正交微切削中切削力预测模型研究
基于正交切削模型的刀具前角对切削力及切削温度的影响--lemon
摘要：在金属切削过程中，刀具的形状直接影响金属切削质量。
本文基于大变形－大应变理论、增量理论以及更新拉格朗日算法，建立了二维弹塑性金属斜刃切削有限元模型；自动对畸变网格进行重划分；通过用不同的刀具前角对金属刀具切削过程进行了数值模拟，分析总结结果，得出刀具切削过程中在不同切削前角时，切削力、刀具与工件的应力应变、温度的分布情况；对选用刀具形状，提高切削表面质量提供了理论依据。
本文的研究为后期研制新的刀具材料提供了理论依据，降低实验成本。
关键字：大变形－大应变理论;增量理论;有限元模型;刀具前角；数值模拟Abstract: The geometrical shape of tool has a direct effect on the quality of workpiece in the process of metal cutting. A 2 dimensionalelasto-plastic finite element model of metal oblique cutting isdeveloped in this study based on large deformation- large straintheory, incremental theory and updating Lagrangian formulation;in order to determine the chip separation, the geometricalseparation criterion (distance criterion) is adopted; an automaticremesh technique is used to remesh the distortion mesh; a coupleof numerical simulations have been developed on the metal obliquecutting process with different tool rake angles, some conclusionsare obtained according to the simulation results : the variationalrule of cutting force, and also the corresponding distribution ofstress and strain. Theory foundations are provided to the selectionof tool geometry and to improve the surface quality of workpiec e. Key words:large deformation-strain theory; incremental theory; finite element model; rake angle;1 绪论1．1简介随着现代机械制造技术的发展，提高切削质量，降低切削成本成为市场竞争的前提。
基于六西格玛原理预测数控车削加工过程中的切削力
（ ｏ ｔ １ 方 法 消 除 产 生 缺 陷 的 根 源 并 减 少 波 动 ， 实 Ｃ ｎｒ ） ｏ 以
现 优 化 、 测 的效 果 。 文 提 出 了 应 用 六 西 格 玛 原 理 对 预 本
数控 车削加 工 中切削力 进行 预测 的思 路 和方法 。
１ 定 义 实 验 设 计
１ １ 实验 方 案 设 计 ．
关 键 词 ： 西 格 玛 原理 六 中 图分 类号 ：Ｂ ６ Ｔ ６３ 文献 标 识 码 ： Ａ
在数 控 车 削加 工 过程 中 ， 削力 无 疑是 反 映加 工 切
１２ ．
试 验 台 的搭 建
状态 最直接 的 因素 ， 变 化关 系着 工件加 工 表面质 量 、 其 刀具 磨损 状 况 和机 床 振 动情 况 。 目前 对 切 削 力 的 检 测
１２ １ 试 验条件 ．．
机 床 型号 ： ＣＫ６ ４ ／１ ０ 控 车 床 ； １３ ｏ 数
主 轴 转 速 范 围 ： ０～２ ０ ／ ｎ； ４ ５ ０ｒ ｍｉ 主 轴 电 机 功 率 ： ． Ｗ ； ５ ５ｋ 毛 坯 ： 料 Ｑ２ ５ 规 格 ８ 材 ３ Ｂ， ２ｍｍ ×５ ０ ｍｍ ；平 均 ０ 屈 服 强 度 ￣ ２ ５ＭＰ ； Ｊ ３ ａ 试 验 刀 具 ：Ｙ ５ 质 合 金 刀 片 ，安 装 后 主 偏 角 Ｔ 硬
Ｋｉ ｌｒ ２ ７ 测 力 仪 。 中 传 感 器 由 ３ 圆 形 压 电 晶 体 ｓ ｅ９ ５ Ｂ ｔ 其 个
表 １ 数控 车 削实 验 正 交 表 编 工 件 刀 具 件 直 径 切 削 速 度 切 削 深 削 长 进 给 量 工 切
号 材 料 牌 号 ／ ｍ ／ ｍ ・ ｎ ）度 ／ ｍ ／ ｍ ／ ｍｍ ・ ） ｍ （ ｍｉ ｍ 度 ｍ （ ｒ １ Ｑ ３ Ｂ Ｔ ２ ５ Ｙ ５ ２ ２ ５ Ｙ ５ Ｑ ３ Ｂ Ｔ ８ ． Ｏ１ ８ ． Ｏ９ ５ ０ ２ ０ １２ ． Ｏ８ ． ８ ０ ８ ０ Ｏ ２ ．４ ０ ２ ．０
机械加工中的切削力模型研究
机械加工中的切削力模型研究导言：在机械加工领域，切削力的模型研究是至关重要的。
了解切削力的大小和方向，能够帮助我们更好地设计切削工具和工艺参数，提高加工质量和效率。
本文将探讨机械加工中切削力模型的研究现状和发展趋势。
1. 切削力的概述切削力是指在机械加工过程中，切削刀具对工件进行切削时所受到的力。
它由多个因素共同影响，如切削速度、切削深度、切削宽度、切削角度等。
切削力的大小对加工过程的稳定性和工件表面质量有着重要影响。
2. 切削力的模型研究方法为了准确描绘切削过程中的力学现象，研究者们提出了多种切削力模型。
其中最常用的方法包括实验测量、经验公式和数值模拟。
2.1 实验测量方法实验测量方法是通过搭建实验装置，对切削过程中的力进行直接测量。
通过对不同切削条件下的切削力进行实验观测，可以获得一定的切削力规律。
然而，实验测量方法在操作上比较繁琐，需要大量的时间和资源，并且只能获取离散的数据点。
2.2 经验公式方法经验公式方法是基于实验数据的统计分析，通过建立切削力与切削参数之间的经验关系式。
这种方法简便易行，常被工程师广泛应用。
然而，由于经验公式建立过程中的主观性，其适用范围有限，且无法解释切削力背后的物理本质。
2.3 数值模拟方法数值模拟方法是基于计算机模型来预测切削力。
通过建立切削区域、切削力分布等数学模型，利用有限元分析等方法进行仿真计算。
这种方法准确性较高，可以考虑多个因素的影响，但需要大量的计算资源和专业知识。
3. 切削力模型的研究现状目前，机械加工领域的研究者们对切削力模型进行了大量的研究。
除了以上提到的实验测量、经验公式和数值模拟方法外，还涌现出一些新的方法和理论。
3.1 极限切削力模型极限切削力模型是一种通过切削力与加工条件的解析表达式来描述切削力的模型。
该模型基于力学原理推导，可以直接计算出切削力的数值结果。
然而，该模型建立一般需要假设较多，适用范围有限。
3.2 人工智能方法近年来，人工智能技术的发展为切削力模型研究带来了新的思路。
切削力模型在切削加工过程中的应用研究
切削力模型在切削加工过程中的应用研究切削加工是制造业中一项重要的加工工艺，广泛应用于航空航天、汽车制造、机械制造等领域。
在切削加工过程中，切削力是一个关键的参数，对于工件质量、工具寿命和加工效率等方面都有着重要的影响。
因此，在切削加工过程中，准确预测和控制切削力，对于提高加工质量和效率具有重要意义。
切削力模型作为一种重要的工具和手段，在切削加工中得到了广泛的应用和研究。
切削力模型是通过数学或物理方法对切削过程进行建模和分析，以预测切削过程中产生的切削力大小和分布。
切削力模型的建立需要考虑多个因素，包括材料的物理性质、工件和刀具的几何形状、切削速度和进给速度等。
在模型的建立过程中，通常会采用实验方法进行数据的采集和分析，然后通过统计回归和仿真等方法进行模型的建立和验证。
切削力模型在切削加工过程中的应用主要体现在以下几个方面。
首先，切削力模型可以用于预测和优化切削参数。
通过建立切削力模型，可以根据不同的切削参数（如切削速度、进给速度和切削深度等）预测切削力的大小和变化趋势。
基于这些预测结果，可以选择合适的切削参数，从而达到最佳的加工效果。
此外，切削力模型还可以用于优化刀具的几何形状和材料，以减小切削力的大小。
其次，切削力模型可以用于评估刀具磨损和寿命。
在切削过程中，刀具的磨损会导致切削力的增加，从而影响加工质量和效率。
通过建立切削力模型，可以监测和评估刀具的磨损情况，并根据需要进行修复或更换。
这样可以延长刀具的使用寿命，降低切削成本。
第三，切削力模型可以用于刀具选型和刀具设计。
不同的工件材料和加工要求对切削力有着不同的要求。
通过建立切削力模型，可以根据工件的材料特性和加工要求选择合适的刀具，并根据需要进行刀具的几何形状和材料设计。
这样可以提高切削质量和效率，降低切削成本。
最后，切削力模型还可以用于切削加工过程的监测和控制。
通过实时监测和分析切削力的大小和变化趋势，可以及时发现和解决切削过程中的问题，如刀具磨损、材料变形和加工失效等。
一种基于FTS车削的微切削力模型
一种基于FTS车削的微切削力模型谢晓麟;周晓勤;张新;张继真;谭双龙【摘要】机械加工中的切削力模型建立对于研究工件表面形貌成型,探究切削理论有着深远的意义.在微切削加工领域,伺服车削通常用来加工自由曲面,但是考虑到尺寸效应,传统宏观领域的切削力模型无法真实地描述切削过程.针对微切削加工领域,提出了一种切削力模型,模型充分考虑了最小未成型切屑厚度,刀具切削刃钝圆以及工件对后刀面回弹引起的摩擦力.由于切削深度不同,所对应的切削原理也不同,将切削过程分为多个区域建模.当刀具切入工件后,随着切屑厚度的减小,切屑在前刀面分别经历宏观剪切、大负前角切削以及耕梨过程,而同时工件未切下的部分在后刀面的进一步作用下形成已加工表面,对应上述过程,将分为4个区域建模.最后,基于自主设计的能够精确测量两个方向切削力的快刀伺服装置(DFT-FTS)设计实验.%The establishment of cutting force model in machining is of great significance to study the surface morpholo-gy of workpiece and explore the cutting theory.Due to the so-called size effect,the cutting force model in the tradition-al field can not be directly applied to the micro-machining of free-form surface servo turning.In this paper, a cutting force prediction model for micro-cutting is proposed.The model gives full consideration to the factors such as the cut-ting edge of the cutting edge of the tool, the minimum unformed chip thickness and the frictional force generated by the flank return force. Due to the different cutting depth the cutting principle is different,the micro cutting force model will be developed according to different region. Finally, the experiment is designed based onthe micro servo turning with self-designed a dual-axis force transducer-embedded fast tool servo (DFT-FTS) device.【期刊名称】《长春理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(040)004【总页数】6页(P1-6)【关键词】微切削力模型;快速刀具伺服;尺寸效应;自由曲面【作者】谢晓麟;周晓勤;张新;张继真;谭双龙【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院光学系统先进制造技术重点实验室,长春 130033;吉林大学机械科学与工程学院,长春 130022;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院光学系统先进制造技术重点实验室,长春 130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院光学系统先进制造技术重点实验室,长春 130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院光学系统先进制造技术重点实验室,长春 130033【正文语种】中文【中图分类】TG501.3对于机械加工，切削力是一个十分重要的参数。
金属切削原理中的切削力预测模型研究
金属切削原理中的切削力预测模型研究摘要：金属切削加工是现代制造业中常用的工艺之一。
理解和准确预测切削过程中的切削力对于优化工艺参数和提高加工效率十分重要。
本文将探讨金属切削原理中的切削力预测模型研究，并分析其对制造业和相关领域的应用。
1.引言金属切削加工是通过金属切削刀具对工件进行削减、切削和切割的过程。
切削过程中切削力的研究对于提高切削加工效率、优化工艺参数以及增加刀具寿命具有重要意义。
预测切削力是分析切削过程中的重要环节，对现代制造业具有重要的实际意义。
2. 切削力的影响因素切削过程中的切削力受到多种因素的影响，包括材料特性、工具形状、切削条件等。
材料硬度、切削速度、切削深度和进给量是影响切削力的主要因素。
理解这些影响因素对于建立准确的切削力预测模型至关重要。
3. 常用的切削力预测模型为了预测切削力，许多研究学者提出了各种各样的切削力预测模型。
常见的模型包括力学建模方法、统计建模方法和人工智能方法。
力学建模方法基于切削力的物理原理，通过建立数学模型来预测切削力。
统计建模方法通过对大量实验数据进行统计分析，建立回归模型来预测切削力。
人工智能方法则基于神经网络、遗传算法等技术，通过训练模型来实现切削力的预测。
4. 切削力预测模型的应用切削力预测模型在制造业和相关领域中得到了广泛应用。
一方面，通过准确预测切削力，可以优化切削工艺参数，提高加工效率和质量。
另一方面，切削力预测模型对于刀具寿命的预测和评估具有重要意义，可以减少更换刀具的频率，节约生产成本。
5. 切削力预测模型的挑战与展望虽然已经有不少研究对切削力预测模型进行了深入研究，但仍然存在一些挑战。
首先，金属切削过程复杂多变，需要考虑多种因素的综合影响。
其次，切削力预测模型的建立需要大量的实验数据和精确的测量设备。
未来的研究应该致力于解决这些问题，进一步提高切削力预测模型的准确性和可靠性。
结论：金属切削原理中的切削力预测模型目前已经得到了广泛的研究和应用。
基于切削力预测模型的刀具几何参数和切削参数优化
齿进给量取 01 15mm 。 工件材料为 7050 - T7451 航空铝合金 ,尺寸为 200mm × 100mm × 20mm 。 切
式 ( 9) 可以变换为如下形式 :
0 . 372 0. 302 - 0. 519 P = 8461 407 ap ae β
Optimization of Tool Geometry and Cutting Parameters Based on a Predictive Model of Cutting Force Pan Yo ngzhi Ai Xing Tang Zhitao Zhao J un Shando ng U niver sit y ,J inan ,250061 Abstract :During t he high - speed milling operatio ns of aero nautical aluminum alloy using solid carbide end mill s ,helical angle ,axial and radial dept h - of - cut have significant effect s o n t he milling uniformit y. A p redictive mo del of cutting force was developed by using a f ull - factorial experimental design and multi - linear regressio n technology. The variance analyses were applied to check t he adequacy of t he cut ting force model and t he significances of independent inp ut parameters. Genetic algorit hm was utilized to optimize t he tool geo met ry and cut ting parameters by means of a series of operatio ns of selectio n ,cro ssover and mutatio n based o n genetics. The result show s t hat it is po ssible to select optimum axial dept h - of - cut , radial dept h - of - cut and helical angle fo r o btaining minimum cut ting force and reaso nably good metal removal rate. Key words : helical angle ; high - speed milling ;cut ting force ;genetic algorit hm
切削力预测模型在金属切削中的应用分析
切削力预测模型在金属切削中的应用分析金属切削是制造工业中最常见的工序之一，在金属加工过程中，切削力的预测是十分重要的。
切削力的准确预测可以帮助制定合理的切削工艺参数，提高加工效率、降低成本。
随着科学技术的发展，切削力预测模型在金属切削中的应用正逐渐得到广泛关注。
这些模型基于丰富的实验数据和理论分析，通过建立数学模型，预测和优化切削过程中的切削力。
切削力预测模型可以分为实验模型和理论模型。
实验模型利用大量的实验数据，通过回归分析和统计方法建立切削力与切削条件之间的关系，从而得到预测模型。
实验模型的优点是简单易用，但需要大量实验数据支持，且在不同切削条件下的预测效果有一定的限制。
理论模型则基于切削理论和材料力学原理，通过建立数学方程，计算切削过程中的切削力。
理论模型的优点是具有普适性，可以适用于不同的材料和切削条件。
然而，理论模型需要较为复杂的计算，同时还需要准确的输入参数，例如材料特性、切削刃的几何形状等。
切削力预测模型在金属切削中的应用主要包括以下几个方面：首先，切削力预测模型可以指导切削工艺参数的选择。
通过模型预测得到的切削力可以帮助制定合理的切削速度、进给速度和切削深度等参数，从而优化切削过程，提高加工效率。
同时，切削力模型还可用于评估不同加工方案下的切削性能，帮助选择最佳的工艺参数。
其次，切削力预测模型可以用于刀具和加工设备的设计和优化。
通过预测切削力，可以合理选择刀具材料和刀具形状，降低刀具磨损和断裂的风险，延长刀具寿命。
同时，切削力模型也可用于选择合适的切削设备和工艺装备，以满足加工要求并提高加工精度。
此外，切削力预测模型还可以应用于切削过程的监测和控制。
通过实时监测切削力的变化，可以及时发现加工过程中的异常情况，如刀具破损或材料变形，从而及时采取措施，避免加工事故的发生。
同时，切削力模型还可以与自动控制系统结合，实现对切削过程的自动化控制，提高生产效率和加工质量。
然而，切削力预测模型仍面临一些挑战和限制。
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观． 应变梯 度理 论 的发 展 为 此 问题 提 供 了很 好 的 解 决方案 ［８ 本文 基于应 变梯 度理论 建立 了正 交 ５］ ｆ． 微 切削力 的预 测模 型 ， 设 计 了正 交 微 切削 实 验 并
Ｊ 一ｉｃ （ 二 ｙ ｓ ｓ ＋ ｆ 。 声卢 ） Ｆ ｎ 一
＝ Ｉ ： Ｆ ＝
垒 二
‘Ｊ （） １ ｌ
【 ～ ｓ ｃｓ ＋ 口 ｙ ｉ ｏ（ ｎ 一 ）
式 中 ： 为切削 力 ； ｒ Ｆ Ｆ 为进 给 力 ； ｒ为平 均剪 切应 力 ； 为 切削宽 度 ； 为切削厚 度 ； Ｗ ｔ 为剪切 角 ； 为
大 研究 者 的关 注． 削 力研 究 可 以 用来 监 测刀 具 切 状 态和 预测刀 具磨 损 ， 表征 切 削过 程 及 计算 流 动 应 力等． 微切 削 切 削力 的深 刻理 解 是 研究 微 切 对
削 过程 的基础 ．
１ 微 切 削力 预 测模 型
宏 观 中的二维切 削力表 示 为 。
摩擦 角 ， ｙ为 前 角 ．
应变 梯度 理论 已成 功 的解 释 了微 扭 转 、 压 微
痕、 复合 材 料 增强 实 验 中 的尺度 效 应． ｉ ｉ Ｋａ Ｌｕ用
Ａｂ ｑ ｓ 件仿 真 了铝 Ａ１０ ３Ｈ１ ６的微切 削 过 ａｕ 软 ５ ８一 １
程 ， 定 义材料 时应 用 了泰勒非 局部塑 性理论 ， 在 考
梯 度 效 应 能 更 好 地 表 示 切 削 过 程 中 的 尺 度 效
应 ． 因为 微 切 削 的 切 削 用 量 在 微 米 级 ， 近 于 材 接
式 中 ： ａ 为塑性材 料 常系 数 ， ０ ３ ． ； 为剪 取 ． ～Ｏ ５ Ｇ 切模 量 ； ｂ为 伯 格 斯矢 量 ｍ 。 总 位错 密 度 ；Ｓ 为 ｐＳ Ｄ 是统 计存贮 位错 密度 ； 。 为几何 必需位 错密度 ． 统计存 贮 位 错 发 生 在 均 匀 的 塑 性 变 形 过 程
为 了反应微 切 削 过程 中的 尺度 效 应 ， 应 变 用
梯 度理论 计算 平 均 剪 切 应 力 ｒ 基 于 位 错 理 论 的 ． 平 均剪切 应力 为
ｒ一 口Ｇ６ ｔ １一 ａ Ｇ６ Ｖ Ｓ ０ ｔ ／Ｓ ｐ Ｄ＋ Ｉ Ｎ （ ） Ｄ Ｄ Ｇ ２
虑 了材料 的应 变梯 度 效 应 ， 为考 虑 材 料 的应 变 认
ｒ ｏ— ｄＧｂ ￣ Ｓ ／ Ｓ ｐ— Ｄ （） ４
吴 继 华 （ ９ ５） 女 ， 士 生 ， １ ７一 ： 博 主要 研 究 领 域 为 微 切 削变 形 机 理 研 究
国家 自然 科学 基 金 项 目资 助 （ 准号 ：０ ７ １ ２ 批 ５６５２）
第 １期
吴继 华 ， ： 交 微 切 削 中切 削力 预测 模 型研 究 等 正
错 密度 ／Ｎ 表示应 变梯度 为 ＯＤ Ｇ
ｌ Ｎ 一 卫 一 ０ 。 Ｇ ｂ
பைடு நூலகம்
３ ）
验 证 了微 切削 力模 型 的 可靠 性 ． 过 分 析实 验 数 通
据 阐 明了微 切 削 中切 削力 的变化 规律 ．
收 稿 日期 ： ０ ９０ — ０ ２ ０—９２
式 中 ： 为 应变梯 度 ； 叼 Ｌ为剪切 区长 度．
中 ， 何 必 需 位 错 则 产 生 应 变 梯 度 ， 几 何 必 需 位 几 用
料 的 晶粒 尺度 ， 且不 能忽 略切削 刃半径 的影 响 ， 所 以微切削 的切 削机 理 与 宏 观显 著 不 同 ， 表现 在 微 切 削过程 中 出现 的尺 度效应 ［ 、 塑转换 ［ 、 耕 ２脆 ］ ３犁 ］
实 验 ， 证 了微 切 削 力 预 测 模 型 的 可 靠 性 ． 此 模 型 预 测 微 切 削 力 与 实 验 数 据 相 比 ， 均误 差 不 超 验 用 平 过 ５ ， 好 地 反 映 微 尺 度 特 征 ． 析 微 切 削力 实验 数 据 发 现 ： 正 交 微 切 削 中 主 切 削 力 基 本 是 大 更 分 在
Ｖ Ｉ ３ Ｎｏ １ ０＿４ ．
Ｆｅ ｂ． ２ ０ ０１
正 交 微 切 削 中切 削力 预 测 模 型 研 究 ＊
吴 继华 刘 战 强
（ 山东 大学 机 械 工 程 学 院 济 南 ２０ ６ ） ５ ０ １
摘 要 ： 位 错 密 度 出发 ， 于应 变梯 度 理 论 建 立 了正 交 微 切 削 力 的预 测 模 型 ， 设 计 了 正 交 微 切 削 从 基 并
中图 法 分 类 号 ： ＧＳ １ Ｔ ０
Ｄ ： ０ ３ ６ ／．ｓｎ １ ０ —８ ３ ２ １ ． １ ０ ２ ＯＩ １ ． ９ ３ ｊ ｉ ． ０ ６２ ２ ． ０ ０ ０ ． ３ ｓ
微 切削作 为 微 细产 品的 主要 加 工 方式 ， 备 具 加 工材 料 范 围广 ， 本低 ， 成 加工 精度 高等 特点 ， 受 到越来越 多 国家 的 高度 重 视 ， 加 工机 理 受 到广 其
第 ３ ４卷 第 １ 期
２１ ０ ０年 ２月
武汉理 工大学 学报 （ 交通科 学与 工程版 ）
Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｕ ａ ｉｅ ｓｔ ｆＴｅ ｈ ｏｏ ｙ ｏ ｒ ａ ｆＷ ｈ ｎ Ｕｎ ｖ ｒ ｉｙｏ ｃ ｎ ｌｇ
（ ｒｎ ｐ ｒ ｔ ｎＳ ｉ ｃ 乙Ｅ ｇｎ ｅ ｉ ） Ｔ ａ ｓ ｏ ｔ ｉ ｃ ｎ ｅ ８ ｎ ｉｅｒ ｇ ａｏ ｅ ｎ
于进给力的 ； 当在 相 同切 削 速 度 时 ， 给 量 越 小 时 ， 切 削 力 和 进 给 力 的 变 化 程 度 越 大 ；主 切 削 力 进 主 随 进 给 量 的 增 大 而 增 大 ， 进 给 力 随 进 给量 的增 大 而 减 小 ． 而
关 键 词 ： 变 梯 度 理 论 ； 切 削 ； 削力 ； 测 模 型 应 微 切 预