数控车削加工切削力波动的研究

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1、数控车削加工切削力波动的研究摘要：针对数控车削加工过程的特点，通过刀具切削运动轨迹对切削力影响的研究，获得切削力的变化规律，实现了数控车削加工切削力波动的预报。以此为基础，建立了数控车削用量优化切削力波动约束模型，提出了切削力波动的控制策略。关键词：数控加工；切削力波动；约束条件ResearchonFluctuationofCuttingForceinNCTurningYuSong-zhang1,JiangBin2（1.NorthChinaInstituteofTechnology,Taiyuan030008,Chin

2、a2.Mechanical﹠PoetersinNCturningprocess,themathematicmodeloftheconstraintconditioninoptimizationofNCturningparametersisfoundedbythepredictionfluctuationofcuttingforce.Themethodofcontrollingfluctuationofcuttingforce/s)（2）(mm/s)（3）式中n为机床主轴转速(r/min)；f为进给量(mm/r)背吃刀量

3、ap如图1所示，ap垂直于vf且与z轴正向夹角γ为：（4）2.3数控车削加工切削层参数主偏角κr如图1所示：（5）式中κro为刀具主切削刃与z轴夹角切削层厚度hD、切削宽度am时的切削层单位面积切削力；u为hD对单位切削力的影响程度指数。由式（6）及上述两式得回转曲面数控车削加工主切削力为：（7）3.2数控车削加工进给抗力与切深抗力进给抗力Ff、切深抗力Fp与主切削力Fc有如下经验关系式[1]：；式中Kf、Kp为由实验获得的切削力比例系数由此可得回转曲面数控车削加工进给抗力与切深抗力

4、分别为：（8）（9）3.3数控车削加工径向切削分力与轴向切削分力数控车削加工过程中，xoz平面内各切削分力如图2所示：图中Ff为进给抗力；Fp为切深抗力；Fx为径向切削分力；Fz为轴向切削分力。轴向切削分力Fz及径向切削分力Fx为：；由式（4）、（8）、（9）及上述各式得切削分力Fx与Fz为：（10）（11）4.数控车削加工切削力波动的预报由式（7）至（11）可知，回转曲面数控车削加工过程中，切削力沿轨迹线S(x,z)，随刀具切削运动方向及切削参数的变化而变化，切削力处于非稳定状态。4.1主切削力波动的预报根据式（1）

5、、（7）及刀具切入、切出时的位置和方向，令：，求得最大、最小主切削力为：式中βc1为最小Fc，刀具切削运动方向；βc2为最大Fc，刀具切削运动方向。由此得回转曲面数控车削加工主切削力波动幅值△Fc为：(12)4.2径向切削分力波动的预报根据式（1）、（10）及刀具切入、切出时的位置和方向，令：，求得最大、最小径向切削分力为：式中βx1为最小Fx，刀具切削运动方向；βx2为最大Fx，刀具切削运动方向。由此可得回转曲面数控车削加工径向切削力波动幅值△Fx为：（13）4.3轴向切削分力

6、波动的预报根据式（1）、（11）及刀具切入、切出时的位置和方向，令：，求得最大、最小轴向切削分力为：式中βz1为最小Fz，刀具切削运动方向；βz2为最大Fz，刀具切削运动方向。由此可得回转曲面数控车削加工轴向切削力波动幅值△Fz为：（14）5.切削力波动的约束及控制5.1数控车削用量优化切削力波动约束条件的建立回转曲面数控车削加工过程中，切削层参数及切削力的变化，将诱发工艺系统振动，使已加工表面形成振纹，表面粗糙度值增大。因此，数控车削用量优化必须对切削力的波动进行约束。数控车削用量优化约束条件的一

7、般形式为[5]：gi(X)≤0i=1,2,3,则主切削力及各切削分力波动应满足：；；式中δc为悬伸的车刀沿工件切削方向产生振动所允许的主切削力波动；δx为已加工表面质量所允许的径向切削力波动；δz为已加工表面质量所允许的轴向切削力波动。由式（12）、（13）、（14）得数控车削用量优化切削力的波动约束条件为：由上述约束条件及数控车削用量优化模型，经优化运算可获得基于切削力波动约束的数控车削用量优化结果（n0，vf0，ap0）。5.2数控车削加工主切削力波动的控制将数控车削用量优

8、化结果代入式（7），令，得最小主切削力为：为使主切削力保持恒定，令，得控制主切削力波动的背吃刀量为：式中Kc为主切削力波动控制系数5.3轴向与径向切削分力波动的控制将数控车削用量优化结果代入式（8）、（9），令；，得最小轴向及径向切削力为：令；，得控制轴向及径向切削力波动背吃刀量分别为：式中Kz为轴向切削力波动控制系数；Kx为径向