專(zhuān)利名稱(chēng)：：一種高速銑削穩(wěn)定性快速判定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于制造
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及一種高速銑削穩(wěn)定性的快速判定方法。
背景技術(shù)：
：目前高速加工主要靠提高主軸轉(zhuǎn)數(shù)、增大進(jìn)給速度，以及改進(jìn)CNC控制系統(tǒng)等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而在實(shí)際的切削加工過(guò)程中，影響其有效高速加工的一個(gè)主要因素就是顫振，或者稱(chēng)不穩(wěn)定切削。顫振是金屬切削過(guò)程中刀具與工件之間產(chǎn)生的一種非常強(qiáng)烈的自激振動(dòng)，由切削力激發(fā)而引起并維持其振動(dòng)不衰減。顫振不僅破壞工件的表面質(zhì)量，而且還加劇刀具的磨損，嚴(yán)重時(shí)甚至使切削無(wú)法進(jìn)行。在過(guò)去的幾十年里，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者為深入了解顫振并避免顫振的發(fā)生開(kāi)展了一系列的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。多年的研究成果表明避免顫振發(fā)生的一個(gè)有效方法就是借助于穩(wěn)定性極限圖來(lái)選擇合適的切削參數(shù)。該圖利用主軸轉(zhuǎn)速與臨界軸向切深的變化曲線將切削區(qū)域劃分為穩(wěn)定區(qū)和非穩(wěn)定區(qū)。然而，無(wú)論是采用解析法還是時(shí)域模擬法來(lái)構(gòu)造某一機(jī)床結(jié)構(gòu)的切削穩(wěn)定性極限圖，一般均需要先獲取反映在刀尖點(diǎn)的機(jī)床系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性，即頻率響應(yīng)函數(shù)。在以往的理論研究和工程應(yīng)用中，大都采用錘擊法來(lái)獲得機(jī)床系統(tǒng)反映在刀尖點(diǎn)的頻響特性。機(jī)床系統(tǒng)的頻響特性是與其子部件(刀具結(jié)構(gòu)、刀具懸伸長(zhǎng)度、刀柄結(jié)構(gòu)、主軸結(jié)構(gòu)等)和邊界條件密切相關(guān)的。當(dāng)系統(tǒng)部件更換或位置調(diào)整后，反映在刀尖點(diǎn)的頻響特性也隨之改變，如需對(duì)此狀態(tài)下的穩(wěn)定性切削進(jìn)行參數(shù)選擇，則又得采用錘擊法重新獲取其頻響特性，構(gòu)建新的切削穩(wěn)定性極限圖。因此，光靠采用錘擊測(cè)試實(shí)驗(yàn)手段來(lái)指導(dǎo)實(shí)際加工中的切削參數(shù)選擇，勢(shì)必要進(jìn)行數(shù)百次甚至上千次的實(shí)驗(yàn)才能建立較為完整的切削穩(wěn)定性極限圖集，這樣既增加了成本，又大大延長(zhǎng)了時(shí)間，違背了高速、高效加工的初衷。因此，快速獲取機(jī)床系統(tǒng)反映在刀尖點(diǎn)的動(dòng)態(tài)特性，為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高速高效加工能起到相當(dāng)重要的指導(dǎo)作用。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種無(wú)需進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試，就能對(duì)機(jī)床整機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行高速銑削時(shí)的穩(wěn)定性進(jìn)行快速判定的方法。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是1)將機(jī)床整機(jī)劃分為五大部分即刀齒、刀桿、刀柄、主軸和機(jī)床其它部件；2)稱(chēng)量刀具即刀齒和刀桿的質(zhì)量M，再測(cè)量出刀桿的直徑Cl1和長(zhǎng)度I1，及刀齒的長(zhǎng)度12，根據(jù)刀具材料的密度P和公式(1)計(jì)算出刀齒的等效直徑(12，將刀具等效為兩段直徑不同的梁?jiǎn)卧?，再采用Timoshenko梁?jiǎn)卧Ｐ颓蠼獬龅毒叩念l響函數(shù)特性；M=-I1-p+^-d22-I2-ρ(I)3)采用Timoshenko梁?jiǎn)卧Ｐ陀?jì)算刀柄法蘭以下部分的頻響函數(shù)特性；4)將刀柄法蘭和錐套、主軸和機(jī)床其它部件作為一個(gè)整體，采用錘擊法測(cè)出該整Gaa=Raa-Rab(Rbb+Rcc)^1RbaGdd=Rdd-Rdc(Rbb+Rcc)^1RcdGad=Rab(RbJRcc)-1RcdGda=Rdc(RbJRcc)-1R1式中，R是耦合前各子結(jié)構(gòu)的頻響函數(shù)矩陣，其中h，l，n，p是各分量；χ和θ分別是子結(jié)構(gòu)的位移和轉(zhuǎn)角；f和m分別子結(jié)構(gòu)受到的力和力矩；G是耦合后系統(tǒng)的頻響函數(shù)矩陣，其中H，L，N，P是各分量；X和Θ分別是耦合后系統(tǒng)的位移和轉(zhuǎn)角；F和M分別是耦合后系統(tǒng)受到的力和力矩；i，j，a,b，c,d均為坐標(biāo)系。6)利用耦合得到的機(jī)床整機(jī)頻響函數(shù)特性，繪制出主軸轉(zhuǎn)數(shù)與軸向切深的穩(wěn)定性極限圖，最后為切削進(jìn)行穩(wěn)定性判定。所述步驟2)的刀具質(zhì)量M采用精密電子稱(chēng)稱(chēng)量得到。所述的步驟2)刀桿的直徑Cl1和長(zhǎng)度I1,及刀齒的長(zhǎng)度I2均采用游標(biāo)卡尺測(cè)量得到。本發(fā)明將機(jī)床整機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行子部件的劃分，分別求取各子結(jié)構(gòu)的頻響函數(shù)，然后通過(guò)子結(jié)構(gòu)耦合方法得到整機(jī)的頻響特性，構(gòu)建出切削穩(wěn)定性極限圖，從而快速判斷出該工藝參數(shù)下的切削是否處于穩(wěn)定狀態(tài)。如加工不同零件需要，其中某個(gè)子結(jié)構(gòu)改變時(shí)，只需重新計(jì)算變動(dòng)過(guò)的結(jié)構(gòu)頻響函數(shù)(無(wú)需全部重新求解)，再次耦合即可得到新的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性極限圖，大大提高了判斷速度，適合于在線的切削參數(shù)優(yōu)化。圖1是機(jī)床主軸切削系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明方法的流程圖。圖3是子結(jié)構(gòu)耦合的力_位移關(guān)系。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。參見(jiàn)圖1，本發(fā)明將機(jī)床整機(jī)劃分為刀齒、刀桿、刀柄、主軸和機(jī)床其它部件五大子結(jié)構(gòu)，Rii=⑵體結(jié)構(gòu)的頻響函數(shù)特性；5)將以上各部件的頻響函數(shù)特性依次通過(guò)子結(jié)構(gòu)耦合法進(jìn)行合并得到機(jī)床整機(jī)頻響函數(shù)特性，兩結(jié)構(gòu)耦合前、后的頻響函數(shù)用矩陣形式表示如公式(2-3)所示，耦合關(guān)系如公式(4-7)\SrXi『iffiJXi/y/y具體求解過(guò)程如圖2所示；采用等質(zhì)量原理將刀具(刀齒和刀桿)的刀齒等效為一均勻直徑的梁?jiǎn)卧＞唧w方法如下先采用精密電子稱(chēng)測(cè)量出刀具質(zhì)量M，采用游標(biāo)卡尺測(cè)出刀桿部分的直徑Cl1和長(zhǎng)度I1，刀齒的長(zhǎng)度12，根據(jù)刀具材料的密度P和公式(1)計(jì)算出刀齒的等效直徑d2。從而將刀具等效為兩段直徑不同的梁?jiǎn)卧捎肨imoshenko梁?jiǎn)卧Ｐ颓蠼獬銎?刀齒和刀桿)頻響函數(shù)特性；對(duì)刀柄進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的簡(jiǎn)單處理。當(dāng)機(jī)床主軸選定時(shí)，其聯(lián)接刀柄的接口也就不再改變，因此無(wú)論選用何種刀柄結(jié)構(gòu)，其接口處的錐套和法蘭結(jié)構(gòu)是相同的，故可以將此兩結(jié)構(gòu)劃歸至主軸部分，這樣可以使刀柄的結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化，從而采用Timoshenko梁?jiǎn)卧Ｐ陀?jì)算其(刀柄)頻響函數(shù)特性；將刀柄法蘭和錐套、主軸、機(jī)床其它部件綜合為一個(gè)整體，采用錘擊法測(cè)出其(此整體)頻響函數(shù)特性；將以上各部件的頻響函數(shù)特性依次通過(guò)子結(jié)構(gòu)耦合法進(jìn)行合并，參見(jiàn)圖3，兩結(jié)構(gòu)耦合前、后的頻響函數(shù)如公式(2-3)所示，耦合關(guān)系如公式(4-7)。Rij=Gaa=Raa-Rab(Rbb+Rcc)^1RbaGdd=Rdd-Rdc(Rbb+Rcc)^1RcdGad=Rab(Rbl^Rcc)-1RcdGrta=Rrtc(Rh^Rcc)-1R1式中，R是耦合前各子結(jié)構(gòu)的頻響函數(shù)矩陣，其中h，l，n，p是各分量；χ和θ分別是子結(jié)構(gòu)的位移和轉(zhuǎn)角；f和m分別子結(jié)構(gòu)受到的力和力矩；G是耦合后系統(tǒng)的頻響函數(shù)矩陣，其中H，L，N，P是各分量；X和Θ分別是耦合后系統(tǒng)的位移和轉(zhuǎn)角；F和M分別是耦合后系統(tǒng)受到的力和力矩；i，j，a,b，c,d均為坐標(biāo)系。利用耦合合并得到的機(jī)床整機(jī)頻響函數(shù)特性，繪制出主軸轉(zhuǎn)數(shù)與軸向切深的穩(wěn)定性極限圖，最后為切削進(jìn)行穩(wěn)定性判定。當(dāng)任一子結(jié)構(gòu)變化時(shí)，只需替換相應(yīng)的頻響函數(shù)，重新耦合即可，大大縮少計(jì)算和測(cè)試時(shí)間，達(dá)到快速判定的效果。權(quán)利要求一種高速銑削穩(wěn)定性快速判定方法，其特征在于包括以下步驟1)將機(jī)床整機(jī)劃分為五大部分即刀齒、刀桿、刀柄、主軸和機(jī)床其它部件；2)稱(chēng)量刀具即刀齒和刀桿的質(zhì)量M，再測(cè)量出刀桿的直徑d1和長(zhǎng)度l1，及刀齒的長(zhǎng)度l2，根據(jù)刀具材料的密度ρ和公式(1)計(jì)算出刀齒的等效直徑d2，將刀具等效為兩段直徑不同的梁?jiǎn)卧俨捎肨imoshenko梁?jiǎn)卧Ｐ颓蠼獬龅毒叩念l響函數(shù)特性；<mrow><mi>M</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>&pi;</mi><mn>4</mn></mfrac><mo>&CenterDot;</mo><msup><msub><mi>d</mi><mn>1</mn></msub><mn>2</mn></msup><mo>&CenterDot;</mo><msub><mi>l</mi><mn>1</mn></msub><mo>&CenterDot;</mo><mi>&rho;</mi><mo>+</mo><mfrac><mi>&pi;</mi><mn>4</mn></mfrac><mo>&CenterDot;</mo><msup><msub><mi>d</mi><mn>2</mn></msub><mn>2</mn></msup><mo>&CenterDot;</mo><msub><mi>l</mi><mn>2</mn></msub><mo>&CenterDot;</mo><mi>&rho;</mi><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>3)采用Timoshenko梁?jiǎn)卧Ｐ陀?jì)算刀柄法蘭以下部分的頻響函數(shù)特性；4)將刀柄法蘭和錐套、主軸和機(jī)床其它部件作為一個(gè)整體，采用錘擊法測(cè)出該整體結(jié)構(gòu)的頻響函數(shù)特性；5)將以上各部件的頻響函數(shù)特性依次通過(guò)子結(jié)構(gòu)耦合法進(jìn)行合并得到機(jī)床整機(jī)頻響函數(shù)特性，兩結(jié)構(gòu)耦合前、后的頻響函數(shù)用矩陣形式表示如公式(23)所示，耦合關(guān)系如公式(47)<mrow><msub><mi>R</mi><mi>ij</mi></msub><mo>=</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>h</mi><mi>ij</mi></msub></mtd><mtd><msub><mi>l</mi><mi>ij</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>n</mi><mi>ij</mi></msub></mtd><mtd><msub><mi>p</mi><mi>ij</mi></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>=</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><mfrac><msub><mi>x</mi><mi>i</mi></msub><msub><mi>f</mi><mi>j</mi></msub></mfrac></mtd><mtd><mfrac><msub><mi>x</mi><mi>i</mi></msub><msub><mi>m</mi><mi>j</mi></msub></mfrac></mtd></mtr><mtr><mtd><mfrac><msub><mi>&theta;</mi><mi>i</mi></msub><msub><mi>f</mi><mi>j</mi></msub></mfrac></mtd><mtd><mfrac><msub><mi>&theta;</mi><mi>i</mi></msub><msub><mi>m</mi><mi>j</mi></msub></mfrac></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>G</mi><mi>ij</mi></msub><mo>=</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>H</mi><mi>ij</mi></msub></mtd><mtd><msub><mi>L</mi><mi>ij</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>N</mi><mi>ij</mi></msub></mtd><mtd><msub><mi>P</mi><mi>ij</mi></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>=</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><mfrac><msub><mi>X</mi><mi>i</mi></msub><msub><mi>F</mi><mi>j</mi></msub></mfrac></mtd><mtd><mfrac><msub><mi>X</mi><mi>i</mi></msub><msub><mi>M</mi><mi>j</mi></msub></mfrac></mtd></mtr><mtr><mtd><mfrac><msub><mi>&Theta;</mi><mi>i</mi></msub><msub><mi>F</mi><mi>j</mi></msub></mfrac></mtd><mtd><mfrac><msub><mi>&Theta;</mi><mi>i</mi></msub><msub><mi>M</mi><mi>j</mi></msub></mfrac></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>Gaa＝RaaRab(Rbb+Rcc)1Rba(4)Gdd＝RddRdc(Rbb+Rcc)1Rcd(5)Gad＝Rab(Rbb+Rcc)1Rcd(6)Gda＝Rdc(Rbb+Rcc)1Rba(7)式中，R是耦合前各子結(jié)構(gòu)的頻響函數(shù)矩陣，其中h，l，n，p是各分量；x和θ分別是子結(jié)構(gòu)的位移和轉(zhuǎn)角；f和m分別子結(jié)構(gòu)受到的力和力矩；G是耦合后系統(tǒng)的頻響函數(shù)矩陣，其中H，L，N，P是各分量；X和Θ分別是耦合后系統(tǒng)的位移和轉(zhuǎn)角；F和M分別是耦合后系統(tǒng)受到的力和力矩；i，j，a，b，c，d均為坐標(biāo)系。6)利用耦合得到的機(jī)床整機(jī)頻響函數(shù)特性，繪制出主軸轉(zhuǎn)數(shù)與軸向切深的穩(wěn)定性極限圖，最后為切削進(jìn)行穩(wěn)定性判定。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速銑削穩(wěn)定性快速判定方法，其特征在于所述的步驟2)的刀具質(zhì)量M采用精密電子稱(chēng)稱(chēng)量得到。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速銑削穩(wěn)定性快速判定方法，其特征在于所述的步驟2)刀桿的直徑Cl1和長(zhǎng)度I1,及刀齒的長(zhǎng)度I2均采用游標(biāo)卡尺測(cè)量得到。全文摘要一種高速銑削穩(wěn)定性快速判定方法，將機(jī)床整機(jī)劃分為五大部分即刀齒、刀桿、刀柄、主軸和機(jī)床其它部件；將刀齒和刀桿作為一個(gè)整體和刀柄分別采用Timoshenko梁?jiǎn)卧Ｐ颓蠼獬銎漕l響函數(shù)特性；將刀柄法蘭和錐套、主軸和機(jī)床其它部件做為一個(gè)整體采用錘擊法測(cè)出其的頻響函數(shù)特性；將以上各部件的頻響函數(shù)特性依次通過(guò)子結(jié)構(gòu)耦合法進(jìn)行合并得到機(jī)床整機(jī)頻響函數(shù)特性，利用耦合得到的機(jī)床整機(jī)頻響函數(shù)特性，繪制出主軸轉(zhuǎn)數(shù)與軸向切深的穩(wěn)定性極限圖，最后為切削進(jìn)行穩(wěn)定性判定。本發(fā)明如加工不同零件需要，其中某個(gè)子結(jié)構(gòu)改變時(shí)，只需重新計(jì)算變動(dòng)過(guò)的結(jié)構(gòu)頻響函數(shù)，再次耦合即可得到新的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性極限圖，大大提高了判斷速度，適合于在線的切削參數(shù)優(yōu)化。文檔編號(hào)B23Q11/00GK101905340SQ20101023520公開(kāi)日2010年12月8日申請(qǐng)日期2010年7月23日優(yōu)先權(quán)日2010年7月23日發(fā)明者盧秉恒,張俊,趙萬(wàn)華申請(qǐng)人:西安交通大學(xué);西安瑞特快速制造工程研究有限公司