基于改进粒子群算法的刀具瞬时铣削力预测研究

针对刀具微元铣削力模型预测精度低的问题,建立了基于刀具径向跳动的瞬时铣削力模型,采用改进惯性权重的粒子群算法(IWPSO)对模型进行系数求解。通过改进粒子群算法,避免算法过早收敛而陷入局部最优,提高了算法的速度和精度,降低了模型系数的求解难度,从而减小模型预测铣削力的误差。通过与线性拟合方法求解的铣削力系数对比,在0～0.1s内铣削力预测波形图的波谷与实际铣削力波形图误差较小(5%以内),验证了此模型的精度更高。采用不同铣削参数进行实验,验证了铣削力预测模型预测铣削力的准确性,对实际的铣削加工有着重要意义。     

脆性材料微铣削理论及微铣削力模型研究

从脆性材料塑性域铣削机理和特点出发,建立了微径球头铣刀几何模型,改进了瞬时切厚模型,利用合理的切削力微元模型建立了脆性材料铣削瞬时的铣削力解析模型;以石英玻璃为工件材料,基于改进的实验平台进行球头铣刀微铣削试验,并获取了铣削力实验数据,回归出了所建模型中的切削力系数。利用试验对模型进行验证分析,结果表明所建模型具有良好的适用性。     

钛合金TC11铣削力分析与建模

基于单位切削力系数法,建立了侧铣钛合金时的切削力预报模型。文中将微元切向分力、微元径向分力、微元轴向分力分别用刀面单位剪力系数和刀腹单位犁入力系数的组合来描述,切削合力则通过沿切削刃进行积分而获得。实验结果表明,仿真的铣削力曲线无论在形状上还是幅值大小以及波形变化趋势等方面都与实际测得的铣削力吻合一致。     

基于改进粒子群优化算法的变截面涡旋盘瞬时铣削力模型参数求解

针对变截面涡旋盘瞬时铣削力预测存在的多元非线性难题,从涡旋盘实际铣削过程出发,建立了考虑刀具跳动的瞬时铣削力数学模型,提出了一种基于改进粒子群优化算法（PSO）对铣削力模型参数进行求解的方法,以提高瞬时铣削力预测模型精度。通过4组不同铣削参数下的瞬时铣削力实验对该方法进行验证,结果表明：该方法求解得到的变截面涡旋盘瞬时铣削力与实验测得的瞬时铣削力在形状和峰值处有较高的吻合度,4组实验的峰值误差在15%以内;采用自适应惯性权重和随机扰动因子的改进PSO算法能够有效地提高变截面涡旋盘瞬时铣削力系数辨识的收敛速度和收敛效果,还能提高算法整体搜索能力。该方法只需较少的实验次数就能辨识出较高精度的模型参数,比平均铣削力求解方法的实验成本更低,对涡旋盘的加工具有重要参考价值。     

基于傅立叶级数的球头刀铣削力模型

球头刀铣削广泛应用于复杂曲面零件的加工,精确的铣削力模型是加工过程控制优化的基础。本文分析了球头刀的铣削过程,将剪切系数拟为微元刀刃轴向高度的多项式,对考虑剪切与犁切双重效应的周期性铣削力进行傅立叶变换,建立了铣削力的傅立叶级数形式。加工实验表明,应用本文方法的预测结果与测量得到的铣削力吻合良好,铣削力模型的有效性得到了验证。     

一种螺旋刃球头铣刀的动态铣削力模型

针对高速铣削中广泛应用的螺旋刃球头铣刀建立刀具微元的铣削力模型,给出了瞬时切削厚度的计算方法,通过积分得出了一种新的整体铣削力模型。该模型考虑了动态铣削时刀杆振动对铣削力的影响,实验数据与仿真结果吻合较好,验证了该模型的正确性。     

钛合金型面侧壁铣削力建模与仿真

钛合金型面件侧壁的铣削一般采用整体硬质合金立铣刀进行加工,因切削力的影响,加工过程较难控制且会产生零件变形,对铣削力进行建模和预测是控制加工变形的有效措施。通过圆柱螺旋立铣刀微元切削力矢量求和及合成,建立了整体立铣刀侧面铣削过程中的瞬态切削力预测模型;采用不同进给速度条件下的铣削力辨识试验,并对平均切削力试验数据进行数值线性拟合,获得了钛合金侧面铣削试验圆柱螺旋立铣刀的剪切力和犁耕力系数。计算了不同切削参数下的四刃整体硬质合金立铣刀的瞬时切削力,并结合钛合金侧面铣削试验验证了所建立的仿真模型的有效性。这为钛合金结构件侧面铣削加工工艺参数的制定和优化选择提供了理论指导依据。     

铣削力的傅立叶级数建模与实验

建立了一种采用傅立叶级数的铣削力模型用以描述铣削加工过程的物理状态,考虑了铣削过程的剪切机制与犁切机制,建立了沿刀具轴向的微元刀刃的铣削力模型,通过傅立叶变换将刀具总的铣削力表示为傅立叶级数形式。给出了通过槽铣实验的平均铣削力回归切削力系数的方法,采用测力仪在数控机床上进行了铣削实验,通过实验数据回归出了立铣刀的切削系数,对比了模型预测值和实验实测值,结果吻合良好,从而验证了铣削力模型。     

瞬时铣削力数学模型及验证

在实际铣削加工中,由于铣削的断续性以及铣刀的多齿性,使得铣削力呈动态变化,动态变化的铣削力是造成工艺系统振动和工件变形的主要因素,因此建立准确的动态铣削力预测模型,是研究铣削加工工艺参数优化、铣刀结构参数优化和加工表面形貌预测的基础,并且对指导实际加工生产具有重要的意义。以微元铣削力为基础,通过计算某一时刻参与铣削的切削刃长度构造瞬时铣削力数学模型,并且结合试验验证了此模型的有效性,此模型为优化铣削加工提供了理论依据。     

粒子群优化模糊系统的铣削力建模方法

根据铣削力的特点,提出用模糊系统进行铣削力建模的新方法.根据铣削力的特点和研究目的,设计钛合金铣削试验,试验在数控铣床上进行,用测力仪进行铣削力测量,由试验得到铣削力的训练数据和测试数据.在分析基本粒子群算法优缺点的基础上,将梯度下降算法嵌入基本粒子群算法形成改进粒子群算法.通过训练数据分别用梯度下降算法、基本粒子群算法和改进粒子群算法训练模糊系统,改进粒子群算法的收敛效果优于梯度下降算法和基本粒子群算法.用回归分析对铣削力进行建模,回归函数分别取为指数形式与线性全因子多项式形式,这样得到两种铣削力经验公式.用测试数据对各方法得到的模型分别进行测试,改进粒子群算法训练模糊系统的预测效果优于其他方法.预测结果验证了用改进粒子群算法训练的模糊系统进行铣削力建模是可行的.     

高速铣削过程铣削力建模及析因试验分析

根据铣削过程和铣刀的几何模型,建立铣削力的瞬时表达式和平均切削力公式,给出基于响应曲面法的切削力系数的二次多项式。综合应用析因试验设计和统计分析理论,计算切削力系数的回归系数模型并分析了切削参数对切削力系数的影响规律。     

ANALYTICAL MODELING OF MICRO END-MILLING FORCES WITH EDGE RADIUS AND MATERIAL STRENGTHENING EFFECTS

The study aims at developing a predictive analytical force model for the micro end-milling operation taking into account the material strengthening as well as the edge radius effects that come into play at the micro level. The mechanistic models for macro end-milling process have been extensively reported in literature and such models predominantly use milling force coefficients which are empirically determined from end-milling experiments. The proposed model for micro end-milling is based on determination of milling force coefficients from fundamental oblique cutting approach. The edge radius effect has been accounted by analyzing the rubbing action similar to the rolling of a cylinder over work surface. Johnson-Cook material model has been modified based on the strain gradient plasticity theory incorporating the increase in material strength with decreasing uncut chip thickness. From the micro orthogonal cutting experiments, a good agreement between the experimental and predicted shear strength values is observed. The force model is validated against measured forces in end-milling experiments carried out on the KERN Evo 5 axis micro machining center. The feed and lateral forces are predicted within 10% deviation on an average.     

THE GEOMETRY, SPECIFICATION AND PREDICTIVE FORCE MODELS FOR PLANE FACED BALL-END MILLING CUTTERS AND OPERATIONS

In this paper the geometry and specification of ball-end milling cutters are studied and discussed followed by an outline of the development of computer-aided predictive models for the three force components, torque and power in plane faced ball-end milling operations, based on the 'Unified-Generalised Mechanics of Cutting Approach'. The models allow for six milling modes, namely; slotting, 'on-centre' end-milling and 'off-centre' end-milling, each machining at the cutter ball-end cutting edge only or at the cutter ball-end and cylindrical periphery cutting edges for two or more flute cutters. The models include all the tool and cut geometrical variables and the cutting speed as well as the tool-workpiece material combination (via the database of basic cutting quantities). The models are verified through extensive numerical simulation studies and a comprehensive experimental testing programme. Good qualitative and quantitative correlation has been found between predicted and measured fluctuating and average force components and torque.     

薄壁件不一致刀齿铣削时铣削力系数构造与预测

针对薄壁件铣削过程中刀齿半径不一致现象引起的铣削力系数计算失真问题,提出构造刀齿半径不一致时的实际铣削力系数,并采用核偏最小二乘法对不同铣削用量时的实际铣削力系数进行预测。针对两齿螺旋铣刀铣削过程推导理论铣削力系数,根据刀齿半径不一致铣削过程引入名义铣削力,推导刀齿半径误差,构造实际铣削力系数;基于核分析方法突出的非线性分析及预测能力,提出采用核偏最小二乘法在高维空间建立实际铣削力系数关于铣削用量及其组合量的预测模型,分析该方法中核主元个数、高斯核函数核参数对预测模型精度的影响并确定其取值范围。最后分析考虑刀齿半径误差与不考虑时的铣削力系数,并比较核偏最小二乘预测方法与偏最小二乘预测方法,结果表明所提铣削力系数构造过程及预测方法具有较高的计算精度和预测能力。     

PCrNi3MoVA高速侧铣加工研究

PCrN娼MoVA是一种应用广泛的高强度钢，主要应用于炮筒和小型炮后备箱的制造。本文主要研究了利用直径10mm的整体硬质合金铣刀高速侧铣PCrNi3MoVA钢时的铣削力，以及加工后表面粗糙度的情况。同时与端铣加工进行对比，找到了2种加工方式影响粗糙度和铣削力的主要因素，并总结了铣削力的预测公式。     

基于刀具磨损映射关系的微细铣削力理论建模与试验研究

微细铣削加工过程中,刀具直径小且磨损较快,刀具磨损对微细铣削力有着明显的非线性影响,同时刀具跳动又对刀具每齿的磨损表现出不同的影响效应,这些影响因素会导致加工过程的不稳定性和精度。然而,目前缺乏考虑具有刀具跳动和磨损效应的通用微细铣削力模型,研究了刀具跳动与刀具每齿磨损量之间的变化规律,提出了一种同时包括刀具跳动和刀具磨损效应的新型的微细铣削力模型。该模型中,根据刀具每齿磨损量与切削位置的几何关系,改进了瞬时切削厚度模型,基于不同切削刃所对应的受力情况,同时将刀具直径方向上磨损变化量与力模型系数相关联,从而来提高力模型的精确度。最后,通过不同铣削参数下的铣削试验,论证了所提出模型的准确性和有效性。利用所提出的模型,可以通过监测铣削力的大小来辨别刀具尺寸是否在可持续铣削的范围内,从而提高微铣削的加工精度和效率。     

基于球头微铣刀的铣削力建模与试验研究

以光学玻璃材料为加工对象,基于铣削力微元分析方法,建立了微铣削力理论模型,并通过试验研究对理论分析进行了验证,结果表明,理论计算模型与实验实测的结果较为吻合,球头铣刀动态铣削力模型与实测铣削力曲线总体趋势基本吻合,其误差范围在20%以内。     

Mechanical behavior and semiempirical force model of aerospace aluminum alloy milling using nano biological lubricant

Aerospace aluminum alloy is the most used structural material for rockets, aircraft, spacecraft, and space stations. The deterioration of surface integrity of dry machining and the insufficient heat transfer capacity of minimal quantity lubrication have become the bottleneck of lubrication and heat dissipation of aerospace aluminum alloy. However, the excellent thermal conductivity and tribological properties of nanofluids are expected to fill this gap. The traditional milling force models are mainly based on empirical models and finite element simulations, which are insufficient to guide industrial manufacturing. In this study, the milling force of the integral end milling cutter is deduced by force analysis of the milling cutter element and numerical simulation. The instantaneous milling force model of the integral end milling cutter is established under the condition of dry and nanofluid minimal quantity lubrication (NMQL) based on the dual mechanism of the shear effect on the rake face of the milling cutter and the plow cutting effect on the flank surface. A single factor experiment is designed to introduce NMQL and the milling feed factor into the instantaneous milling force coefficient. The average absolute errors in the prediction of milling forces for the NMQL are 13.3%, 2.3%, and 7.6% in the x-, y-, and z-direction, respectively. Compared with the milling forces obtained by dry milling, those by NMQL decrease by 21.4%, 17.7%, and 18.5% in the x-, y-, and z-direction, respectively.