基于量纲分析的预测锯齿状切屑形成临界切削速度的方法与流程

本公开属于高速切削及有限元模拟技术领域，具体涉及一种基于量纲分析的预测锯齿状切屑形成临界切削速度的方法。

背景技术：

这里的陈述仅提供与本公开相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

高速切削加工是一种高效，低耗的先进加工技术，与传统切削加工相比，高速切削加工能够大幅提高加工效率，并且其切削力比传统切削加工的切削力要低30％左右，90％的切削热被切屑带走，极大地避免了加工材料在高温下的变形，提高了切削刀具的使用寿命。这些优点使其成为加工汽车、航天航空、国防等领域中常用的钛合金，镍基合金等难加工材料的首选方式。随着切削速度的增大，切屑形貌会由连续状向周期性锯齿状切屑转变，而锯齿状切屑的形成常常伴随着材料加工表面质量降低、刀具寿命缩短和加工精度下降等问题，因此研究高速切屑加工中锯齿状切屑形成的临界切削速度对金属切削加工机理的研究具有重要的意义。

发明人了解到，目前预测金属高速切削加工中锯齿状切屑形成的方法主要有两种：理论分析和有限元模拟。对于大多数理论分析方法，可以预测许多材料锯齿状切屑的形成，但通常需要进行大量复杂的理论计算；对于有限元模拟，大多数只能预测某一给定工件材料形成锯齿状切屑的临界切削速度，不具有普适性。目前还没有一种能够精确预测各种工件材料形成锯齿状切屑的普适方法。

技术实现要素：

本公开的目的是提供一种基于量纲分析的预测锯齿状切屑形成临界切削速度的方法，能够至少解决上述技术问题之一。

为实现上述目的，本公开的一个或多个实施例提供一种基于量纲分析的预测锯齿状切屑形成临界切削速度的方法，包括以下步骤：

步骤1，选择多种金属材料进行切削实验，收集各切削速度下得到的切屑，得到不同材料由连续状向锯齿状切屑转变的临界切削速度；

步骤2，确定影响锯齿状切屑形成的影响参数，通过量纲分析对各影响参数进行无量纲化处理，建立形成临界切削速度关于无量纲参数的隐式表达式；

步骤3，基于切削试验建立高速切削的有限元模型，通过切削试验中得到的实验数据验证有限元模型的可靠性；

步骤4，基于有限元模型，通过数值仿真模拟分析隐式表达式中各无量纲参数对临界切削速度的影响规律，得到不同无量纲参数所对应的临界切削速度；

步骤5，将仿真模拟分析得到的无量纲参数及对应的临界切削速度进行数值拟合，得到临界切削速度关于各个无量纲参数的显式表达式；

步骤6，将待预测材料的加工参数及热物理参数代入显式表达式，得出待预测材料由连续状向锯齿状切屑转变的临界切削速度。

以上一个或多个技术方案的有益效果为：

(1)本公开得到临界切削速度的显式表达式，可直接预测切屑由连续状向锯齿状转变的临界切削速度，无需复杂的理论计算。

(2)本公开使用经过实验验证的有限元模型，得到的结果可靠性高。

(3)本公开提供的方法能在较广的加工参数范围内对大多数金属材料形成锯齿状切屑的临界切削速度进行预测，具有普适性。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本公开实施例中基于量纲分析得到形成锯齿状切屑的临界切削速度的流程图；

图2为本公开实施例中高速切削限元模型；

图3为本公开实施例中数值模拟中形成锯齿状切屑的临界条件下的切削力时程曲线。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本公开中如果出现“上、下、左、右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。附图展示出了可以使用本公开的填充，示例中的空隙是地下的，但在其他情况下，空隙可以是地上的区域。

本公开针对以上不足，基于各种金属材料的高速切削实验，根据量纲分析和有限元模拟获得形成锯齿状切屑临界切削速度的显式表达式，该方法可以较为准确地预测大多数金属材料在高速切削中形成锯齿状切屑的临界条件。

实施例1

如图1-图3所示，本实施例提供一种基于量纲分析的预测锯齿状切屑形成临界切削速度的方法，包括以下步骤：

1.选取五种典型的金属材料，分别为镍基高温合金(in718)、钛合金(ti–6al–4v)、4330钢(alsi4340)、铝合金(al7075)和无氧铜。这五种材料的热物性质差别较大，包含易加工和难加工材料。对这五种材料进行从低速到高速的切削实验，低速切削(0.05m/s～5m/s)由数控机床实现，中高速切削(5m/s～90m/s)采用基于轻气炮的高速切削装置实现。刀具采用未涂层的p10硬质合金。每次切削都使用新的刀具以避免刀具磨损产生的影响。刀具前角和后角分别为0°和7°，刀尖半径为0.01mm，切削厚度0.1mm。

2.将不同切削速度下得到的切屑收集后进行镶样、打磨、抛光处理，采用显微镜观察各种材料在不同切削速度下的切屑形貌，得到各种材料形成锯齿状切屑的临界切削速度。

3.总结实验结果，发现锯齿状切屑的形成受加工参数和工件材料热物理性质影响。其中加工参数包括：切削速度(v)、切削厚度(b)、刀具前角(ω)和刀尖半径(r)；工件材料热物理参数包括：密度(ρ)、弹性模量(e)、泊松比(ν)、热扩散系数(λ)、比热(c)、泰勒-奎尼系数(β)、johnson-cook本构参数(a,b,c,m,n,t0,tm)和刀-屑摩擦系数(μ)。

因此形成锯齿状切屑的临界切削速度vc与以下因素有关：b、ω、r、μ、ρ、e、ν、λ、c、β、a、b、c、n、m、t0和tm。通过量纲分析，使用vashy-buckinghan定理可以得到无量纲临界切削速度与各个无量纲影响参数的隐式表达式：

式(1)中各个无量纲参数分别为：

4.在本实施例中，考虑到泊松比ν、刀尖半径r、参考温度t0、刀-屑摩擦系数μ和泰勒-奎尼系数β相对较为固定，因此设定为常数，即ν＝0.3,r＝0°,t0＝300k,μ＝0.3,β＝0.9，由此公式(1)可简化为：

5.建立高速切削有限元模型，如图2所示，开展高速切削数值仿真模拟，并通过第2步中的实验数据验证模型的可靠性。基于该有限元模型可以得到不同材料参数和加工参数情况下形成锯齿状切屑的临界切削速度。本实施例中的临界切削速度vc，定义为切削力震荡程度达到10％时所对应的切削速度，如图3所示。

6.在一定范围内改变公式(2)右端的某一无量纲参数，同时保持其它无量纲参数的大小不变，通过有限元模拟得到不同无量纲参数所对应的形成锯齿状切屑的临界切削速度，进一步对得到的模拟数据进行数值拟合，建立无量纲临界切削速度随各无量纲参数的变化关系。

在本实施例中各个参数的变化范围如下：

1×10^-6≤λ≤1×10^-3m²/s，50≤e≤300gpa，100≤a≤1400mpa，100≤b≤1400mpa，0.1≤n≤1，0.005≤c≤0.05，0.5≤m≤2，700≤tm≤2300k，2500≤ρ≤9000kg/m³，200≤c≤1000j/(kg·k)，50≤b≤400μm，-15°≤ω≤15°

每个无量纲参数在以上变化范围内取20个值，通过有限元模拟得到对应的20个临界切削速度。对应公式(2)右端的10个无量纲参数可以得到200个数据点，对这200个数据点进行数值拟合，得到无量纲临界切削速度与10个无量纲参数(c，n，m，ω)的变化关系，即

7.由于无量纲的临界切削速度分别与f1、f2、f3、f4、f5、f6和f7成正比例关系，因此与f1、f2、f3、f4、f5、f6和f7的乘积也成正比，由此我们可以得到无量纲的临界切削速度关于无量纲参数n，m，c,ω的显式表达式，即：

其中φ＝e^{1.5tan(45°+ω)-1.5}，

通过显式表达式(10)，只要给定工件材料的热物理参数和加工参数，便可以预测出切屑由连续状向锯齿状转变的临界切削速度，从而为切削加工提供指导。另外，由于本实施例中各个参数的变化范围非常广，涵盖了各种常用工件材料，因此是普遍适用的。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。