切削力测量实验数据的处理及分析

1896192019872006切削力测量实验数据的处理及分析18961920198720062背景及选题意义切削力切削过程中重要的物理参数之一，其大小决定了切削过程中消耗的功率和加工工艺系统变形。同时，切削力还直接影响切削热的产生，并进一步影响刀具的磨损、破损、刀具耐用度等，对加工精度和加工质量有着直接的影响。因此，研究切削力的变化规律有助于分析切削过程，对实际生产有很强的指导意义。图1-切削实例图18961920198720063实验目的对曲面铣削加工在不同进给量下测得的主切削力的实验数据进行处理。以实际生产中常用的切削力经验模型为基础，求得切削力与进给量的关系函数模型并与实际测得值的拟合曲线进行对比和误差分析。18961920198720064实验原理实验采用YDX-III9702三向压电铣削测力仪实现切削载荷的在线综合测试。测试系统主要由测力仪(测力传感器)、动态电阻应变仪(或放大器)、采集装置等组成。图2-YDX-III9702型测力仪实物图18961920198720065（1）实验条件•机床：XD一40型数控铣床•刀具：Φ6硬质合金2刃球头铣刀•仪器：三向压电铣削测力仪、YD一28型动态电阻应变仪、INV306U智能信号采集处理分析仪、DASP2006智能数据采集和信号分析系统•试验材料：45钢实验方案简介图3–XD-40数控铣床18961920198720066（2）实验研究对象选择Φ30mmX30mm的试件毛坯为研究对象，测量球头铣刀精铣曲面时的切削力；零件铣削示意图如图4所示：实验方案简介图4–铣削示意图18961920198720067模型建立切削力经验公式：•𝑪𝑭--取决于被加工金属和切削条件的系数；•xF、yF、zF——反映被吃刀量ap，进给量f和切削速度v对切削力影响程度的指数；在实验中，采用一次调整加工，刀具的集合角度、工件的材料、切削厚度和切削速度均可做为常数来处理，即固定其他实验条件，在切削时只改变主轴转速n和进给量f；以上公式可简化为单因素影响的指数公式：𝑭=𝑪𝑭𝒇𝒚𝑭两边取对数，则𝒍𝒈𝑭=𝒍𝒈𝑪𝑭+𝒚𝑭𝒍𝒈𝒇此公式即是切削力和进给量的关系模型。18961920198720068实验数据及分析处理一、实验数据采集的部分切削力原始数据，25组工况选择其中的比较平稳的数据段中的400个数据点进行分析。进给量：𝒇=𝒗𝒇÷𝒏进给量f(mm/r)0.020.040.060.080.100.120.140.160.180.200.220.240.26进给速度Vf(mm/min)20.0040.0060.0080.00100.00120.00140.00160.00180.00200.00220.00240.00260.00转速n(r/min)1000.001000.001000.001000.001000.001000.001000.001000.001000.001000.001000.001000.001000.00进给量f(mm/r)0.280.300.320.340.360.380.400.420.440.460.480.50进给速度Vf(mm/min)280.00300.00320.00340.00360.00380.00400.00420.00440.00460.00480.00500.00转速n(r/min)1000.001000.001000.001000.001000.001000.001000.001000.001000.001000.001000.001000.0018961920198720069一、实验数据189619201987200610二实验数据初步处理给定进给速度情况下，测得的铣削力表现为波动形式189619201987200611二实验数据初步处理SPSS中采用正态概率纸法验证铣削力F的测量结果是否符合正态分布189619201987200612二实验数据初步处理SPSS中采用单样本Kolmogorov-Smirnov法验证铣削力F的测量结果是否符合正态分布189619201987200613二实验数据初步处理SPSS中采用单样本Kolmogorov-Smirnov法验证铣削力F的测量结果是否符合正态分布189619201987200614二实验数据初步处理综合两种检验，均可验证每一工况下测得的铣削力服从正态分布，且其精度均近似为1即：𝐹~𝑁(𝐹,1)进给量f(mm/r)进给速度Vf(mm/min)转速n(r/min)均值方差进给量f(mm/r)进给速度Vf(mm/min)转速n(r/min)均值方差0.0220.001000.00315.470.630.28280.001000.00558.041.010.0440.001000.00367.990.670.30300.001000.00561.010.940.0660.001000.00399.991.030.32320.001000.00568.000.970.0880.001000.00424.940.970.34340.001000.00577.031.070.10100.001000.00446.000.980.36360.001000.00582.951.010.12120.001000.00460.021.030.38380.001000.00587.991.040.14140.001000.00481.081.000.40400.001000.00593.000.990.16160.001000.00486.921.020.42420.001000.00605.001.000.18180.001000.00502.961.000.44440.001000.00607.031.040.20200.001000.00515.020.990.46460.001000.00610.991.010.22220.001000.00522.940.970.48480.001000.00618.051.020.24240.001000.00538.010.930.50500.001000.00624.971.000.26260.001000.00545.010.93189619201987200615三、数据拟合由检验结果得：切削力F的分布属于正态分布当判定同一个给进量f之后F的分布是正态分布之后取每次测量400个点的平均值作为每一个工况的测得值，根据公式：𝒍𝒈𝑭=𝒍𝒈𝑪𝑭+𝒚𝑭𝒍𝒈𝒇令𝒀=𝒍𝒈𝑭𝑿=𝒍𝒈𝒇𝒂=𝒍𝒈𝑪𝑭𝒃=𝒚𝑭对25个不同工况进行线性拟合得：a=2.8591b=0.2108…189619201987200616三、数据拟合数据拟合结果：𝐹=722.94𝑓0.2108…189619201987200617四、可靠度分析根据下列公式求得相应参数的置信区间：𝒍𝒙𝒙=(𝒙𝒊−𝒙)𝟐𝒏𝒊,𝑙𝒚𝒚=(𝒚𝑖−𝒚)2𝑛𝑖,𝑙𝑥𝒚=𝑙𝒚𝒙=(𝑥𝑖−𝑥)𝑛𝑖(𝒚𝑖−𝒚)X的均值2.7133Y的均值-0.6913X的平方和𝑥𝑖225𝑖=1184.1932X的平方和𝑦𝑖225𝑖=115.0995XY的总和𝑋𝑖25𝑖=1𝑌𝑖-46.2318l𝑦𝑦14.6215l𝑥𝑦0.55421l𝑥𝑥0.1401189619201987200618四、可靠度分析进一步进行回归计算得：^𝒃−𝒕𝟐𝒏−𝟐^/𝒍𝒙𝒙^𝒃𝒕𝟐𝒏−𝟐^/𝒍𝒙𝒙,则yF=0.2108±0.0100可靠度95%^𝒂−𝒕𝟐𝒏−𝟐^/𝟏𝒏𝒙𝟐𝒍𝒙𝒙^𝒂𝒕𝟐𝒏−𝟐^/𝟏𝒏𝒙𝟐𝒍𝒙𝒙，则CF=𝟏𝟎𝟐.𝟖𝟓𝟗𝟏±𝟎.𝟏𝟗𝟕𝟏可靠度95%则𝐹=𝐶𝐹𝑓𝑦𝐹=722.94𝑓0.2108其中：CF=102.8591±0.1971可靠度95%yF=0.2108±0.0100可靠度95%189619201987200619总结1.传统金属切削实验数据的处理方法是将数据以点坐标的形式在双坐标系中描点，再将点连接成直线，根据斜率与系数的关系以及一些几何知识确定切削力方程，此种方法操作繁琐，并且精度较低。相比之下，采用MATLAB拟合的方法更为有效；2.为提高测量精度，准确监测切削力，由误差分布规律可知回归曲线是所有曲线中偏差平方和最小的，因此采用最小二乘法求回归系数CF和yF。3.由拟合后的曲线可以看出，实际值和拟合值基本吻合，偏差很小，可有效提高机床加工中的切削精度，改善零件质量，减少刀具磨损；1896192019872006谢谢！敬请批评指正！