CN102248209A - 薄壁复杂曲面工件铣削加工时机床极限稳定工艺参数的确定方法 - Google Patents

薄壁复杂曲面工件铣削加工时机床极限稳定工艺参数的确定方法 Download PDF

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薄壁复杂曲面工件铣削加工时机床极限稳定工艺参数的确定方法，解决高速铣削三维稳定性极限稳定工艺参数的确定，优化的工艺参数。采用的方法步骤是：⑴求解切向削力系数
Figure DEST_PATH_IMAGE002
和径向切削力比例系数
Figure DEST_PATH_IMAGE004
。⑵获取加工机床对于不同加工阶段的工件和铣削刀具构成的系统的固有频率
Figure DEST_PATH_IMAGE006
和模态参数。⑶根据获得的切向削力系数
Figure 952374DEST_PATH_IMAGE002
、径向切削力比例系数
Figure 869514DEST_PATH_IMAGE004
、固有频率和模态参数计算出加工机床对于不同加工阶段的工件和铣削刀具构成的系统处于稳定临界状态的最大轴向切深以及对应的主轴转速。其有益效果是，工艺参数确定快速准确方便，特别是制成三维稳态极限图，指导稳定切削参数域的快速选取更适合叶轮叶片类复杂曲面的高速切削加工参数，提高加工效率和加工精度。

Description

薄壁复杂曲面工件铣削加工时机床极限稳定工艺参数的确定方法
技术领域
本发明涉及机械加工过程中的工艺方法和机械加工过程中的自动控制，特别是一种薄壁复杂曲面工件铣削加工时机床极限稳定工艺参数的确定方法。
背景技术
机械加工中，铣削加工过程中产生的颤振会严重影响已加工表面的质量，加剧刀具磨损，降低主轴寿命，限制机床的极限加工能力，甚至带来潜在的安全隐患。基于高性能薄壁复杂曲面工件铣削加工时机床极限稳定工艺参数的确定方法，可以提供在薄壁复杂曲面类零件高速稳定加工条件下所需的主轴转速、铣削刀具每齿进给和材料去除的最佳工艺参数组合，有利于将切削过程控制在稳定区域之内，对实现高性能薄壁复杂曲面（如：叶轮叶片类零件）的高效、高质加工具有重要的经济意义与工业应用前景。
对现有技术文献检索发现，机床极限稳定工艺参数的确定方法主要有五种：                                                
Figure 483701DEST_PATH_IMAGE001
加拿大学者 Y. Altintas同时考虑了轴向、径向和切向切削力对稳定性的影响，建立了切削颤振的三维稳定性理论模型。
Figure 18588DEST_PATH_IMAGE002
 美国学者 T. L. Schmitz 分析研究了随刀具悬伸长度不同而引起的系统动态变化，建立主轴转速、轴向切深对于切削颤振影响的铣削动力学模型，并作出二维稳定性图，然后通过matlab绘制出主轴转速、轴向切深和铣刀悬伸长度对切削颤振影响的三维稳定性图。
Figure 679508DEST_PATH_IMAGE003
 西班牙学者U. Bravo和S. Herranz在研究薄壁板的稳定性时, 通过测试工件在四个阶段的频率响应函数，分别作出每个阶段的二维稳定性图，进而做出薄壁零件铣削过程中不同加工阶段的离散的三维稳定性图。
Figure 667055DEST_PATH_IMAGE004
 英国学者 V. Thevenot 分析研究了薄板加工过程中的颤振，得到了主轴转速、轴向切削深度与工件加工位置之间的函数关系，建立了三者之间的三维稳定性图。
 山东大学刘战强等研究了相同铣削参数下铣刀螺旋角和法向前角对铣削稳定性的影响，通过matlab绘制了不同铣刀参数下的轴向切深、径向切深和主轴转速的三维稳定性图。
如上所述，现有研究针对叶轮叶片类复杂曲面零件存在的不足是：
方法
Figure 218439DEST_PATH_IMAGE001
只是建立了切削颤振的三维稳定性理论模型，最终的稳定性仍是考虑轴向、径向和切向切削力对稳定性影响。
方法
Figure 814375DEST_PATH_IMAGE002
将刀具看成柔性体，工件看成刚形体，不适用于薄壁件、特别是不适用悬臂长的薄壁件的稳定性分析。
方法
Figure 226901DEST_PATH_IMAGE003
只是考虑了有限的加工阶段，并且，没有通过数学建模表达出稳定性的几何关系，只是通过有限元方法模拟出不同加工阶段的系统稳定性。
方法、
Figure 233221DEST_PATH_IMAGE005
没有考虑材料的去除对颤振稳定性的影响。
发明内容
本发明目的在于提供一种高性能薄壁复杂曲面高速铣削三维稳定性极限稳定工艺参数的确定方法，进而快速获得无颤振、优化的工艺参数。
本发明实现发明目的采用的技术方案是：薄壁复杂曲面工件铣削加工时机床极限稳定工艺参数的确定方法，该方法是通过切削力实验获得加工刀具对该工件材料的切削力和不同加工阶段工件固有频率和模态参数，计算出薄壁复杂曲面工件加工时材料去除的不同阶段机床极限稳定工艺参数，其特征在于：所述的方法由下列步骤实现：
⑴、通过切削力试验装置，使用相同的铣削刀具和与加工工件的相同材料的样块，获得x、y方向的瞬时切削力，根据获得x、y方向的瞬时切削力、铣削刀具的轴向切深、铣削刀具的第P个齿的切屑厚度和第P个齿的瞬时与加工工件的接触角，求解切向削力系数
Figure 501522DEST_PATH_IMAGE006
和径向切削力比例系数
Figure 401345DEST_PATH_IMAGE007
；
⑵、将被加工工件的毛坯按铣削加工去除量设置为不同加工阶段，通过模态试验装置，获取加工机床对于不同加工阶段的工件和铣削刀具构成的系统的固有频率
Figure 29772DEST_PATH_IMAGE008
和模态参数，模态参数包括：系统的等效刚度k、系统的等效质量m和系统的等效阻尼c；
⑶、根据步骤⑴获得的切向削力系数
Figure 65861DEST_PATH_IMAGE006
、径向切削力比例系数
Figure 6529DEST_PATH_IMAGE007
和步骤⑵获得的固有频率
Figure 393648DEST_PATH_IMAGE008
、系统的等效刚度k、系统的等效质量m和系统的等效阻尼c获得加工机床对于不同加工阶段的工件和铣削刀具构成的系统处于稳定与不稳定临界状态的最大轴向切深以及与其相对应的主轴转速。
本发明的有益效果是，铣削加工时机床极限稳定工艺参数确定快速准确方便，特别是将材料去除量作为除主轴转速和轴向切深以外的第三维，绘制出三维颤振稳态极限图，指导稳定切削参数域的快速选取更适合叶轮叶片类复杂曲面的高速切削加工参数，大大提高加工速度和加工精度。
下面结合附图对本发明进行详细说明。
附图1为本发明切削力实验装置示意图。
附图2为本发明系统模态试验装置示意图。
附图3为本发明步骤框图。
附图4为本发明二维系统稳定极限图示意图。
附图5为本发明三维系统稳定极限图示意图。
附图中，1铣削刀具，2工件，3测力仪，4工作台，5电荷放大器，6数据采集器，7计算机，8冲击锤，9不同加工阶段的工件，10夹具，11加速度传感器。
参看附图，薄壁复杂曲面工件铣削加工时机床极限稳定工艺参数的确定方法，该方法是通过切削力实验获得加工刀具对该工件材料的切削力和不同加工阶段工件固有频率和模态参数，计算出薄壁复杂曲面工件加工时材料去除的不同阶段机床极限稳定工艺参数，该方法由下列步骤实现：
⑴、通过切削力试验，使用相同的铣削刀具和与加工工件的相同材料的样块，获得x、y方向的瞬时切削力，根据获得x、y方向的瞬时切削力、铣削刀具的轴向切深、铣削刀具的第P个齿的切屑厚度和第P个齿的瞬时与加工工件的接触角，求解切向削力系数
Figure 560187DEST_PATH_IMAGE006
和径向切削力比例系数
Figure 716362DEST_PATH_IMAGE007
。
通过图1所示的切削力实验装置，求解切向削力系数
Figure 513417DEST_PATH_IMAGE006
和径向切削力比例系数
Figure 935302DEST_PATH_IMAGE007
。
由压电式测力仪3获得铣削刀具1对工件2在x、y、z方向的瞬时切削力，经过多通道电荷放大器5放大后由信号采集器6采样后保存在计算机7中。由于铣削刀具1对工件2在z方向的瞬时切削力与x、y方向的瞬时切削力比较较小，做忽略处理。求解切削力系数时，首先去除测力仪3所测得的不可靠的数据文件(如切削过程中发生颤振、实测切削力值发生漂移等)，然后根据加拿大学者Altintas和Budak提出的切削力模型计算铣削力系数。切削力模型如下述公式所示：
 ； 
Figure 181792DEST_PATH_IMAGE010
                                        (1)
公式(1)中：
Figure 149748DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 557465DEST_PATH_IMAGE012
为切向、径向切削力（单位：N）。
Figure 3490DEST_PATH_IMAGE006
为切向切削力系数（单位：N/mm2）。
Figure 196574DEST_PATH_IMAGE013
为径向切削力比例系数（无量纲）。
Figure 335431DEST_PATH_IMAGE014
为轴向切深（mm）。为第P个齿的切屑厚度（单位：mm）。
Figure 981624DEST_PATH_IMAGE016
p为第P个齿的瞬时接触角（单位：°）。
根据作用在铣刀上的力平衡原理推导出：
Figure 29215DEST_PATH_IMAGE017
；
Figure 338973DEST_PATH_IMAGE018
                             (2)
将所有刀齿上的切削力相加，得到作用到刀具上的总体切削力为：
Figure 724212DEST_PATH_IMAGE019
；
Figure 777618DEST_PATH_IMAGE020
                                                           (3)
注：、
Figure 160375DEST_PATH_IMAGE022
为测力仪测的值；
Figure 452816DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 122963DEST_PATH_IMAGE013
为计算的切向切削力系数和径向切削力比例系数；
Figure 817249DEST_PATH_IMAGE014
为设定的轴向切深。
将切削厚度表达式
Figure 531128DEST_PATH_IMAGE015
和刀齿切削力表达式(1)代入公式 (2)，并将其表示为矩阵形式可得：
Figure 576444DEST_PATH_IMAGE023
                                                                  (4)
其中，
Figure 283238DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure 832031DEST_PATH_IMAGE025
、
Figure 982389DEST_PATH_IMAGE026
、
Figure 249423DEST_PATH_IMAGE027
为随时间变化的定向因子，与切入、切出角度及径向切削力比例系数有关；
Figure 995793DEST_PATH_IMAGE028
；
Figure 664672DEST_PATH_IMAGE029
，
Figure 985932DEST_PATH_IMAGE030
和
Figure 474682DEST_PATH_IMAGE031
分别表示刀具结构当前刀齿和前一个刀齿周期的动态位移。
在时域用矩阵形式表示公式(4)为：
Figure 477273DEST_PATH_IMAGE032
                                         (5)
对于铣削力，是以刀齿切削频率或刀齿周期为周期的，因此
Figure 479437DEST_PATH_IMAGE033
可展开为傅立叶级数。根据切削接触条件和参与的切削的刀齿数，所确定的刀齿切削频率的谐波次数被认为是
Figure 783380DEST_PATH_IMAGE033
的精确重构。采用近似方法，用傅立叶展开的平均量代替，动态铣削力 (4)被简化为：
Figure 515023DEST_PATH_IMAGE034
                                           (6)
其中，
Figure 115769DEST_PATH_IMAGE035
，Z为刀具刀齿数。
切削力(6)在频域中的表达式：
Figure 641428DEST_PATH_IMAGE036
                          (7)
其中，
Figure 985822DEST_PATH_IMAGE037
为刀具-复杂薄壁曲面接触区的传递函数矩阵，
Figure 795384DEST_PATH_IMAGE038
、
Figure 301452DEST_PATH_IMAGE039
为x和y方向的直接传递函数，
Figure 579986DEST_PATH_IMAGE040
、
Figure 462492DEST_PATH_IMAGE041
为交叉传递函数；
Figure 814975DEST_PATH_IMAGE042
为给定的颤振频率。
令公式(7)行列式为零，求其特解得：
                            (8)
只考虑法向y的自由度，即，
Figure 491441DEST_PATH_IMAGE045
，公式(8)变为：
Figure 698432DEST_PATH_IMAGE046
                                  (9)
则得到y方向上运动方程的传递函数为：
Figure 114677DEST_PATH_IMAGE047
                                      (10)
公式(10)中：
Figure 102224DEST_PATH_IMAGE048
，
Figure 326532DEST_PATH_IMAGE049
、
Figure 466658DEST_PATH_IMAGE050
为刀具切入、切出角。
注：对于顺铣加工
Figure 751009DEST_PATH_IMAGE049
与切削参数中的径向切宽
Figure 960273DEST_PATH_IMAGE051
及刀具直径
Figure 988272DEST_PATH_IMAGE052
有关，
Figure 481439DEST_PATH_IMAGE053
，可计算出；
Figure 812057DEST_PATH_IMAGE054
。
⑵、将被加工工件的毛坯按铣削加工去除量设置为不同加工阶段，通过模态试验装置，获取加工机床对于不同加工阶段的工件和铣削刀具构成的系统的固有频率
Figure 711880DEST_PATH_IMAGE008
和模态参数，模态参数包括：系统的等效刚度k、系统的等效质量m和系统的等效阻尼c。
通过模态试验，获取系统模态参数。具体步骤如下：
通过图2所示的由冲击锤8、加速度传感器11（激光位移传感器）、数据采集器6、模态分析软件、计算机7以及辅助夹具10等构成的模态试验装置，获取寻找不同加工阶段的工件9最佳激励点，得出不同加工阶段所对应的固有频率
Figure 340308DEST_PATH_IMAGE008
和模态等参数，模态等参数包括：振动系统的等效刚度k（单位：N/mm），振动系统的等效质量m（单位：N·s2/mm），振动系统的等效阻尼c（单位：N·s/mm）。
    在1中切削力模型基础上，建立动态铣削动力学模型：
        
Figure 376397DEST_PATH_IMAGE056
                                           (11)
    公式中
Figure 317064DEST_PATH_IMAGE057
为在Y方向上的振动位移（mm）；为动态切削力（N）。
    对公式(11)进行拉氏变换，整理得到振动系统的传递函数：
    
Figure 870723DEST_PATH_IMAGE059
                                 (12)
式中，
Figure 839947DEST_PATH_IMAGE060
；为颤振系统的固有频率。
    根据自动控制原理可知，当传递函数的特征方程根的实部为0时，系统处于稳定与不稳定的临界状态，令σ=0，则s=iω，代入公式(12)，整理得：
    
Figure 308154DEST_PATH_IMAGE062
                                     (13)
其中，
Figure 216067DEST_PATH_IMAGE063
。
    注：k、m、c 、
Figure 538333DEST_PATH_IMAGE064
均为模态实验测的值。
⑶、根据步骤⑴获得的切向削力系数、、径向切削力比例系数
Figure 664738DEST_PATH_IMAGE013
和步骤⑵获得的固有频率
Figure 376342DEST_PATH_IMAGE064
、系统的等效刚度k、系统的等效质量m和系统的等效阻尼c获得加工机床对于不同加工阶段的工件和铣削刀具构成的系统处于稳定与不稳定临界状态的最大轴向切深以及与其相对应的主轴转速。
将步骤2中获得的模态参数代入传递函数公式(13)中，步骤1中的传递函数(10)和步骤2中的传递函数(13)联立得出系统处于稳定与不稳定临界状态的最大轴向切深以及与其相对应的主轴转速公式。具体步骤如下：
令公式(10)和公式(13)的实部和幅角分别相等，整理得出系统处于稳定与不稳定临界状态的最大轴向切深公式(14)以及与最大轴向切深相对应的主轴转速公式(15)。
加工系统稳定的最大轴向切削深度为：
Figure 320158DEST_PATH_IMAGE065
                                   (14)
与式(14)对应的主轴转速为：
，
Figure 839181DEST_PATH_IMAGE067
=0,1,2,3…                        (15)
公式(15)中=0,1,2,3…对应每个稳定性叶瓣。
为便于实际使用方便和直观反映系统的稳定状态数值，将步骤⑶获得加工机床对于同一加工阶段的工件和铣削刀具构成的系统处于稳定与不稳定临界状态最大轴向切深与其相对应主轴转速构成二维系统稳定极限图（Lobe图）。
将步骤⑶获得加工机床对于不同加工阶段的工件和铣削刀具构成的系统处于稳定与不稳定临界状态最大轴向切深与其相对应主轴转速，不同加工阶段为第三维，构成三维系统稳定极限图（Lobe图）。

Claims (3)

1.薄壁复杂曲面工件铣削加工时机床极限稳定工艺参数的确定方法，该方法是通过切削力实验获得加工刀具对该工件材料的切削力和不同加工阶段工件固有频率和模态参数，计算出薄壁复杂曲面工件加工时材料去除的不同阶段机床极限稳定工艺参数，其特征在于：所述的方法由下列步骤实现：
⑴、通过切削力试验，使用相同的铣削刀具和与加工工件的相同材料的样块，获得x、y方向的瞬时切削力，根据获得x、y方向的瞬时切削力、铣削刀具的轴向切深、铣削刀具的第P个齿的切屑厚度和第P个齿的瞬时与加工工件的接触角，求解切向削力系数                                                
Figure 568215DEST_PATH_IMAGE001
和径向切削力比例系数
Figure 149369DEST_PATH_IMAGE002
；
⑵、将被加工工件的毛坯按铣削加工去除量设置为不同加工阶段，通过模态试验装置，获取加工机床对于不同加工阶段的工件和铣削刀具构成的系统的固有频率
Figure 484536DEST_PATH_IMAGE003
和模态参数，模态参数包括：系统的等效刚度k、系统的等效质量m和系统的等效阻尼c；
⑶、根据步骤⑴获得的切向削力系数、径向切削力比例系数
Figure 416906DEST_PATH_IMAGE002
和步骤⑵获得的固有频率
Figure 914883DEST_PATH_IMAGE003
、系统的等效刚度k、系统的等效质量m和系统的等效阻尼c获得加工机床对于不同加工阶段的工件和铣削刀具构成的系统处于稳定与不稳定临界状态的最大轴向切深以及与其相对应的主轴转速。
2.根据权利要求1所述的薄壁复杂曲面工件铣削加工时机床极限稳定工艺参数的确定方法，其特征在于：将步骤⑶获得加工机床对于同一加工阶段的工件和铣削刀具构成的系统处于稳定与不稳定临界状态最大轴向切深与其相对应主轴转速构成二维系统稳定极限图。
3.根据权利要求1或2所述的薄壁复杂曲面工件铣削加工时机床极限稳定工艺参数的确定方法，其特征在于：将步骤⑶获得加工机床对于不同加工阶段的工件和铣削刀具构成的系统处于稳定与不稳定临界状态最大轴向切深与其相对应主轴转速，不同加工阶段为第三维，构成三维系统稳定极限图。
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