CN103268430B - 基于机床刀具动刚度测量的铣削工艺参数优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于铣床刀具动刚度测量的铣削加工工艺参数优化方法，其步骤是：1.机床铣刀系统的动刚度测量计算，1）建立机床铣刀系统动力学模型，2）机床铣刀静刚度测量计算，3）机床铣刀系统固有频率和阻尼比测量计算；2.铣削加工工艺优化。本发明在测量计算铣床刀具系统的静刚度和动刚度的基础上，通过测量计算机床刀具在X和Y方向上的静刚度与动刚度，并结合切削过程中铣削力获得铣削加工过程中刀具的变形量，利用遗传算法优化的铣削加工工艺参数，该方法易操作，实用性强，对实际铣削加工提高加工精度和加工效率有重要意义。

Description

基于机床刀具动刚度测量的铣削工艺参数优化方法

技术领域

本发明涉及一种铣削加工工艺参数优化方法，尤其是一种基于机床刀具动刚度测量的铣削工艺参数优化方法。

背景技术

数控铣削加工过程中，机床、刀具、工件共同组成一个切削过程动力学系统，切削力、加工变形、振动等动力学现象已成为决定数控铣削加工质量与加工效率的关键因素。因此，通过对切削过程中的动力学系统的测量计算来优化铣削加工工艺参数对提供加工质量与加工效率有重要意义。以往一般是根据磨削颤振的稳定性曲线，确定磨削加工中的工艺参数，以使磨削过程在不发生颤振的前提下，最高效率的完成磨削任务。然而，该方法在实际工程确定磨削颤振的稳定性曲线较为复杂，难以在被测对象安装各种测量装置，不适于机床操作者掌握。而实际铣削加工过程中铣削力具有一定的交变频率，因此，本发明专利提出一种基于机床刀具系统动刚度测量的外圆磨削工艺参数优化方法，该方法通过利用压力传感器和电涡流位移传感器测量计算机床刀具系统的静刚度和动刚度，并结合切削过程中铣削力获得铣削加工过程中刀具的变形量，利用遗传算法优化的铣削加工工艺参数。该方法易操作，有很强的实用性，对实际铣削提高加工精度和加工效率有重要意义。

发明内容

本发明是要提供一种基于铣床刀具动刚度测量计算的铣削加工工艺参数优化方法，来获得最小刀具切削变形的优化铣削加工工艺参数，以此有效地提高铣削加工效率和加工质量。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于铣床刀具动刚度测量的铣削加工工艺参数优化方法，其步骤是：

一 .机床铣刀系统的动刚度测量计算

1）建立机床铣刀系统动力学模型

机床-刀具系统简化为X和Y相互垂直方向上的二自由度振动系统，如下式所示：

（1）

式中：，—分别为X、Y方向上机床—刀具系统的质量；

，—分别为X、Y方向上机床—刀具系统的阻尼；

，—分别为X、Y方向上机床—刀具系统的静刚度；

，—分别为X、Y方向上作用在刀具切削力的分力；

经拉普拉斯转换得到：

（2）

式中：，—分别为X、Y方向上机床—刀具系统的动刚度；

由上式（2）可知，机床-刀具系统的动刚度可表示为：

（3）

式中：，—分别为X、Y方向上机床—刀具系统的静刚度；

，—分别为X、Y方向上机床—刀具系统的阻尼比；

，—分别为X、Y方向上机床—刀具系统的交变频率与固有频率比；其交变频率为，为铣刀齿数，为主轴转速；

2）机床铣刀静刚度测量计算

利用实验方法求刀具系统静刚度，刀具通过刀柄固定在主轴上，使用压力传感器在刀具的刀尖位置上施加一定力，同时电涡流位移传感器测量出刀具的刀尖变形量，通过数据采集卡和计算机记录压力信号和电涡流位移传感器的位移信号，利用下式计算出刀具静刚度：

（4）

3）机床铣刀系统固有频率和阻尼比测量计算

使用阶跃响应法来计算刀具系统的固有频率和阻尼比，步骤如下：首先利用拉力传感器通过细绳对刀具施加一定的拉力作为系统输入信号；然后使用剪刀把细绳瞬间剪断，通过电涡流位移传感器采集刀具另一端的位移振动的输出信号,最后通过阶跃响应频响函数计算出刀具系统的固有频率和阻尼比；

通过上述静刚度测量和上述阶跃响应法可测量出机床-刀具系统X方向上的静刚度、固有频率和阻尼比，进而求出X方向的动刚度；用相同方法测量出机床-刀具系统Y方向上的静刚度、固有频率和阻尼比，求出Y方向的动刚度；

二 .铣削加工工艺优化

根据铣削加工原理，得到作用在整个铣刀上在X和Y方向上的瞬时切削力，如下式：

（5）

式中，、、、分别为刀具主轴转速、刀具切削宽度、工件进给速度、刀具切削深度。

通过上述加工工艺参数可确定铣刀X方向和Y方向的铣削力值，结合机床-刀具系统的动刚度测量计算式（3），计算出铣削刀具在X方向和Y方向上的动态变形量，如式（6）所示：

（6）

设主轴转速、切削宽度、工件进给速度、刀具切削深度及每齿切削量的约束条件为、、、、，对应于任一组参数，根据公式（6）可计算出铣削刀具的总变形，铣削材料去除率为，建立目标优化函数和：

（7）

正规化后，各铣削工艺参数作为个体的表现形式为：

（8）

设定遗传算法的参数，世代数为，个体数为，一个变量个体的位长为，交叉率为，突然变异率为。可获得遗传算法优化后的结果主轴转速、切削宽度、工件进给速度、刀具切削深度做为机床加工工艺参数。

本发明的有益效果：

该发明专利在测量计算铣床刀具系统的静刚度和动刚度的基础上，通过测量计算机床刀具在X和Y方向上的静刚度与动刚度，并结合切削过程中铣削力获得铣削加工过程中刀具的变形量，利用遗传算法优化的铣削加工工艺参数，该方法易操作，实用性强，对实际铣削加工提高加工精度和加工效率有重要意义。

附图说明

图1是铣削刀具系统动力学模型图；

图2是铣削刀具静刚度测量示意图；

图3是铣削刀具动刚度测量示意图；

图4 是阶跃响应的刀尖位移振动信号图。

具体实施方式

本发明的基于铣床刀具动刚度测量的铣削加工工艺参数优化方法，其步骤是：

一 机床铣刀系统的动刚度测量计算

1）机床铣刀系统动力学模型

如图1所示，机床-刀具系统可简化为X和Y相互垂直方向上的二自由度振动系统，如下式所示：

（1）

式中：，—分别为X、Y方向上机床—刀具系统的质量；

，—分别为X、Y方向上机床—刀具系统的阻尼；

，—分别为X、Y方向上机床—刀具系统的静刚度；

，—分别为X、Y方向上作用在刀具切削力的分力；

经拉普拉斯转换可得：

（2）

式中：，—分别为X、Y方向上机床—刀具系统的动刚度；

由上式（2）可知，机床-刀具系统的动刚度可表示为：

（3）

式中：，—分别为X、Y方向上机床—刀具系统的静刚度；

，—分别为X、Y方向上机床—刀具系统的阻尼比；

，—分别为X、Y方向上机床—刀具系统的交变频率与固有频率比；其交变频率为，为铣刀齿数，为主轴转速。

由上式（3）可知，分别计算机床-刀具系统X方向和Y方向的静刚度、固有频率和阻尼比，可计算出各方向的动刚度。因为X方向和Y方向的动刚度计算方法相同，所以本发明专利以X方向为例进行计算说明。

2）机床铣刀静刚度测量计算

如图2所示，利用实验方法求刀具系统静刚度，刀具3通过刀柄2固定在主轴1上，使用压力传感器4在刀具3的刀尖位置上施加一定力，同时电涡流位移传感器5测量出刀具3的刀尖变形量，通过数据采集卡6和计算机7记录压力信号和电涡流位移传感器的位移信号，利用下式计算出刀具静刚度：

（4）

3）机床铣刀系统固有频率和阻尼比测量计算

如图3所示，本发明专利使用阶跃响应法来计算刀具系统的固有频率和阻尼比，步骤如下：首先利用拉力传感器9通过细绳8对刀具3施加一定的拉力作为系统输入信号；然后使用剪刀把细绳瞬间剪断，通过电涡流位移传感器5采集刀具另一端的位移振动的输出信号,其测量结果如图4所示；最后通过阶跃响应频响函数计算出刀具系统的固有频率和阻尼比。

通过上述静刚度测量和上述阶跃响应法可测量出机床-刀具系统X方向上的静刚度、固有频率和阻尼比，进而求出X方向的动刚度；用相同方法也可以测量出机床-刀具系统Y方向上的静刚度、固有频率和阻尼比，求出Y方向的动刚度。

二 铣削加工工艺优化

根据铣削加工原理，可得到作用在整个铣刀上在X和Y方向上的瞬时切削力，如下式：

（5）

式中，、、、分别为刀具主轴转速、刀具切削宽度、工件进给速度、刀具切削深度。

通过上述加工工艺参数可确定铣刀X方向和Y方向的铣削力大小，结合机床-刀具系统的动刚度测量计算式（3），可计算出在一定切削工艺参数的情况下的铣削刀具在X方向和Y方向上的动态变形量，如式（6）所示：

（6）

结合铣削工件的加工效率和尺寸要求，即可分析在铣削工艺参数、、、的情况下铣削刀具的最大切削变形量。由此判定铣削刀具的切削能力及加工精度，从而为铣削工艺参数优化提供依据；

专利利用遗传算法对此铣削工艺参数优化，设主轴转速、切削宽度、工件进给速度、刀具切削深度及每齿切削量的约束条件为、、、、，对应于任一组参数，根据公式（6）可计算出铣削刀具的总变形，铣削材料去除率为，建立目标优化函数和：

（7）

正规化后，各铣削工艺参数作为个体的表现形式为：

（8）

设定遗传算法的参数，世代数为，个体数为，一个变量个体的位长为，交叉率为，突然变异率为。可获得遗传算法优化后的结果主轴转速、切削宽度、工件进给速度、刀具切削深度做为机床加工工艺参数。

应用案例

该案例中所使用机床为沈阳机床厂生产的三轴立式加工中心VMC1165B，刀具的直径为10mm，材质为硬质合金刚，刀的齿数为2。因为在机床XY平面上的X和Y方向的动刚度计算方法相同，本案例以X方向动刚度计算为例。

1）铣床刀具静刚度测量计算

按照图2的方法测量刀具的静刚度。利用公式（4）可计算其静刚度：

2）铣床刀具系统固有频率和阻尼比测量计算

根据图4的实测曲线，利用系统阶跃响应方法，可获得机床刀具系统的固有频率=890Hz和阻尼比=0.00227。

3）铣床刀具动刚度计算结果

根据公式（7），可计算动刚度如下：

其中，交变频率，铣刀齿数。利用相同方法可计算出机床刀具系统Y方向的动刚度。

4）铣削工艺参数优化计算

设铣削各工艺参数的约束条件为：主轴转速1000r/min 8000r/min、切削宽度0.1mm 10mm、工件进给速度100mm/min 500mm/min、刀具切削深度0.1mm 5mm及每齿切削量0.01mm 0.1mm。建立目标优化函数：

正规化后，各铣削工艺参数作为个体的表现形式为：

选定遗传算法的参数，世代数为30，个体数100，一个变量个体的位长=9，交叉率为0.6，突然变异率为0.001。得到铣削工艺参数优化结果：主轴转速为=7500r/min，切削深度为=2.6mm，切削宽度=0.6mm，工件进给速度=350mm/min。

Claims (1)

1.一种基于铣床刀具动刚度测量的铣削加工工艺参数优化方法，其特征在于，其步骤是：

一 .机床铣刀系统的动刚度测量计算

1）建立机床铣刀系统动力学模型

机床-刀具系统简化为X和Y相互垂直方向上的二自由度振动系统，如下式所示：

（1）

式中：，—分别为X、Y方向上机床—刀具系统的质量；

，—分别为X、Y方向上机床—刀具系统的阻尼；

，—分别为X、Y方向上机床—刀具系统的静刚度；

，—分别为X、Y方向上作用在刀具切削力的分力；

经拉普拉斯转换得到：

（2）

式中：，—分别为X、Y方向上机床—刀具系统的动刚度；

由上式（2）得知，机床-刀具系统的动刚度表示为：

（3）

式中：，—分别为X、Y方向上机床—刀具系统的静刚度；

，—分别为X、Y方向上机床—刀具系统的阻尼比；

，—分别为X、Y方向上机床—刀具系统的交变频率与固有频率比；其交变频率为，为铣刀齿数，为主轴转速；

2）机床铣刀静刚度测量计算

利用实验方法求刀具系统静刚度，刀具（3）通过刀柄（2）固定在主轴（1）上，使用压力传感器（4）在刀具（3）的刀尖位置上施加一定力，同时电涡流位移传感器（5）测量出刀具（3）的刀尖变形量，通过数据采集卡（6）和计算机（7）记录压力信号和电涡流位移传感器的位移信号，利用下式计算出刀具静刚度：

（4）

3）机床铣刀系统固有频率和阻尼比测量计算

使用阶跃响应法来计算刀具系统的固有频率和阻尼比，步骤如下：首先利用拉力传感器（9）通过细绳（8）对刀具（3）施加一定的拉力作为系统输入信号；然后使用剪刀把细绳瞬间剪断，通过电涡流位移传感器（5）采集刀具另一端的位移振动的输出信号,最后通过阶跃响应频响函数计算出刀具系统的固有频率和阻尼比；

通过上述静刚度测量和上述阶跃响应法可测量出机床-刀具系统X方向上的静刚度、固有频率和阻尼比，进而求出X方向的动刚度；用相同方法测量出机床-刀具系统Y方向上的静刚度、固有频率和阻尼比，求出Y方向的动刚度；

二. 铣削加工工艺优化

根据铣削加工原理，得到作用在整个铣刀上在X和Y方向上的瞬时切削力，如下式：

（5）

式中，、、、分别为刀具主轴转速、刀具切削宽度、工件进给速度、刀具切削深度；

通过上述加工工艺参数确定铣刀X方向和Y方向的铣削力值，结合机床-刀具系统的动刚度测量计算式（3），计算出铣削刀具在X方向和Y方向上的动态变形量，如式（6）所示：

（6）

设主轴转速、切削宽度、工件进给速度、刀具切削深度及每齿切削量的约束条件为、、、、，对应于任一组参数，根据公式（6）可计算出铣削刀具的总变形，铣削材料去除率为，建立目标优化函数和：

（7）

正规化后，各铣削工艺参数作为个体的表现形式为：

（8）

设定遗传算法的参数，世代数为，个体数为，一个变量个体的位长为，交叉率为，突然变异率为；

可获得遗传算法优化后的结果主轴转速、切削宽度、工件进给速度、刀具切削深度做为机床加工工艺参数。