(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211228312.9 (22)申请日 2022.10.09 (71)申请人 杭州电子科技大 学 地址 310018 浙江省杭州市下沙高教园区2 号大街 (72)发明人 倪敬　苏忠跃　童康成　蒙臻　 (74)专利代理 机构 杭州君度专利代理事务所 (特殊普通 合伙) 33240 专利代理师 陈炜 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 30/28(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种精密复杂刀具的切削性能预测方法 (57)摘要 本发明公开了一种精密复杂刀具的切削性 能预测方法。 该方法如下： 一、 在有限元仿真软件 中构建包含被测刀具和工件的热力耦合切削仿 真模型， 并进行网格划分、 装配定位和参数设定。 二、 构建修正的本构模型和 刀屑摩擦模型。 三、 热 力耦合切削仿真模型利用更新的材料流变应力 和屈服强度进行解算， 得到切削仿真结果； 切削 仿真结果中包括温度、 接触区应力、 切屑分布和 切屑形态。 四、 根据切削仿真结果判断被测精密 复杂刀具的性能。 本发明构建修正的本构模型和 刀屑摩擦模型， 提高了热力耦合切削仿真模型的 仿真结果的准确性， 从而能够通过仿真的方式对 精密复杂刀具的切削性能进行 预测和仿真测试。 权利要求书1页 说明书6页 附图1页 CN 115544687 A 2022.12.30 CN 115544687 A 1.一种精密复杂 刀具的切削性能预测方法， 其特 征在于： 包括以下步骤： 步骤一、 在有限元仿真软件中构建包含被测刀具和工件的热力耦合切削仿真模型， 并 进行网格划分、 装配定位和参数设定； 步骤二、 构建本构模型和刀屑 摩擦模型， 使用热力耦合切削仿真模型模拟被测刀具对 工件的切削过程， 并利用本构模 型获得更新的材料流变应力σref， 利用刀屑摩 擦模型获得更 新的屈服强度σ； 不断更新被测刀具的材 料流变应力σref和屈服强度σ； 2‑1.构建本构模型， 其表达式如下： 其中， 材料流变应力σref； σJC为材料单轴拉伸热粘弹塑性流变应力； αC为塑性材料常系 数； G为工件的剪切模量； b为Burgers矢量大小； η为应 变梯度； μ为摩擦系数； 材料单轴拉伸热粘弹 塑性流变应力σJC的表达式如下： 其中， ρSSD为统计位 错密度； 2‑2.构建刀屑摩擦模型， 其表达式如下： 其中， 屈服强度σ； τ为摩擦应力； τs为临界剪切屈服强度； σn为法向应力； σ0为参考状态 下的屈服强度； β、 n为两个加工硬化参数； ε为应变率； εi为初始等效塑性应变； σ ′P为参考压 力下的屈服强度的导数； P为被测刀具受到的压力； G ′T为参考温度 下的剪切模量的导数； G0 为参考状态下的剪切模量； T为温度； 步骤三、 热力耦合切削仿真模型利用更新的材料流变应力σref和屈服强度σ 进行解算， 得到切削仿真结果； 切削仿真结果中包括温度、 接触区应力、 切屑分布和 切屑形态； 步骤四、 根据切削仿真结果判断被测刀具的性能。 2.根据权利要求1所述的一种精密复杂刀具的切削性 能预测方法， 其特征在于： 步骤一 中设定的参数包括材料属性、 分析步及输出变量、 精密复杂刀具与工件之 间的接触约束、 精 密复杂刀具的运动特性和载荷。 3.根据权利要求1所述的一种精密复杂刀具的切削性 能预测方法， 其特征在于： 所述的 网格划分的过程中， 精密复杂刀具和工件接触区域及其周边预设宽度的区域的网格密度大 于其他区域的网格密度。 4.根据权利要求1所述的一种精密复杂刀具的切削性 能预测方法， 其特征在于： 步骤三 中， 若仿真结果不收敛， 收敛的结果大于差异阈值， 则重新进入步骤一， 进 行网格划分、 装配 定位和参数设定 。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115544687 A 2一种精密复杂刀具 的切削性能预测方 法 技术领域 [0001]本发明涉及刀具切削性能预测方法领域， 具体是涉及一种精密复杂刀具的切削性 能预测方法。 背景技术 [0002]枞树型拉刀、 燕尾型铣刀等精密复杂刀具切 削加工因其具有生产效率高、 加工范 围广以及加工精度高等特点， 被广泛应用于航空航天、 能源、 模具以及汽车等行业， 经常被 用来加工像超级合金等难加工材料。 但是精密复杂刀具制造困难、 成本高以及精度要求高， 并且在切削过程存在切削负载大、 刀 ‑工‑屑接触区域温度高等问题， 这些因素极易影响加 工表面质量。 因此有必要研究切削过程以期调控精密 复杂刀具的切削质量。 但仅利用传统 实验手段研究精密复杂刀具难度大、 成本高、 效率低， 且很难捕捉切削动态过程中的各项参 数的变动。 切削过程有限元仿真能有效地弥补传统手段的缺陷， 通过仿真软件来完成切削 刀具的高性能预测。 [0003]精密复杂刀具的高性能建模主要包括刀具、 材料本构、 刀屑摩擦等模型。 利用上述 模型能有效地仿真预测精密 复杂刀具在切削过程中的温度、 应力、 刀具磨损以及刀屑粘结 等情况， 从而根据上述的相关数据来优化精密 复杂刀具 的切削性能预测。 虽然刀具 的切削 性能预测仿真有很多优点， 但是还需要对其预测精度进行进一步优化， 进而加快精密复杂 刀具的研发和生产， 加速我国航 天航空、 能源、 模 具、 汽车以及国 防军工事业的发展。 实现这 些目标就要对精密复杂刀具的刀具模型、 材料本构模型、 刀屑摩擦模 型、 材料动态流变特性 以及刀屑间时变热力耦合粘结滑移模型等方面进行更加深入的研究。 目前， 很多学者在进 行拉削等切削仿 真时， 所运用的刀具模 型种类不全， 且模型精度不高， 以至于造成无法准确 展现刀具在切削过程中温度、 应力、 刀具磨损以及刀屑粘结等情况， 无法完成精密复杂刀具 的切削性能预测。 发明内容 [0004]本发明针对目前小切深下切 削仿真精度低、 难以反映现实加工过程等问题， 提供 一种精密复杂刀具的切削性能预测方法。 本发明是一种级联修正材料本构模型和刀屑摩擦 模型的仿真方法； 是一种基于位错密度理论修正表层材料动态流变特性的方法； 是一种基 于已修正本构模型继续开展刀屑摩擦模型修正的仿真方法； 是一种基于SCG方程提出刀屑 间时变热力耦合粘结滑 移新摩擦模型的仿真方法。 [0005]一种精密复杂刀具的切削性能预测方法， 采用含有修正的本构模型和刀屑摩擦模 型的热力耦合切削仿真模型进行切削刀具的切削性能测试， 其包括以下步骤： [0006]步骤一、 在有限元仿真软件中构建包含被测精密复杂刀具和工件的热力耦合切削 仿真模型， 并进行网格划分、 装配定位和参数设定 。 [0007]步骤二、 构建本构模型和刀屑摩擦模型， 使用热力耦合切 削仿真模型模拟被测刀 具对工件的切削过程， 并利用本构模 型获得更新的材料流变应力σref， 利用刀屑摩 擦模型获说　明　书 1/6 页 3 CN 115544687 A 3