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申请/专利权人：大连理工大学

摘要：本发明公开了一种基于有限元仿真的超声振动辅助铣削力建模方法，将刀具参数、切削参数和振动参数考虑在内，包括以下步骤：首先，将刀刃沿轴向离散成一系列的微元，并计算微元不同切削位置的瞬时切削厚度；然后，使用响应曲面法设计关于刀具参数、切削参数和振动参数的仿真方案，并通过ABAQUS进行一系列的斜角切削仿真，提取仿真切削力并获计算微元切削力的回归方程；最后，通过回归方程计算微元在不同切削位置的切削力，并进行坐标变换和积分求和，得到铣削过程的超声振动铣削力预测值。此方法可以解决现有建模方法存在的实验周期长、实验成本高的问题，提高了铣削力模型的适用性和可靠性。

主权项：1.一种基于有限元仿真的超声振动辅助铣削力建模方法，其包括以下步骤：步骤1：建立刀具坐标系，刀具进给方向为+x，垂直于进给方向并远离加工面的方向为+y，刀具轴线指向主轴的方向为+z，将铣刀沿轴向等分成N个微元，微元受到的切削力为dFt、dFr、dFa，分别表示切向力、径向力和轴向力；步骤2：在考虑刀具参数、切削参数的情况下，计算不同刀齿、不同高度的微元在不同切削位置的瞬时切削厚度；步骤3：将微元切削近似为斜角切削，通过ABAQUS进行一系列的斜角切削仿真，提取仿真切削力并建立微元切削力的回归方程；步骤4：利用回归方程计算微元切削力，并通过笛卡尔坐标系将其转换到机床坐标系的X轴、Y轴及Z轴上；步骤5：将同一时刻各条切削刃上微元切削力进行积分求和，得到瞬时铣削力，以时间为变量进而可以获得完整铣削周期的三向铣削动态切削力；所述步骤2中，微元在不同切削位置的瞬时切削厚度：铣削过程中刀刃是断续地进行切削，gψi,j为判断切削刃是否参与切削的单位阶跃函数，表示如下： 其中，i表示铣刀切削刃编号，j表示铣刀微单元数目编号，ψ1、ψ2分别表示刀具的切入切出角，ψi,j表示径向位置角；对于铣刀参与切削的微元，当径向位置角处于ψ1ψ2之间其对应的未变形切削厚度可根据经典公式表示为：ti，j＝fz·sinψi，j其中，ti,j表示微元对应的未变形切削厚度，fz表示每齿进给量；所述步骤3中，进行斜角切削仿真并建立微元切削力的回归方程：首先，离散微元的切削过程可以简化为斜角切削，并使用Design-Expert设计基于响应曲面法的斜角切削仿真试验，然后，建立刀具和工件的三维几何模型并赋予材料参数，根据实际加工设定切削速度VC、工件约束和超声振幅A及频率f，接着，进行仿真计算，得出微元切削过程中的应力、应变、温度和三向切削力，最后，使用Design-Expert对三向切削力进行处理分析，建立微元切削力的回归方程，方程形式如下： 其中：dFti,jdFri,jdFai,j分别为切向、径向、轴向的切削力，a0，a1…c46，c56为切削力系数，ψi,j为未变形切削厚度，前角γ为铣刀侧刃前角；所述步骤4中，将微元切削力转换到机床坐标系： 其中，dFxi,j，dFyi,j，dFzi,j分别表示微元在工件坐标系X、Y、Z三个方向上的分力；所述步骤5中，将微元切削力进行积分求和，进而获得完整铣削周期的三向铣削动态切削力：为了求得切削刃i产生的切削力，将作用在微元上的切削力沿该切削刃参与切削的区域进行积分求和： 其中，Fxi，Fyi，Fzi分别表示编号为i的切削刃所受的X、Y、Z方向上的力；为了求得铣刀产生的切削力，将每条切削刃参与切削的区域进行积分求和： 其中，z为铣刀刀刃齿数，Fx，Fy，Fz分别表示铣刀所受X、Y、Z方向上的力。

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