1.本发明涉及线切割领域，特别涉及一种计算线切割切削力的方法。
背景技术：2.如今，硬脆晶体材料已广泛应用生活的各行各业中，硬脆材料加工过程通常利用金刚石线切割方式。对于线切割工艺可以根据其切片数量可分为多线切割和单线切割，根据磨料的方式可分为固结磨料和游动磨料。由于多线切割具有效率高等特点，在工业实际生产加工中，大多采用多线切割方式。
3.在线切割加工过程中，由于金刚石线受到切削力的作用，会产生线弓现象导致切削力产生非线性变化，当线弓形成过程中，切削力大小会随着线弓变化而非线性增加，线弓稳定后，切削力也趋于稳定，由于其线弓变化的不确定性会导致切削力理论计算非常复杂，因此，有必要发明一种能够有效便捷的计算在切削加工过程中线切割切削力的方法。
技术实现要素：4.为了解决上述问题，本发明提供本发明采用的技术方案是：一种考虑线弓的计算线切割切削力的方法，包括以下步骤：
5.建立线切割加工过程中计算切削力理论数学模型；
6.基于线切割机在不同设定下，线锯对物料进行切割，分别得到多组切削力实验数据；
7.基于多组切削力实验数据中的任意一组试验数据，结合线弓稳定时切削力模型及线弓相关参数公式，得到法向材料系数和切向材料系数；
8.基于法向材料系数和切向材料系数，结合切削力理论数学模型，得到物料系数k
p
，进而得到该物料系数的切削力数学模型；
9.根据所述该物料系数的切削力数学模型，得到不同设定下的实时切削力。
10.进一步地：所述切削力理论数学模型的表达式如下：
[0011][0012]
式中，vf代表进给速度，单位为mm/h，dm代表金刚石线直径，单位为mm，l代表物料宽度，单位为mm，l代表金刚石线跨距，单位为mm，vc代表走线速度，单位为m/s，k
p
代表preston系数，单位为μm2/n，f表示线张力，单位为n，e表示金刚石线弹性模量，单位为mpa，i表示金刚石线惯性矩，单位为m4，t为切削时间，单位为s，k1为法向材料系数，k2为切向材料系数，fn代表法向切削力，单位为n，ft代表切向切削力，单位为n。
[0013]
进一步地：所述线弓稳定时切削力模型的表达式如下：
[0014][0015]
其中：α3为线弓紧边圆弧转角，α4为线弓松边圆弧转角，r为拟合圆弧半径，vf代表进给速度，单位为mm/h，dm代表金刚石线直径，单位为mm，k1为法向材料系数，k2为切向材料系数，fn代表法向切削力，单位为n，ft代表切向切削力，单位为n，r为金刚石线半径，单位为mm。
[0016]
进一步地：所述线弓相关参数公式包括线弓圆弧表达式和线弓挠度表达式；所述线弓圆弧表达式如下：
[0017][0018]
其中：vf代表进给速度，单位为mm/h，r代表金刚石线半径，单位为mm，l代表物料宽度，单位为mm，l代表金刚石线跨距，单位为mm，vc代表走线速度，单位为m/s，f表示线张力，单位为n，e表示金刚石线弹性模量，单位为mpa，i表示金刚石线惯性矩，单位为m4。
[0019]
进一步地：所述线弓挠度表达式如下：
[0020][0021]
其中：w1为线弓紧边挠度，w2为线弓松边挠度。
[0022]
进一步地：所述切割使用的线锯为金刚石磨料涂覆线锯或钢线锯。
[0023]
进一步地：所述不同设定为：走线速度、进给速度、线张力三个变量中同时只有一个变量变化，另外两个变量保持不变。
[0024]
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有包括计算机程序，其中，所述计算机程序运行时，执行所述的一种考虑线弓的计算线切割切削力的方法。
[0025]
本发明提供的一种考虑线弓的计算线切割切削力的方法，具有以下优点：
[0026]
该方法可以为在线切割加工过程中提供有效的理论计算基础，用以便于在加工时选择线切割走线速度、进给速度的大小，提高切片质量。
附图说明
[0027]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0028]
图1为本发明具体实施过程中一种计算线切割加工过程切削力的方法具体流程示意图；
[0029]
图2原始张力为20n未拟合时得实验数据图；
[0030]
图3原始张力为20n实验数据拟合后得结果图；
[0031]
图4为线张力为20n时法向切削力实验值与理论值对比图；
[0032]
图5为线张力为20n时切向切削力实验值与理论值对比图；
[0033]
图6为线张力为25n时法向切削力实验值与理论值对比图；
[0034]
图7为线张力为25n时切向切削力实验值与理论值对比图；
[0035]
图8为线张力为30n时法向切削力实验值与理论值对比图；
[0036]
图9为线张力为30n时切向切削力实验值与理论值对比图；
[0037]
图10为进给速度为40mm/h时法向切削力实验值与理论值对比图；
[0038]
图11为进给速度为40mm/h时切向切削力实验值与理论值对比图；
[0039]
图12为进给速度为50mm/h时法向切削力实验值与理论值对比图；
[0040]
图13为进给速度为50mm/h时切向切削力实验值与理论值对比图；
[0041]
图14为进给速度为60mm/h时法向切削力实验值与理论值对比图；
[0042]
图15为进给速度为60mm/h时切向切削力实验值与理论值对比图；
[0043]
图16为走线速度为12.5m/s时法向切削力实验值与理论值对比图；
[0044]
图17为走线速度为12.5m/s时切向切削力实验值与理论值对比图；
[0045]
图18为走线速度为15m/s时法向切削力实验值与理论值对比图；
[0046]
图19为走线速度为15m/s时切向切削力实验值与理论值对比图；
[0047]
图20为走线速度为17.5m/s时法向切削力实验值与理论值对比图；
[0048]
图21为走线速度为17.5m/s时切向切削力实验值与理论值对比图。
具体实施方式
[0049]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0050]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0051]
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发明的示例性实施方式。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。
[0052]
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
[0053]
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
[0054]
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并
且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
[0055]
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
[0056]
图1为本发明具体实施过程中一种计算线切割加工过程切削力的方法具体流程示意图；
[0057]
一种考虑线弓的计算线切割切削力的方法，包括以下步骤
[0058]
s1:建立线切割加工过程中计算切削力理论数学模型；
[0059]
所述切削力理论数学模型的表达式如下：
[0060][0061]
式中，vf代表进给速度，单位为mm/h，dm代表金刚石线直径，单位为mm，l代表物料宽度，单位为mm，l代表金刚石线跨距，单位为mm，vc代表走线速度，单位为m/s，k
p
代表preston系数，单位为μm2/n，f表示线张力，单位为n，e表示金刚石线弹性模量，单位为mpa，i表示金刚石线惯性矩，单位为m4，t为切削时间，单位为s，k1为法向材料系数，k2为切向材料系数；fn代表法向切削力，单位为n，ft代表切向切削力，单位为n；
[0062]
s2:基于线切割机在不同设定下，线锯对物料进行切割，分别得到多组切削力实验数据；
[0063]
分别建立不同走线速度、进给速度、线张力的线切割机上线锯切割实验过程，分别以不同走线速度、进给速度、线张力进行实验，
[0064]
所述不同设定为：走线速度、进给速度、线张力三个变量中同时只有一个变量变化，另外两个变量保持不变；即走线速度变化，进给速度、线张力保持不变；
[0065]
进给速度变化，走线速度和线张力保持不变；
[0066]
线张力变化，走线速度和进给速度保持不变；在实验中用传感器采集在多线切割机工作时每个时刻的切削力数据。
[0067]
s3:基于多组切削力实验数据中的任意一组试验数据，带到公式(1)中得到，实验数据fn、ft；结合线弓稳定时切削力模型及线弓相关参数公式，得到法向材料系数和切向材料系数；
[0068]
进一步地：所述线弓稳定时切削力模型的表达式如下：
[0069][0070]
其中：α3为线弓紧边圆弧转角，α4为线弓松边圆弧转角，r为拟合圆弧半径，vf代表进给速度，单位为mm/h，dm代表金刚石线直径，单位为mm，k1为法向材料系数，k2为切向材料系数。fn代表法向切削力，单位为n，ft代表切向切削力，单位为n，r为金刚石线半径，单位为mm，
[0071]
进一步地：所述线弓相关参数公式包括线弓圆弧表达式和线弓挠度表达式；所述线弓圆弧表达式如下：
[0072][0073]
其中：vf代表进给速度，单位为mm/h，r代表金刚石线半径，单位为mm，l代表物料宽度，单位为mm，l代表金刚石线跨距，单位为mm，vc代表走线速度，单位为m/s，f表示线张力，单位为n，e表示金刚石线弹性模量，单位为mpa，i表示金刚石线惯性矩，单位为m4。
[0074]
进一步地：所述线弓挠度表达式如下：
[0075][0076]
其中：w1为线弓紧边挠度，w2为线弓松边挠度，
[0077]
s4:基于法向材料系数和切向材料系数，结合切削力理论数学模型(即将法向材料系数和切向材料系数代入公式(1)中)，得到物料系数k
p
，进而得到该物料系数的切削力数学模型；
[0078]
s5:根据所述该物料系数的切削力数学模型，得到不同设定下的实时切削力。
[0079]
所述s1、s2、s3、s4、s5顺序执行；
[0080]
同一物料的k1、k2、kp参数是相同的；
[0081]
进一步地：所述切割使用的线锯为金刚石磨料涂覆线锯或钢线锯。
[0082]
本次所述切削力理论数学模型中的参数，通过结合具体待切割物料、多线切割机具体参数范围、规格、以及线锯参数确定。
[0083]
在所述步骤s2中，建立物料在不同走线速度、进给速度、线张力的线切割机上线锯切割过程，分别在多线切割机上进行实验，实验时通过传感器来测量在实验过程中切削力得大小。
[0084]
在步骤s5中理论计算使用的走线速度，进给速度，线张力与实验过程使用的相同。
[0085]
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有包括计算机程序，其中，所述计算机程序运行时，执行所述的一种考虑线弓的计算线切割切削力的方法。
[0086]
确定不同实验得线张力、走线速度、进给速度得数值大小，本次实验选定数值大小如下表1所示
[0087]
表1本次实验选定参数
[0088]
线张力(n)走线速度(m/s)进给速度(mm/h)204012.53550153060175
[0089]
实验原始数据如图2所示，将实验数据导入matlab中，在matlab中进行编程，将实验数据拟合成一条光滑的曲线，拟合后如图3所示；
[0090]
将式1在matlab中进行编程，对不同线张力、走线速度、进给速度进行计算，得到切削力理论计算值。
[0091]
将实验数据拟合后得结果与理论计算结果进行对比，
[0092]
图4为线张力为20n时法向切削力实验值与理论值对比图；
[0093]
图5为线张力为20n时切向切削力实验值与理论值对比图；
[0094]
图6为线张力为25n时法向切削力实验值与理论值对比图；
[0095]
图7为线张力为25n时切向切削力实验值与理论值对比图；
[0096]
图8为线张力为30n时法向切削力实验值与理论值对比图；
[0097]
图9为线张力为30n时切向切削力实验值与理论值对比图；
[0098]
图10为进给速度为40mm/h时法向切削力实验值与理论值对比图；
[0099]
图11为进给速度为40mm/h时切向切削力实验值与理论值对比图；
[0100]
图12为进给速度为50mm/h时法向切削力实验值与理论值对比图；
[0101]
图13为进给速度为50mm/h时切向切削力实验值与理论值对比图；
[0102]
图14为进给速度为60mm/h时法向切削力实验值与理论值对比图；
[0103]
图15为进给速度为60mm/h时切向切削力实验值与理论值对比图；
[0104]
图16为走线速度为12.5m/s时法向切削力实验值与理论值对比图；
[0105]
图17为走线速度为12.5m/s时切向切削力实验值与理论值对比图；
[0106]
图18为走线速度为15m/s时法向切削力实验值与理论值对比图；
[0107]
图19为走线速度为15m/s时切向切削力实验值与理论值对比图；
[0108]
图20为走线速度为17.5m/s时法向切削力实验值与理论值对比图；
[0109]
图21为走线速度为17.5m/s时切向切削力实验值与理论值对比图。
[0110]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
技术特征：1.一种考虑线弓的计算线切割切削力的方法，其特征在于：包括以下步骤建立线切割加工过程中计算切削力理论数学模型；基于线切割机在不同设定下，线锯对物料进行切割，分别得到多组切削力实验数据；基于多组切削力实验数据中的任意一组试验数据，结合线弓稳定时切削力模型及线弓相关参数公式，得到法向材料系数和切向材料系数；基于法向材料系数和切向材料系数，结合切削力理论数学模型，得到物料系数k
p
，进而得到该物料系数的切削力数学模型；根据所述该物料系数的切削力数学模型，得到不同设定下的实时切削力。2.根据权利要求1所述的一种考虑线弓的计算线切割切削力的方法，其特征在于：所述切削力理论数学模型的表达式如下：式中，v
f
代表进给速度，单位为mm/h，d
m
代表金刚石线直径，单位为mm，l代表物料宽度，单位为mm，l代表金刚石线跨距，单位为mm，v
c
代表走线速度，单位为m/s，k
p
代表preston系数，单位为μm2/n，f表示线张力，单位为n，e表示金刚石线弹性模量，单位为mpa，i表示金刚石线惯性矩，单位为m4，t为切削时间，单位为s，k1为法向材料系数，k2为切向材料系数，fn代表法向切削力，单位为n，ft代表切向切削力，单位为n。3.根据权利要求1所述的一种考虑线弓的计算线切割切削力的方法，其特征在于：所述线弓稳定时切削力模型的表达式如下：其中：α3为线弓紧边圆弧转角，α4为线弓松边圆弧转角，r为拟合圆弧半径，v
f
代表进给速度，单位为mm/h，d
m
代表金刚石线直径，单位为mm，k1为法向材料系数，k2为切向材料系数，
fn代表法向切削力，单位为n，ft代表切向切削力，单位为n，r为金刚石线半径，单位为mm。4.根据权利要求1所述的一种考虑线弓的计算线切割切削力的方法，其特征在于：所述线弓相关参数公式包括线弓圆弧表达式和线弓挠度表达式；所述线弓圆弧表达式如下：其中：v
f
代表进给速度，单位为mm/h，r代表金刚石线半径，单位为mm，l代表物料宽度，单位为mm，l代表金刚石线跨距，单位为mm，v
c
代表走线速度，单位为m/s，f表示线张力，单位为n，e表示金刚石线弹性模量，单位为mpa，i表示金刚石线惯性矩，单位为m4。5.根据权利要求1所述的一种考虑线弓的计算线切割切削力的方法，其特征在于：所述线弓挠度表达式如下：其中：w1为线弓紧边挠度，w2为线弓松边挠度。6.根据权利要求1所述的一种考虑线弓的计算线切割切削力的方法，其特征在于：所述切割使用的线锯为金刚石磨料涂覆线锯或钢线锯。7.根据权利要求1所述的一种考虑线弓的计算线切割切削力的方法，其特征在于：所述不同设定为：走线速度、进给速度、线张力三个变量中同时只有一个变量变化，另外两个变量保持不变。8.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有包括计算机程序，其中，所述计算机程序运行时，执行所述权利要求1-7任一项所述的一种考虑线弓的计算线切割切削力的方法。
技术总结本发明一种考虑线弓的计算线切割切削力的方法，包括以下步骤建立线切割加工过程中计算切削力理论数学模型；基于线切割机在不同设定下，线锯对物料进行切割，分别得到多组切削力实验数据；基于多组切削力实验数据中的任意一组试验数据，结合线弓稳定时切削力模型及线弓相关参数公式，得到法向材料系数和切向材料系数；基于法向材料系数和切向材料系数，结合切削力理论数学模型，得到物料系数k
技术研发人员：董志奎 梁傲 邢珂 侯斌峰 戚向东
受保护的技术使用者：燕山大学
技术研发日：2022.06.30
技术公布日：2022/11/1
