角
Figure BDA0002809413390000111
来确定所述区域1内的瞬时切屑厚度h(θ),其中定位角
Figure BDA0002809413390000112
满足:
Figure BDA0002809413390000113
其中,θ为瞬时切屑角度(参见图3)。
瞬时切屑厚度h(θ)的计算式为:
Figure BDA0002809413390000114
此时,当所述切削方式为圆弧切削刃切削方式(H≤rε(1-cosθ1))时,步骤S177具体为:
根据所述瞬时切屑厚度、所述刀尖圆弧半径、所述刀尖切屑角度以及所述瞬时切屑角度确定所述切屑面积。
具体地,如图3所示,切削区域的切屑面积A仅包括区域1的切屑面积A1,切屑面积A满足:
Figure BDA0002809413390000121
当所述切削方式为圆弧切削刃切削方式(H≤rε(1-cosθ1))时,步骤S179具体为:
根据所述切屑面积、所述刀尖圆弧半径、所述刀尖切屑角度、所述切向切削系数、所述轴向切削系数、所述切向刃口摩擦系数和所述轴向刃口摩擦系数确定所述切削力。
具体地,当所述切削方式为圆弧切削刃切削方式(也即H≤rε(1-cosθ1))时,所述切削力满足:
Figure BDA0002809413390000122
Figure BDA0002809413390000123
Figure BDA0002809413390000124
其中,Ktc为所述切向切削系数,Kac为所述轴向切削系数,Kte为所述切向刃口摩擦系数,Kae所述轴向刃口摩擦系数,Ft为所述切削力的切向切削力分量、Fr为所述切削力的径向切削力分量,Fa为所述切削力的轴向切削力分量。
当H>rε(1-cosθ1)时,切削方式为圆弧切削刃和直线切削刃切削方式,也即所述螺纹车刀的圆弧切削刃和直线切削刃同步参与切削,其中直线切削刃切削所形成的切屑处于区域2内。如图5所示,区域2中螺纹切屑的内部边界由上一个螺纹切削道次的螺纹车刀小部分刀尖切削刃的半径和直线切削刃生成,外部边界由当前螺纹切削道次的螺纹车刀直线切削刃生成。区域2的切屑面积如图5阴影所示,由于径向进刀方式的原因,螺纹车刀的两侧的直线切削刃所形成的切屑面积大致相等,所以通过确定其中一侧的切屑面积即可得到后续切削力计算所需数据,在区域2中切屑的面积可近似看为矩形计算,且该矩形切屑的厚度即为区域1的末端切屑厚度,直线切屑刃的长度L为当前切削道次中参与切削的直线切削刃长度。
其中,参与切削的直线切削刃长度为L且满足:
Figure BDA0002809413390000131
所述区域2的螺纹切屑面积A2的计算式满足:
Figure BDA0002809413390000132
因此,当所述切削方式为圆弧切削刃和直线切削刃切削方式(H>rε(1-cosθ1))时,步骤S177具体为:
根据所述瞬时切屑厚度、所述刀尖圆弧半径、所述刀尖切屑角度以及所述瞬时切屑角度、所述刀尖角、所述进刀次数确定所述切屑面积。
具体地,如图5所示,切屑区域的切削面积包括区域1的切削面积A1和区域2的切削面积A2,也即:
Figure BDA0002809413390000141
当所述切削方式为圆弧切削刃和直线切削刃切削方式(H>rε(1-cosθ1))时,步骤S179具体为:
根据所述切屑面积、所述刀尖圆弧半径、所述刀尖切屑角度、所述切向切削系数、所述进刀次数、所述径向进给量、所述轴向切削系数、所述切向刃口摩擦系数和所述轴向刃口摩擦系数确定所述切削力。
具体地,所述切削力满足:
Figure BDA0002809413390000142
Figure BDA0002809413390000143
Figure BDA0002809413390000144
其中,L为直线切削刃长度且满足
Figure BDA0002809413390000145
n为所述进刀次数,其为大于0的自然数。
为了便于理解本发明,下面将结合一个具体实施例来更为清晰地解释本发明实例提供的一种径向进刀螺纹车削的切削力预测方法。
本具体实例例如采用数控车床和三维加工测力仪来进行螺纹车削实验,螺纹加工标准采用API V0.040螺纹形式。选用的工件材料为42CrMo钢的棒料,所用刀具为山特维克226RG-22V401A0503E1020级API V 0.040螺纹单齿涂层刀具,刀具前角为0’,刃倾角为1’,刀尖圆弧半径rε为0.508mm,实验过程中棒料的直径为41.275mm,螺纹节距为3mm,采用径向进刀方式进行螺纹车削加工,待加工的螺纹高度H均为1.5mm。切削试验分为三组,试验设计方案数据如表1所示。
表1实验方案数据
组数 主轴转速v(m/min) 进给量f(mm/r) 径向进给量a<sub>p</sub>(mm)
1 90 0.07 0.5
2 90 0.12 0.3
3 90 0.15 0.25
在第一组实验中,对于每道0.5mm恒定的径向进给(或者每次进刀的径向进刀量ap为0.5),进行3道螺纹切削(也即进刀次数n=3)。在第二组中,对于每道0.3mm恒定的径向进给(或者每次进刀的径向进刀量ap为0.3),进行5道螺纹切削(也即进刀次数n=5)。在第三组中,对于0.25mm的恒定径向进给(或者每次进刀的径向进刀量ap为0.3),进行6道螺纹切削(也即进刀次数n=6)。每组实验结束时,所加工出的螺纹高度H均为1.5mm。根据图6a、图6b、图6c给出的每一个连续的螺纹切削过程的预测螺纹切削力与实验结果相对比可以发现,根据切削力预测方法得到的切削力结果与实验结果具有较好的一致性,说明本发明实施例提供的螺纹车削的切削力预测方法的预测精度高,而且该切削力预测方法过程简单,可操作性强,对螺纹车削加工工艺的优化有着强有力的理论支撑。
综上所述,本发明实施例通过根据车削待加工螺纹的螺纹车刀的刀具几何参数、螺纹切削参数、所述待加工螺纹的螺纹几何参数、切削区域的切削系数和刃口摩擦系数,以及根据刀具几何参数确定的刀尖切屑角度,以来预测车削所述待加工螺纹的切削力,提供了一种精度高、过程简单的螺纹车削的切削力预测方法,为螺纹车削加工工艺的优化提供了强有力的理论支撑。本发明实例提供的螺纹车削的切削力预测方法,通过少量切削实验次数即可预测螺纹车削的切削力,且可操作性强。
【第二实施例】
参见图7,本发明实施例提供的一种螺纹车削的切削力预测装置400,例如包括:第一参数获取模块410、第二参数获取模块430、刀尖切屑角度确定模块450以及螺纹切削力预测模块470。
其中,第一参数获取模块410用于获取车削待加工螺纹的螺纹车刀的刀具几何参数、螺纹切削参数及所述待加工螺纹的螺纹几何参数;第二参数获取模块430用于获取所述待加工螺纹的切削区域的切削系数和刃口摩擦系数;刀尖切屑角度确定模块450用于根据所述刀具几何参数确定刀尖切屑角度;以及螺纹切削力预测模块470用于根据所述刀具几何参数、所述刀尖切屑角度、所述螺纹几何参数、所述切削系数以及所述刃口摩擦系数预测所述螺纹车刀车削所述待加工螺纹的切削力。
其中,所述刀具几何参数包括所述螺纹车刀的刀尖圆弧半径,所述螺纹切削参数包括径向进给量,所述螺纹几何参数包括所述待加工螺纹的螺纹高度。
具体地,如图8所示,螺纹切削力预测模块470例如包括:
切削方式确定模块471,用于根据所述螺纹高度、所述刀尖圆弧半径、所述刀尖切屑角度确定所述待加工螺纹的切削方式;
定位角确定模块473,用于根据车削所述待加工螺纹的瞬时切屑角度、所述径向进给量和所述刀尖圆弧半径确定定位角;
瞬时切屑厚度确定模块475,用于根据所述径向进给量、所述刀尖圆弧半径和所述定位角确定车削所述待加工螺纹的瞬时切屑厚度;
切屑面积确定模块477,用于至少根据所述切削方式、所述刀尖圆弧半径、所述刀尖切屑角度以及所述瞬时切屑厚度确定切屑面积;以及
切削力确定模块479,用于至少根据所述切削方式、所述切屑面积、所述刀尖圆弧半径、所述刀尖切屑角度、所述切削系数以及所述刃口摩擦系数确定车削所述待加工螺纹的所述切削力。
当所述切削方式为圆弧切削刃切削方式时,切屑面积确定模块477具体用于:根据所述瞬时切屑厚度、所述刀尖圆弧半径、所述刀尖切屑角度以及所述瞬时切屑角度确定所述切屑面积;切削力确定模块479具体用于:根据所述切屑面积、所述刀尖圆弧半径、所述刀尖切屑角度、所述切向切削系数、所述轴向切削系数、所述切向刃口摩擦系数和所述轴向刃口摩擦系数确定所述切削力。
此外,所述刀具几何参数包括所述螺纹车刀的刀尖角,所述螺纹切削参数还包括进刀次数;所述切削系数包括切向切削系数和轴向切削系数,所述刃口摩擦系数包括切向刃口摩擦系数和轴向刃口摩擦系数。
当所述切削方式为圆弧切削刃和直线切削刃切削方式时,切屑面积确定模块477具体用于:根据所述瞬时切屑厚度、所述刀尖圆弧半径、所述刀尖切屑角度以及所述瞬时切屑角度、所述刀尖角、所述进刀次数确定所述切屑面积;切削力确定模块479具体用于:根据所述切屑面积、所述刀尖圆弧半径、所述刀尖切屑角度、所述切向切削系数、所述进刀次数、所述径向进给量、所述轴向切削系数、所述切向刃口摩擦系数和所述轴向刃口摩擦系数确定所述切削力。
至于本实施例提供的螺纹车削的切削力预测装置400的各个模块和单元的具体功能细节可参考前述第一实施例中的切削力预测方法的各个步骤的相关描述,此处不再赘述。此外,值得一提的是,螺纹车削的切削力预测装置400的各个模块以及单元可以为软件模块或单元,存储于非易失性存储器例如FLASH中且由处理器执行相关操作以进行前述第一实施例中的切削力预测方法。本实施例提供的螺纹车削的切削力预测装置400可例如应用在适于车削螺纹的数控设备的数控***中。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种螺纹车削的切削力预测方法,其特征在于,包括:
获取车削待加工螺纹的螺纹车刀的刀具几何参数、螺纹切削参数、所述待加工螺纹的螺纹几何参数、切削区域的切削系数和刃口摩擦系数,其中所述刀具几何参数包括所述螺纹车刀的刀尖角εr和刀尖圆弧半径rε,所述螺纹切削参数包括径向进给量ap、进刀次数n,所述螺纹几何参数包括螺纹高度H,所述切削系数包括切向切削系数Ktc和轴向切削系数Kac,所述刃口摩擦系数包括切向刃口摩擦系数Kte和轴向刃口摩擦系数Kae
根据所述刀尖角εr确定刀尖切屑角度θ1,其中所述刀尖切屑角度θ1满足
Figure FDA0002809413380000011
确定车削所述待加工螺纹的切屑面积A,其中,
当H≤rε(1-cosθ1)时,切削方式为圆弧切削刃切削方式,所述切屑面积A满足:
Figure FDA0002809413380000012
A1为圆弧切削刃的切屑面积,θ为瞬时切屑角度,h(θ)为瞬时切屑厚度且满足
Figure FDA0002809413380000013
Figure FDA0002809413380000014
为所述定位角且满足
Figure FDA0002809413380000015
当H>rε(1-cosθ1)时,切削方式为圆弧切削刃和直线切削刃切削方式,所述切屑面积A满足:
Figure FDA0002809413380000016
A2为直线切削刃的切屑面积,
预测车削所述待加工螺纹的切削力,其中,
当H≤rε(1-cosθ1)时,所述切削力满足:
Figure FDA0002809413380000017
Figure FDA0002809413380000021
当H>rε(1-cosθ1)时,所述切削力满足:
Figure FDA0002809413380000022
其中,Ft为所述切削力的切向切削力分量、Fr为所述切削力的径向切削力分量,Fa为所述切削力的轴向切削力分量,L为直线切削刃长度且满足
Figure FDA0002809413380000023
2.一种螺纹车削的切削力预测方法,其特征在于,包括:
获取车削待加工螺纹的螺纹车刀的刀具几何参数、螺纹切削参数及所述待加工螺纹的螺纹几何参数;
获取所述待加工螺纹的切削区域的切削系数和刃口摩擦系数;
根据所述刀具几何参数确定刀尖切屑角度;以及
根据所述刀具几何参数、所述刀尖切屑角度、所述螺纹几何参数、所述切削系数以及所述刃口摩擦系数预测所述螺纹车刀车削所述待加工螺纹的切削力。
3.如权利要求2所述的一种螺纹车削的切削力预测方法,其特征在于,所述螺纹车刀的刀具几何参数包括所述螺纹车刀的刀尖角;所述根据所述螺纹车刀的所述刀具几何参数确定刀尖切屑角度具体为:
根据所述刀尖角确定所述刀尖切屑角度,其中所述刀尖切屑角度满足:
Figure FDA0002809413380000031
θ1为所述刀尖切屑角度,εr为所述刀尖角。
4.如权利要求3所述的一种螺纹车削的切削力预测方法,其特征在于,所述刀具几何参数包括所述螺纹车刀的刀尖圆弧半径,所述螺纹切削参数包括径向进给量,所述螺纹几何参数包括所述待加工螺纹的螺纹高度;所述根据所述刀具几何参数、所述刀尖切屑角度、所述螺纹几何参数、所述切削系数以及所述刃口摩擦系数预测所述螺纹车刀车削所述待加工螺纹的切削力包括:
根据所述螺纹高度、所述刀尖圆弧半径、所述刀尖切屑角度确定所述待加工螺纹的切削方式;
根据车削所述待加工螺纹的瞬时切屑角度、所述径向进给量和所述刀尖圆弧半径确定定位角;
根据所述径向进给量、所述刀尖圆弧半径和所述定位角确定车削所述待加工螺纹的瞬时切屑厚度;
至少根据所述切削方式、所述刀尖圆弧半径、所述刀尖切屑角度以及所述瞬时切屑厚度确定切屑面积;以及
至少根据所述切削方式、所述切屑面积、所述刀尖圆弧半径、所述刀尖切屑角度、所述切削系数以及所述刃口摩擦系数确定车削所述待加工螺纹的所述切削力。
5.如权利要求4所述的一种螺纹车削的切削力预测方法,其特征在于,所述根据所述螺纹高度、所述刀尖圆弧半径、所述刀尖切屑角度确定所述待加工螺纹的切削方式包括:
当所述螺纹高度、所述刀尖圆弧半径、所述刀尖切屑角度满足H≤rε(1-cosθ1)时,所述切削方式为圆弧切削刃切削方式;
当所述螺纹高度、所述刀尖圆弧半径、所述刀尖切屑角度满足H>rε(1-cosθ1)时,所述切削方式为圆弧切削刃和直线切削刃切削方式;
其中,H为所述螺纹高度,θ1为所述刀尖切屑角度,rε为所述刀尖圆弧半径。
6.如权利要求5所述的一种螺纹车削的切削力预测方法,其特征在于,所述切削系数包括切向切削系数和轴向切削系数,所述刃口摩擦系数包括切向刃口摩擦系数和轴向刃口摩擦系数;
当所述切削方式为圆弧切削刃切削方式时,所述至少根据所述切削方式、所述刀尖圆弧半径、所述刀尖切屑角度以及所述瞬时切屑厚度确定切屑面积具体为:
根据所述瞬时切屑厚度、所述刀尖圆弧半径、所述刀尖切屑角度以及所述瞬时切屑角度确定所述切屑面积;
当所述切削方式为圆弧切削刃切削方式时,所述至少根据所述切削方式、所述切屑面积、所述刀尖圆弧半径、所述刀尖切屑角度、所述切削系数以及所述刃口摩擦系数确定车削所述待加工螺纹的所述切削力具体为:
根据所述切屑面积、所述刀尖圆弧半径、所述刀尖切屑角度、所述切向切削系数、所述轴向切削系数、所述切向刃口摩擦系数和所述轴向刃口摩擦系数确定所述切削力。
7.如权利要求6所述的一种螺纹车削的切削力预测方法,其特征在于,
当所述切削方式为圆弧切削刃切削方式时,
所述切屑面积满足:
Figure FDA0002809413380000041
所述切削力满足:
Figure FDA0002809413380000051
其中,A为所述切屑面积,A1为圆弧切削刃的切屑面积,θ1为所述刀尖切屑角度,h(θ)为所述瞬时切屑厚度且满足
Figure FDA0002809413380000052
Figure FDA0002809413380000053
为所述定位角且满足
Figure FDA0002809413380000054
rε为所述刀尖圆弧半径,ap为所述径向进给量,θ为瞬时切屑角度,Ktc为所述切向切削系数,Kac为所述轴向切削系数,Kte为所述切向刃口摩擦系数,Kae所述轴向刃口摩擦系数,Ft为所述切削力的切向切削力分量、Fr为所述切削力的径向切削力分量,Fa为所述切削力的轴向切削力分量。
8.如权利要求5所述的一种螺纹车削的切削力预测方法,其特征在于,所述刀具几何参数包括所述螺纹车刀的刀尖角,所述螺纹切削参数还包括进刀次数;所述切削系数包括切向切削系数和轴向切削系数,所述刃口摩擦系数包括切向刃口摩擦系数和轴向刃口摩擦系数;
当所述切削方式为圆弧切削刃和直线切削刃切削方式时,所述至少根据所述切削方式、所述刀尖圆弧半径、所述刀尖切屑角度以及所述瞬时切屑厚度确定切屑面积具体为:
根据所述瞬时切屑厚度、所述刀尖圆弧半径、所述刀尖切屑角度以及所述瞬时切屑角度、所述刀尖角、所述进刀次数确定所述切屑面积;
当所述切削方式为圆弧切削刃和直线切削刃切削方式时,所述至少根据所述切削方式、所述切屑面积、所述刀尖圆弧半径、所述刀尖切屑角度、所述切削系数以及所述刃口摩擦系数确定车削所述待加工螺纹的所述切削力具体为:
根据所述切屑面积、所述刀尖圆弧半径、所述刀尖切屑角度、所述切向切削系数、所述进刀次数、所述径向进给量、所述轴向切削系数、所述切向刃口摩擦系数和所述轴向刃口摩擦系数确定所述切削力。
9.如权利要求8所述的一种螺纹车削的切削力预测方法,其特征在于,
当所述切削方式为圆弧切削刃和直线切削刃切削方式时,
所述切屑面积满足:
Figure FDA0002809413380000061
所述切削力满足:
Figure FDA0002809413380000062
其中,L为直线切削刃长度且满足
Figure FDA0002809413380000063
h(θ)为所述瞬时切屑厚度且满足
Figure FDA0002809413380000064
Figure FDA0002809413380000065
为所述定位角且满足
Figure FDA0002809413380000066
Figure FDA0002809413380000067
A为所述切屑面积,A1为圆弧切削刃的切屑面积,A2为直线切削刃的切屑面积,θ1为所述刀尖切屑角度,rε为所述刀尖圆弧半径,εr为所述刀尖角,ap为所述径向进给量,θ为瞬时切屑角度,n为所述进刀次数且为大于0的自然数,Ktc为所述切向切削系数,Kac为所述轴向切削系数,Kte为所述切向刃口摩擦系数,Kae所述轴向刃口摩擦系数,Ft为所述切削力的切向切削力分量、Fr为所述切削力的径向切削力分量,Fa为所述切削力的轴向切削力分量。
10.一种螺纹车削的切削力预测装置,其特征在于,用于执行如权利要求2至9任意一项所述的螺纹车削的切削力预测方法且包括:
第一参数获取模块,用于获取车削待加工螺纹的螺纹车刀的刀具几何参数、螺纹切削参数及所述待加工螺纹的螺纹几何参数;
第二参数获取模块,用于获取所述待加工螺纹的切削区域的切削系数和刃口摩擦系数;
刀尖切屑角度确定模块,用于根据所述刀具几何参数确定刀尖切屑角度;以及螺纹切削力预测模块,用于根据所述刀具几何参数、所述刀尖切屑角度、所述螺纹几何参数、所述切削系数以及所述刃口摩擦系数预测所述螺纹车刀车削所述待加工螺纹的切削力。
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