薄壁曲面穩(wěn)定銑削的極限軸向切深判定方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明薄壁曲面穩(wěn)定銑削的極限軸向切深判定方法屬于薄壁曲面銑削加工技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種薄壁曲面穩(wěn)定銑削的極限軸向切深判定方法。該判定方法首先根據(jù)薄壁曲面銑削加工工藝參數(shù)建立瞬時(shí)切削面積計(jì)算模型，并求解切削力系數(shù)；然后，對(duì)不同軸向切深條件下的薄壁曲面零件剛度進(jìn)行求解，建立軸向切深與薄壁曲面零件剛度間的關(guān)聯(lián)模型；并結(jié)合經(jīng)典穩(wěn)定域求解公式，獲得穩(wěn)定軸向切深與實(shí)際軸向切深間對(duì)應(yīng)關(guān)系；最后，求解慮及加工中薄壁件剛度變化的穩(wěn)定銑削極限軸向切深。該方法適用于各類(lèi)薄壁件穩(wěn)定銑削極限軸向切深判定，應(yīng)用范圍廣，在保證加工質(zhì)量的同時(shí)，最大限度的提高加工效率，具有較高的實(shí)用價(jià)值。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
薄壁曲面穩(wěn)定銑削的極限軸向切深判定方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于薄壁曲面銑削加工技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種薄壁曲面穩(wěn)定銑削的極限軸向 切深判定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 薄壁曲面零件廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，鑒于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸大、橫截面積小、材 料去除量大，加工過(guò)程中工藝系統(tǒng)模態(tài)具有時(shí)變性，易誘發(fā)復(fù)雜的加工振動(dòng)。同時(shí)，鑒于薄 壁曲面零件自身剛度低，銑削加工中時(shí)變銑削力容易引起切削顫振現(xiàn)象，成為引發(fā)加工不 穩(wěn)定的重要原因。加工工藝參數(shù)是影響復(fù)雜曲面銑削力的關(guān)鍵因素，工藝參數(shù)選取不當(dāng)將 引發(fā)嚴(yán)重的切削振動(dòng)，影響薄壁曲面加工質(zhì)量，難以滿(mǎn)足薄壁曲面零件高質(zhì)高效加工需求。 因此，合理選擇薄壁曲面零件加工工藝參數(shù)，在保證切削穩(wěn)定性的前提下提高加工效率至 關(guān)重要。
[0003] 萬(wàn)敏等人專(zhuān)利公告號(hào)CN101653841的"銑削過(guò)程穩(wěn)定域判定方法"，該專(zhuān)利基于刀 具離散化思想，根據(jù)刀具單元銑削瞬態(tài)對(duì)應(yīng)的延時(shí)量建立當(dāng)前時(shí)間段與前一時(shí)間段的顯式 表達(dá)式，進(jìn)而得到反映每一延時(shí)量和每一時(shí)間段影響的轉(zhuǎn)換矩陣，最后求解轉(zhuǎn)換矩陣特征 值，以特征值的模小于1作為工藝系統(tǒng)漸近穩(wěn)定的條件。該方法僅適用于忽略剛度變化的非 薄壁件加工過(guò)程，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)薄壁曲面穩(wěn)定銑削的極限軸向切深判定。J a n e z等人的文獻(xiàn) "On stability prediction for milling"，International Journal of Machine Tools& Manufacture，2005,45,769-781，該文章研究了不同徑向切深條件下銑削穩(wěn)定域的變化情 況，基于霍夫分叉原理研究了刀具振動(dòng)隨徑向切深和主軸轉(zhuǎn)速的變化情況。該方法僅適用 于非薄壁件加工中不同加工參數(shù)對(duì)加工振動(dòng)的預(yù)測(cè)，未涉及薄壁曲面零件加工中振動(dòng)及切 削過(guò)程中由于工件剛度變化引起的穩(wěn)定切深改變等。綜上，已有研究主要針對(duì)非薄壁件開(kāi) 展加工穩(wěn)定性研究，而對(duì)于加工過(guò)程中薄壁曲面零件剛度變化的工藝穩(wěn)定性研究相對(duì)較 少。若忽略薄壁曲面零件切削過(guò)程中剛度的變化而直接進(jìn)行穩(wěn)定切深判定，勢(shì)必犧牲加工 效率，因此亟需一種新的薄壁曲面穩(wěn)定銑削的極限軸向切深判定方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對(duì)薄壁曲面銑削極限軸向切深求解過(guò)程中忽略剛度變化而引起的加工 效率損失問(wèn)題，發(fā)明了一種基于薄壁曲面零件剛度變化的穩(wěn)定銑削極限軸向切深判定方 法。該方法基于薄壁件切削過(guò)程中的剛度變化規(guī)律，結(jié)合切削穩(wěn)定域求解策略，以穩(wěn)定軸向 切深與實(shí)際軸向切深間的關(guān)系為切入點(diǎn)，在保證加工質(zhì)量的同時(shí)，最大限度的提高加工效 率，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)薄壁曲面零件穩(wěn)定加工及加工效率最大化的雙重保障。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是一種薄壁曲面穩(wěn)定銑削的極限軸向切深判定方法，其特征在 于，該判定方法首先根據(jù)薄壁曲面銑削加工工藝參數(shù)建立瞬時(shí)切削面積計(jì)算模型，并求解 切削力系數(shù);然后，對(duì)不同軸向切深條件下的薄壁曲面零件剛度進(jìn)行求解，建立軸向切深與 薄壁曲面零件剛度間的關(guān)聯(lián)模型；并結(jié)合經(jīng)典穩(wěn)定域求解公式，獲得穩(wěn)定軸向切深與實(shí)際 軸向切深間對(duì)應(yīng)關(guān)系；最后求解慮及加工中薄壁件剛度變化的穩(wěn)定銑削極限軸向切深;方 法的具體步驟如下：
[0006] 1)瞬時(shí)切削面積及切削力系數(shù)求解
[0007] 瞬時(shí)切削面積的求解是獲得切削力系數(shù)的前提，利用微分幾何方法求得不同曲率 半徑薄壁件切削過(guò)程中對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)切削面積，在刀具坐標(biāo)系χ-ο-y中，曲線(xiàn)1方程為：
[0008]
[0009] 其中，r為銑刀半徑，Ω為銑刀旋轉(zhuǎn)角速度，f為刀具進(jìn)給速度，n為主軸轉(zhuǎn)速，相鄰 兩刀齒切削時(shí)間間隔為t = 15/n(s)，整理得：
[0010]
[0011]相鄰兩切削刃切削過(guò)程中，刀具走過(guò)的距離，
因此，曲 線(xiàn)2的方程為：
[0012]
[0013]
[0014]
[0015]曲線(xiàn)3方程：
[0016] X2+ (y+R+r)2 = (R+ae)2 (5)
[0017] 其中，R為薄壁曲面零件曲率半徑，ae為徑向切削深度，整理得：
[0018]
[0019] 通過(guò)式(4)和式(6)求得交點(diǎn)Pi(xi，yi)，聯(lián)立式(2)和式(6)求得交點(diǎn)P2(X2，y2)，Po (xo，y〇)為初始切點(diǎn)。此時(shí)，瞬時(shí)切削面積S表示為：
[0020]
[0021] 當(dāng)給定加工工藝參數(shù)n、f、ae，銑刀半徑r及薄壁件曲率半徑R，即可求出瞬時(shí)切削 面積S。
[0022] 令銑刀軸線(xiàn)的位置角為β，由幾何關(guān)系得
[0023]
[0024] 其中f表示刀具進(jìn)給速度：
黽位為mm/min，N表示銑刀切削刃數(shù)，η為 主軸轉(zhuǎn)速，單位為rpm，fz表示每齒進(jìn)給量，單位為mm · ζ^1。由坐標(biāo)變換求得切向切削力Ft及 徑向切削力Fr:
[0025]
[0026]其中，F(xiàn)x和Fy分別為試驗(yàn)得到的X向和y向切削力，利用經(jīng)典切削力系數(shù)求解公式： [0027]
[0028]式中，ad為軸向切深，即可求出徑向切削力系數(shù)Kr及切向切削力系數(shù)Kt。
[0029] 2)建立軸向切深與薄壁曲面零件剛度間的關(guān)聯(lián)模型
[0030] 利用ANSYS軟件對(duì)不同軸向切深條件下的薄壁曲面零件進(jìn)行建模并模態(tài)分析，獲 得對(duì)應(yīng)的剛度值后進(jìn)行擬合，建立軸向切深與薄壁曲面零件剛度間的關(guān)聯(lián)模型：
[0031]
[0032] 式中，(^、(^、(^.，、卩:^丨沖沖為擬合參數(shù)。
[0033] 3)穩(wěn)定切削條件下的臨界軸向切深求解
[0034] 結(jié)合經(jīng)典穩(wěn)定域求解公式，獲得穩(wěn)定軸向切深％與實(shí)際軸向切深間對(duì)應(yīng)關(guān)系為：
[0035]
[0036] 式中，111、112、113、￥1、￥2、￥3、'?1、'\￥2、'?3為擬合參數(shù)；
[0037] 在穩(wěn)定軸向切深&[)與實(shí)際軸向切深ad取值相同的情況下，即可滿(mǎn)足加工穩(wěn)定性需 求，又可實(shí)現(xiàn)最高效率的加工，此時(shí)求解得到了慮及加工中薄壁件剛度變化的穩(wěn)定銑削極 限軸向切深，從而實(shí)現(xiàn)薄壁曲面零件高質(zhì)高效加工。
[0038] 本發(fā)明的顯著效果和益處是基于經(jīng)典穩(wěn)定域求解模型，以求解產(chǎn)生切削顫振的臨 界剛度作為切入點(diǎn)，發(fā)明了一種基于薄壁曲面零件剛度變化的穩(wěn)定銑削極限軸向切深判定 方法，滿(mǎn)足了高質(zhì)高效加工需求。該方法適用于各類(lèi)薄壁件穩(wěn)定銑削極限軸向切深判定，應(yīng) 用范圍廣，具有較高的實(shí)用價(jià)值。
【附圖說(shuō)明】
[0039] 圖1 一整體方法流程圖。
[0040] 圖2-刀具與工件幾何位置關(guān)系；其中，x-o-y為刀具坐標(biāo)系，r-銑刀半徑，f-刀具 進(jìn)給速度，η-主軸轉(zhuǎn)速，ae_徑向切削深度，R-薄壁曲面零件曲率半徑，AL-相鄰兩切削刃切 削過(guò)程中刀具走過(guò)的距離00 '，Po-銑刀的初始切點(diǎn)，Pi -銑刀與工件切削位置一的交點(diǎn)，P2 _ 銑刀與工件切削位置二的交點(diǎn)，1-曲線(xiàn)1為刀具位置一處銑刀與工件接觸曲線(xiàn)，2-曲線(xiàn)2為 刀具位置二處銑刀與工件接觸曲線(xiàn)，3-曲線(xiàn)3為工件精加工前輪廓曲線(xiàn)。
[0041 ]圖3-薄壁件剛度與軸向切深間關(guān)系;橫坐標(biāo)-軸向切深ad，縱坐標(biāo)-薄壁件剛度k。
[0042] 圖4 一軸向切深與穩(wěn)定銑削極限軸向切深間關(guān)系；橫坐標(biāo)-軸向切深ad，縱坐標(biāo)-穩(wěn) 定極限軸向切深aP。
[0043] 圖5-驗(yàn)證參數(shù)選取;橫坐標(biāo)-主軸轉(zhuǎn)速η，縱坐標(biāo)-穩(wěn)定極限軸向切深aP，點(diǎn)1、2、3、 4為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)選取的第一、第二、第三、第四加工參數(shù)點(diǎn)；
[0044]圖6-一驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果;Ra為加工表面粗糙度。 具體實(shí)施方案
[0045] 結(jié)合附圖和技術(shù)方案詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[0046] 鑒于薄壁曲面零件銑削過(guò)程中，由于剛度低誘發(fā)的加工顫振導(dǎo)致工件表面質(zhì)量難 以滿(mǎn)足要求，合理選取軸向切深，兼顧加工質(zhì)量與加工效率，對(duì)實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)具有重要指導(dǎo) 作用。針對(duì)軸向切深選取不當(dāng)導(dǎo)致加工質(zhì)量不高或加工效率損失問(wèn)題，發(fā)明了一種基于薄 壁曲面零件剛度變化的穩(wěn)定銑削極限軸向切深判定方法，整體流程如附圖1所示。
[0047]以半徑4mm平頭銑刀側(cè)銑鈦合金圓弧形薄壁曲面零件為例，借助MATLAB軟件計(jì)算 及ANSYS軟件仿真，詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施過(guò)程。
[0048]首先，給定加工工藝參數(shù)，求解瞬時(shí)切削面積。刀具半徑r = 4mm，精加工余量為 0.3111111，則3(3 = 0.31111]1。其余加工參數(shù)為：11 = 6000印111，€ = 7201]1111/111；[11，31) = 0.61111]1。根據(jù)式（7)計(jì) 算得到不同薄壁件曲率半徑所對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)切削面積值，經(jīng)擬合得到瞬時(shí)切削面積S與薄壁 圓弧件半徑R間關(guān)系：
[0049]
& > 0 (13)
[0050] 其次，根據(jù)式(8)-(9)求解圓弧形薄壁件加工過(guò)程中的徑向切削力Fr和切向切削力Ft得： Ft = 7.6548N，F(xiàn)r = 4.6328N。根據(jù)式（10)求得切削力系婁
[0051] 然后，利用ANSYS對(duì)薄壁件進(jìn)行模態(tài)分析，得到不同軸向切深對(duì)應(yīng)的薄壁件剛度 值，擬合得到切削后剛度與軸向切深間關(guān)系，如附圖3所示。經(jīng)擬合得剛度k與軸向切深a d之 間滿(mǎn)足如下關(guān)系：
[0052]
[0053] 經(jīng)典穩(wěn)定域求解模型表示為：
[0054]
[0055] 其中，b為兩個(gè)刀刃間完整的振動(dòng)周期，N為銑刀刃數(shù)，ω為工件的振動(dòng)頻率，(〇"為 工件系統(tǒng)固有頻率，S為阻尼比，k為工件系統(tǒng)剛度，a yy為垂直于薄壁件方向的定向動(dòng)態(tài)切削 力系數(shù)，彳心表示刀具切入工件接觸角，表示刀具切出工件接觸角，Re[G y( j ω )]為系統(tǒng)傳 遞函數(shù)的實(shí)部，η為主軸轉(zhuǎn)速，aPiim為極限軸向切深，Kr為徑向切削力系數(shù)，K t為切向切削力 系數(shù)。
[0056] 將得到的剛度與切深間關(guān)系式（14)帶入經(jīng)典穩(wěn)定域求解模型（15)中，獲得軸向切 深ad與穩(wěn)定銑削極限軸向切深辦之間關(guān)系，參見(jiàn)附圖4。經(jīng)擬合得：
[0057]
[0058] 當(dāng)軸向切深ad等于穩(wěn)定銑削極限軸向切深aP時(shí)，根據(jù)式（16)求得的aP = ad = 9.69mm即為極限穩(wěn)定軸向切深；當(dāng)軸向切深小于9.69mm時(shí)，無(wú)論主軸轉(zhuǎn)速處于何值，切削過(guò) 程均處于穩(wěn)定切削狀態(tài)，切削振動(dòng)小，加工質(zhì)量好；當(dāng)實(shí)際軸向切深大于9.69mm時(shí)，切削過(guò) 程的穩(wěn)定性取決于主軸轉(zhuǎn)速的大小。
[0059] 為驗(yàn)證判定結(jié)果準(zhǔn)確性，選取4組加工工藝參數(shù)進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)，如附圖5所示，試驗(yàn) 結(jié)果參見(jiàn)附圖6。結(jié)果表明第二、第三加工參數(shù)點(diǎn)2、3所對(duì)應(yīng)的加工工藝參數(shù)組合加工振動(dòng) 小，表面質(zhì)量好，粗糙度低，屬于穩(wěn)定加工;第一、第四加工參數(shù)點(diǎn)1、4所對(duì)應(yīng)加工工藝參數(shù) 組合加工振動(dòng)明顯，表面振紋明顯，加工質(zhì)量差，屬于不穩(wěn)定加工。判定結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較 好吻合，實(shí)現(xiàn)了薄壁件曲面穩(wěn)定銑削的極限軸向切深判定的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。
[0060]本發(fā)明針對(duì)薄壁曲面零件銑削過(guò)程中缺乏慮及剛度變化的穩(wěn)定銑削極限軸向切 深判定問(wèn)題，建立了一種基于薄壁曲面零件剛度變化的穩(wěn)定銑削極限軸向切深判定方法， 實(shí)現(xiàn)了對(duì)薄壁曲面零件加工穩(wěn)定及加工效率最大化的雙重保障，對(duì)工程實(shí)際加工工藝參數(shù) 的選擇具有重要的指導(dǎo)作用。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種薄壁曲面穩(wěn)定銑削的極限軸向切深判定方法，其特征在于，該判定方法首先根 據(jù)薄壁曲面銑削加工工藝參數(shù)建立瞬時(shí)切削面積計(jì)算模型，并求解切削力系數(shù);然后，對(duì)不 同軸向切深條件下的薄壁曲面零件剛度進(jìn)行求解，建立軸向切深與薄壁曲面零件剛度間的 關(guān)聯(lián)模型;并結(jié)合經(jīng)典穩(wěn)定域求解公式，獲得穩(wěn)定軸向切深與實(shí)際軸向切深間對(duì)應(yīng)關(guān)系;最 后，求解慮及加工中薄壁件剛度變化的穩(wěn)定銑削極限軸向切深;判定方法的具體步驟如下： 1)瞬時(shí)切削面積及切削力系數(shù)求解 瞬時(shí)切削面積的求解是獲得切削力系數(shù)的前提，利用微分幾何方法求得不同曲率半徑 薄壁件切削過(guò)程中對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)切削面積，在刀具坐標(biāo)系X-〇-y中，曲線(xiàn)1方程為：其中，r為銑刀半徑，為銑刀旋轉(zhuǎn)角速度，f?為刀具進(jìn)給速度，n為主軸轉(zhuǎn)速，相鄰兩刀 齒切削時(shí)間間隔為t = 15/n(s)，整理得：相鄰兩切削刃切削過(guò)程中，刀具走過(guò)的距離為 ，因此，曲線(xiàn)2 的方程為：曲線(xiàn)3方程： x2+(y+R+r)2= (R+ae)2 (5) 其中，R為薄壁曲面零件曲率半徑，~為徑向切削深度，整理得：通過(guò)式(4)和式(6)求得交聯(lián)立式(2)和式(6)求得交點(diǎn)P2(X2，y2)，P Q(X0， y〇)為初始切點(diǎn)，此時(shí)，瞬時(shí)切削面積S表示為：當(dāng)給定加工工藝參數(shù)n、f、ae，銑刀半徑r及薄壁件曲率半徑R，即可求出瞬時(shí)切削面積S; 令銑刀軸線(xiàn)的位置角為0，由幾何關(guān)系得其中f表示刀具進(jìn)給速度，，.單位為mm/min，N表示銑刀切削刃數(shù)，n為主軸 轉(zhuǎn)速，單位為1^111，;^表示每齒進(jìn)給量，單位為mm ? z<;由坐標(biāo)變換求得切向切削力Ft及徑向 切削力Fr:其中，F(xiàn)x和Fy分別為試驗(yàn)得到的x向和y向切削力，利用經(jīng)典切削力系數(shù)求解公式：式中，ad為軸向切深，即可求出徑向切削力系數(shù)Kr及切向切削力系數(shù)Kt; 2)建立軸向切深與薄壁曲面零件剛度間的關(guān)聯(lián)模型 利用ANSYS軟件對(duì)不同軸向切深條件下的薄壁曲面零件進(jìn)行建模并模態(tài)分析，獲得對(duì) 應(yīng)的剛度值后進(jìn)行擬合，建立軸向切深與薄壁曲面零件剛度間的關(guān)聯(lián)模型：式中，〇1、〇2、〇3、？1、？2、？3、91、92 43為擬合參數(shù)； 3 )穩(wěn)定切削條件下的臨界軸向切深求解 結(jié)合經(jīng)典穩(wěn)定域求解公式，獲得穩(wěn)定軸向切深％與實(shí)際軸向切深間對(duì)應(yīng)關(guān)系為：式中，111、112、113、￥1、￥2、￥3、'?1、'\￥2、'?3為擬合參數(shù)； 在穩(wěn)定軸向切深％與實(shí)際軸向切深ad取值相同的情況下，即滿(mǎn)足加工穩(wěn)定性需求，又實(shí) 現(xiàn)最高效率的加工，此時(shí)求解得到了慮及加工中薄壁件剛度變化的穩(wěn)定銑削極限軸向切 深，實(shí)現(xiàn)了薄壁曲面零件高質(zhì)高效加工。
【文檔編號(hào)】B23C3/13GK106041183SQ201610519035
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年7月5日
【發(fā)明人】馬建偉, 高媛媛, 賈振元, 宋得寧, 劉振, 張?chǎng)?
【申請(qǐng)人】大連理工大學(xué)