CN108747589B - 切削过程中加工阻尼系数的快速准确识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速识别切削加工阻尼系数的方法，可用于车削、铣削、拉削、刨削等加工工艺中。与此前的一些方法相比，本识别方法具有计算简单实用等优点。由于在加工比如镍基合金，钛合金、不锈钢、模具钢等难加工材料时，受到刀具使用条件的限制，难以采用高速切削进行加工，在加工的获得其准确的切削加工阻尼系数，可准确预测其颤振区域，可以准确获得切削加工稳定区域，在稳定区域内为避免切削加工中的颤振选择更加合适的切削参数，为进一步提高切削加工效率，工件表面质量，刀具及机床的使用寿命提供基础。

Description

切削过程中加工阻尼系数的快速准确识别方法

技术领域

本发明属于机械加工领域，特别涉及一种切削过程中加工阻尼系数的快速准确识别方法。

背景技术

机床在低速进行切削加工时会出现再生颤振现象，它在车刀和工件之间造成了过多的震动，导致加工工件表面质量下降、噪声和车刀磨损，降低了机床的寿命、可靠性和安全性，因此再生颤振成为制约进一步提高加工效率的主要约束之一，而由于加工阻尼的存在，使的难以准确预测低速切削加工中稳定性，而加工阻尼是由于车刀后刀面与已成形表面间的接触引起的。在一些难加工材料，如热阻性合金钢，不锈钢，镍基合金等材料，考虑车刀使用寿命，难以采用较高速度进行切削加工，对在低速进行切削加工难加工材料的切削参数稳定区域准确获得具有重要意义。

发明内容

本发明公开了一种切削过程中加工阻尼系数的快速准确识别方法，准确快速计算出了单位长度的切削加工阻尼系数，准确获得切削加工阻尼系数，可以准确获得切削加工稳定区域，为避免切削加工中的颤振选择更加合适的切削参数，提高切削加工效率，工件表面质量，刀具及机床的使用寿命。

实现本发明上述目的的技术方案如下所示：

一种切削过程中加工阻尼系数的快速准确识别方法，包括如下步骤：

步骤一、通过大于50m/s的高速车削试验获得切削力数据，并在车刀上布置加速度传感器，建立x-y-z系坐标系，同步采集数据获得车刀的切削力及车刀分别在x，y，z向的加速度并将数据进行积分，获得不同方向的切削速度，同时将不同切削深度h下的切削力进行最小二乘法线性拟合，获得车刀的切削力系数；高速切削时，只有结构阻尼，而切削的加工阻尼系数忽略不计，则有：

F_t＝K_t·(h-y)·(f-x)

F_r＝K_r·(h-y)·(f-x)

F_e＝K_e·(h-y)·(f-x)

由于切削力可以通过测力仪测得，切削深度h，进给速度f，及其在这两个方向的位移通过加速度的2次积分获得，将不同切削速度下的切削力求得切削力系数；K_t表示车刀进给方向的切削力系数，K_r表示车刀切削深度方向的切削力系数，K_e表示与由进给方向和切削深度方向组成的平面的法向的切削力系数；F_t表示车刀进给方向的切削力，F_r表示车刀切削深度方向的切削力，F_e表示与由进给方向和切削深度方向组成的平面的法向的切削力；

x₁表示车刀刀尖在x方向的位移，表示车刀刀尖在x方向的速度，t表示从切削开始到某个设定时间点或设定速度的时间；dt表示对t求微分；采用测力仪测得车刀在x,y,z方向的切削力，z是由x,y组成的平面的法线；y表示车刀刀尖在y方向的位移；表示车刀刀尖在y方向的速度；

在车刀运动的方向中，定义t为车削中车刀的进给方向；r为与进给方向相垂直的方向即为切削深度方向即轴向，e为由t，r组成平面的法线，定义为径向；若x-y-z坐标系与t，r，e坐标系一致，则切削力在两个坐标系各个方向分力相等；

若x-y-z坐标系与t，r，e坐标系不一致，则通过坐标变化获得切削力在t，r，e方向的切削分力；假设x-y-z坐标系与t，r，e坐标系间的偏转角度均可以由Z轴为中心轴旋转θ角度形成x₃-y₃-z₃坐标系,再以x轴为旋转中心旋转β角度实现：F_x表示x轴向的切削力，F_y表示y轴向的切削力，F_z表示Z轴向的切削力；

A₁表示从x-y-z坐标系到x₃-y₃-z₃坐标系的变换矩阵，A₂表示从x₃-y₃-z₃坐标系到t-r-e坐标系的变换矩阵；F_3x表示x₃轴向的切削力，F_3y表示y₃轴向的切削力，F_3z表示z₃轴向的切削力；

则有切削力模型：

F_t＝K_t·(h-y¹)·(f-x¹)

F_r＝K_r·(h-y¹)·(f-x¹)

F_e＝K_e·(h-y¹)·(f-x¹)

y¹表示y方向的车刀的位移，x¹表示车刀x方向的位移；

其中，F_t表示切向切削力，F_r表示径向切削力，F_a表示轴向切削力，h为切削厚度；f表示工件进给速度；

切削力系数K_t，K_r，K_e，变更切削厚度获得多组数据，得到切削力系数K_t，K_r，K_e的值；

步骤二、通过模态试验获得机床的结构阻尼系数C_s；

步骤三、采用与上一步同样的车刀，工件，机床进行切削加工实验，采集切削力数据，建立x₂-y₂-z₂坐标系，并在相同位置布置加速度传感器，进行小于1m/s的低速车削试验；通过数据采集系统，同步采集数据获得车刀的切削力及x₂，y₂，z₂向的加速度此阶段，切削力包括切削阻尼力，切削加工中阻尼作用产生切削加工阻尼力，切削阻尼系数包括系统结构的阻尼系数及切削中车刀后刀面与工件摩擦引起的切削阻尼力：

若x₂-y₂-z₂坐标系与u，v，e坐标系一致，则切削力在其各个方向分力相等；u表示切削过程中加工阻尼在u方向的投影坐标方向,v表示切削过程中加工阻尼在v方向的投影坐标方向，C表示切削加工阻尼系数，α表示车刀的后角；

F_c表示切削过程中加工阻尼力；C表示加工阻尼；表示切削过程中加工阻尼力在u方向的分力；

表示切削过程中加工阻尼力在u方向的分力；表示车刀在y₂方向的速度，α为车刀的后角；x₂ ²表示车刀在x₂方向的位移，f表示工件进给速度，则有：

表示在x₂方向的总的切削力，表示在y₂方向的总的切削力，表示在z₂方向的总的切削力，V表示切削加工速度；

π表示圆周率，r表示工件的转速，R表示工件的半径，f表示工件的进给速度，由于f与工件的半径相比，非常小，忽略不计，则有：

V＝2π·r·R

若x-y-z坐标系与u，v，e坐标系不一致，则可以通过坐标变换获得切削力在u，v，e方向的切削分力在x-y-z坐标系中的切削力；假设u，v，e坐标系与x₂-y₂-z₂坐标系间的偏转角度可以由Z轴为中心轴旋转θ₁角度形成坐标系x₄-y₄-z₄，再以x轴为旋转中心旋转β₁角度实现；

A₃表示u，v，e坐标系向x₄-y₄-z₄坐标系的变换矩阵，A₄表示x₄-y₄-z₄坐标系向u，v，e坐标系的变换矩阵；F_cx表示切削加工阻尼力在坐标系x₄-y₄-z₄中x₄方向的切削力，F_cy表示切削加工阻尼力在坐标系x₄-y₄-z₄中y₄方向的切削力，F_ez表示切削加工阻尼力在坐标系x₄-y₄-z₄中y₄方向的切削力；F_c-x表示切削加工阻尼力在坐标系x-y-z中x方向的切削力；F_c-y表示切削加工阻尼力在坐标系x-y-z中y方向的切削力；F_e-z表示切削加工阻尼力在坐标系x-y-z中z方向的切削力；则：

y₂ ²表示切削深度方向刀尖的位移，依据获得的切削力系数K_t，K_r，K_e，加速度传感器测得x与y方向的速度及位移x₂，y₂及切削加工参数h，f，机床转速r，工件半径R，便可以获得切削阻尼系数C；

步骤四：在步骤三的基础上，分别使用具有不同车刀的后角α的车刀，重复参照步骤二、步骤三进行试验，至少3组，进行切削加工实验，获得了3个切削加工阻尼系数，C¹，C²，C³，通过计算获得其对应的后刀面与工件的接触长度l¹，l²，l³，采用最小二乘法将以上数据进行线性拟合，由于系统的结构阻尼是由机床决定的，为常数，其在高速切削与低速切削的阻尼值不会变化；即可获得单位长度的切削加工阻尼系数。

进一步的改进，所述步骤一中，切削速度为60m/s，工件进给速度为1mm/s，切削厚度从0.1-2.1mm按照0.2mm递增，并测得切削力数据，将由切削力数据获得切削力系数进行线性拟合，获得切削力系数K_t，K_r，K_e。

阻尼系数与阻尼值有相关公式可以计算与转换，加工稳定区域的计算较为复杂，可以简单归纳为，获得切削力与位移之间的传递函数，切削力与位移之间的函数关系，最后获得切削深度与相邻刀齿切削深度间的关系，再求方程的特征根，最后依据稳定性判别等过程，获得临界切削深度与切削速度间的关系，超过临界切削深度为不稳定区域；单位长度的切削加工阻尼力与由切削深度、刀具后角决定的刀具与工件摩擦长度进行乘积获得刀具与工件间的切削加工阻尼力。

附图说明

图1是高速切削中切削力示意图

图2低速切削中切削力示意图。

具体实施方式

第一步：通过高速车削试验获得切削力数据，并在尽可能靠近刀尖的位置布置加速度传感器，具体距离刀尖从1-4mm，即当切削深度为0.1mm时，传感器离刀尖1mm；当切削深度为2.1mm时,传感器离刀尖4mm，这不仅要考虑刀尖的切入深度，还需要避免切削过程中的切屑与传感器间的接触。通过数据采集系统，同步采集数据获得切削力及x，y，z向的加速度并将其数据拟合，获得切削力系数。考虑到高速切削时(切削速度大于50m/s)，系统只有结构阻尼，而切削的加工阻尼系数忽略不计；

x₁表示刀具刀尖在x方向的位移，表示刀具刀尖在x方向的位移。

在高速车削试验中，采用测力仪测得在x,y,z方向的切削力，z是由x,y组成的平面的法线；

在车刀运动的方向中，定义t，为车削中车刀的进给方向；r为与进给方向相垂直的方向，e为轴向；由t，r组成平面的法线，定义为径向。若x-y-z坐标系与t，r，e坐标系一致，则切削力在其各个方向分力相等；

若x-y-z坐标系与t，r，e坐标系不一致，则可以通过坐标变化获得切削力在t，r，e方向的切削分力。假设x-y-z坐标系与t，r，e坐标系间的偏转角度均可以由Z轴为中心轴旋转θ角度形成x₃-y₃-z₃坐标系,再以x轴为旋转中心旋转β角度实现：F_x表示x轴向的切削力，F_y表示y轴向的切削力，F_z表示Z轴向的切削力；

A₁表示从x-y-z坐标系到x₃-y₃-z₃坐标系的变换矩阵，A₂表示从x₃-y₃-z₃坐标系到t-r-e坐标系的变换矩阵；F_3x表示x₃轴向的切削力，F_3y表示y₃轴向的切削力，F_3z表示z₃轴向的切削力；

则有切削力模型：

F_t＝K_t·(h-y¹)·(f-x¹)

F_r＝K_r·(h-y¹)·(f-x¹)

F_e＝K_e·(h-y¹)·(f-x¹)

y¹表示y方向的车刀的位移，x¹表示车刀x方向的位移；

其中，F_t表示切向切削力,F_r表示径向切削力,F_a表示轴向切削力，h为切削厚度；f表示工件进给速度；

切削力系数K_t，K_r，K_e，变更切削厚度获得多组数据，得到切削力系数K_t，K_r，K_e的值；

步骤二、通过模态试验获得机床的结构阻尼系数C_s；

步骤三、采用与上一步同样的车刀，工件，机床进行切削加工实验，采集切削力数据，建立x₂-y₂-z₂坐标系，并在相同位置布置加速度传感器，进行小于1m/s的低速车削试验；通过数据采集系统，同步采集数据获得车刀的切削力及x₂，y₂，z₂向的加速度此阶段，切削力包括切削阻尼力，切削加工中阻尼作用产生切削加工阻尼力，切削阻尼系数包括系统结构的阻尼系数及切削中车刀后刀面与工件摩擦引起的切削阻尼力：

若x₂-y₂-z₂坐标系与u，v，e坐标系一致，则切削力在其各个方向分力相等；u表示切削过程中加工阻尼在u方向的投影坐标方向,v表示切削过程中加工阻尼在v方向的投影坐标方向，C表示切削加工阻尼系数，α表示车刀的后角；

F_c表示切削过程中加工阻尼力；C表示加工阻尼；表示切削过程中加工阻尼力在u方向的分力；

表示切削过程中加工阻尼力在u方向的分力；表示车刀在y₂方向的速度，α为车刀的后角；x₂ ²表示车刀在x₂方向的位移，f表示工件进给速度，则有：

表示在x₂方向的总的切削力，表示在y₂方向的总的切削力，表示在z₂方向的总的切削力，V表示切削加工速度；

π表示圆周率，r表示工件的转速，R表示工件的半径，f表示工件的进给速度，由于f与工件的半径相比，非常小，忽略不计，则有：

V＝2π·r·R

若x-y-z坐标系与u，v，e坐标系不一致，则可以通过坐标变换获得切削力在u，v，e方向的切削分力在x-y-z坐标系中的切削力；假设u，v，e坐标系与x₂-y₂-z₂坐标系间的偏转角度可以由Z轴为中心轴旋转θ₁角度形成坐标系x₄-y₄-z₄，再以x轴为旋转中心旋转β₁角度实现；

A₃表示u，v，e坐标系向x₄-y₄-z₄坐标系的变换矩阵，A₄表示x₄-y₄-z₄坐标系向u，v，e坐标系的变换矩阵；F_cx表示切削加工阻尼力在坐标系x₄-y₄-z₄中x₄方向的切削力，F_cy表示切削加工阻尼力在坐标系x₄-y₄-z₄中y₄方向的切削力，F_ez表示切削加工阻尼力在坐标系x₄-y₄-z₄中y₄方向的切削力；F_c-x表示切削加工阻尼力在坐标系x-y-z中x方向的切削力；F_c-y表示切削加工阻尼力在坐标系x-y-z中y方向的切削力；F_e-z表示切削加工阻尼力在坐标系x-y-z中z方向的切削力；则：

y₂ ²表示切削深度方向刀尖的位移，依据获得的切削力系数K_t，K_r，K_e，加速度传感器测得x与y方向的速度及位移x₂，y₂及切削加工参数h，f，机床转速r，工件半径R，便可以获得切削阻尼系数C；

第四步：在第三步的基础上，分别更改不同类型的刀具，主要改变刀具后刀面与工件的角度，即刀具的后角α，重复参照第二步、第三进行试验，至少3组，进行切削加工实验，获得了3个切削加工阻尼系数，C¹，C²，C³，通过计算获得其对应的后刀面与工件的接触长度l¹，l²，l³，将采用最小二乘法将以上数据进行线性拟合，由于系统的结构阻尼是由机床决定的(常数)，其在高速切削与低速切削的阻尼值不会变化。即可获得单位长度(刀具后刀面与工件接触长度)的切削加工阻尼系数。

以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (2)

1.一种切削过程中加工阻尼系数的快速准确识别方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、通过大于50m/s的高速车削试验获得切削力数据，并在车刀上布置加速度传感器，建立x-y-z系坐标系，同步采集数据获得车刀的切削力及车刀分别在x，y，z向的加速度并将数据进行积分，获得不同方向的切削速度，同时将不同切削深度h下的切削力进行最小二乘法线性拟合，获得车刀的切削力系数；高速切削时，只有结构阻尼，而切削的加工阻尼系数忽略不计，则有：

F_t＝K_t·(h-y)·(f-x)

F_r＝K_r·(h-y)·(f-x)

F_e＝K_e·(h-y)·(f-x)

由于切削力可以通过测力仪测得，切削深度h，进给速度f,及其在这两个方向的位移通过加速度的2次积分获得，将不同切削速度下的切削力求得切削力系数；K_t表示车刀进给方向的切削力系数，K_r表示车刀切削深度方向的切削力系数，K_e表示与由进给方向和切削深度方向组成的平面的法向的切削力系数；F_t表示车刀进给方向的切削力，F_r表示车刀切削深度方向的切削力，F_e表示与由进给方向和切削深度方向组成的平面的法向的切削力；

x₁表示车刀刀尖在x方向的位移，表示车刀刀尖在x方向的速度，t表示从切削开始到某个设定时间点或设定速度的时间；dt表示对t求微分；采用测力仪测得车刀在x,y,z方向的切削力，z是由x,y组成的平面的法线；y表示车刀刀尖在y方向的位移；表示车刀刀尖在y方向的速度；

在车刀运动的方向中，定义t为车削中车刀的进给方向；r为与进给方向相垂直的方向即为切削深度方向即轴向，e为由t，r组成平面的法线，定义为径向；若x-y-z坐标系与t，r，e坐标系一致，则切削力在两个坐标系各个方向分力相等；

若x-y-z坐标系与t，r，e坐标系不一致，则通过坐标变化获得切削力在t，r，e方向的切削分力；假设x-y-z坐标系与t，r，e坐标系间的偏转角度均可以由Z轴为中心轴旋转θ角度形成x₃-y₃-z₃坐标系,再以x轴为旋转中心旋转β角度实现：F_x表示x轴向的切削力，F_y表示y轴向的切削力，F_z表示Z轴向的切削力；

A₁表示从x-y-z坐标系到x₃-y₃-z₃坐标系的变换矩阵，A₂表示从x₃-y₃-z₃坐标系到t-r-e坐标系的变换矩阵；F_3x表示x₃轴向的切削力，F_3y表示y₃轴向的切削力，F_3z表示z₃轴向的切削力；

则有切削力模型：

F_t＝K_t·(h-y¹)·(f-x¹)

F_r＝K_r·(h-y¹)·(f-x¹)

F_e＝K_e·(h-y¹)·(f-x¹)

y¹表示y方向的车刀的位移，x¹表示车刀x方向的位移；

其中，F_t表示切向切削力,F_r表示径向切削力,F_e表示轴向切削力，h为切削厚度；f表示工件进给速度；

切削力系数K_t，K_r，K_e，变更切削厚度获得多组数据，得到切削力系数K_t，K_r，K_e的值；

步骤二、通过模态试验获得机床的结构阻尼系数C_s；

步骤三、采用与上一步同样的车刀，工件，机床进行切削加工实验，采集切削力数据，建立x₂-y₂-z₂坐标系，并在相同位置布置加速度传感器，进行小于1m/s的低速车削试验；通过数据采集系统，同步采集数据获得车刀的切削力及x₂，y₂，z₂向的加速度此阶段，切削力包括切削阻尼力，切削加工中阻尼作用产生切削加工阻尼力，切削阻尼系数包括系统结构的阻尼系数及切削中车刀后刀面与工件摩擦引起的切削阻尼系数：

若x₂-y₂-z₂坐标系与u，v，e坐标系一致，则切削力在其各个方向分力相等；u表示切削过程中加工阻尼在u方向的投影坐标方向,v表示切削过程中加工阻尼在v方向的投影坐标方向，C表示切削加工阻尼系数，α表示车刀的后角；

F_c表示切削过程中加工阻尼力；c表示加工阻尼；表示切削过程中加工阻尼力在u方向的分力；

表示切削过程中加工阻尼力在u方向的分力；表示车刀在y₂方向的速度，α为车刀的后角；x₂ ²表示车刀在x₂方向的位移，f表示工件进给速度，则有：

表示在x₂方向的总的切削力，表示在y₂方向的总的切削力，表示在z₂方向的总的切削力，V表示切削加工速度；

π表示圆周率，r表示工件的转速，R表示工件的半径，f表示工件的进给速度，由于f与工件的半径相比，非常小，忽略不计，则有：

V＝2π·r·R

若x-y-z坐标系与u，v，e坐标系不一致，则可以通过坐标变换获得切削力在u，v，e方向的切削分力在x-y-z坐标系中的切削力；假设u，v，e坐标系与x₂-y₂-z₂坐标系间的偏转角度可以由Z轴为中心轴旋转θ₁角度形成坐标系x₄-y₄-z₄，再以x轴为旋转中心旋转β₁角度实现；

A₃表示u，v，e坐标系向x₄-y₄-z₄坐标系的变换矩阵，A₄表示x₄-y₄-z₄坐标系向u，v，e坐标系的变换矩阵；F_cx表示切削加工阻尼力在坐标系x₄-y₄-z₄中x₄方向的切削力，F_cy表示切削加工阻尼力在坐标系x₄-y₄-z₄中y₄方向的切削力，F_ez表示切削加工阻尼力在坐标系x₄-y₄-z₄中y₄方向的切削力；F_c-x表示切削加工阻尼力在坐标系x-y-z中x方向的切削力；F_c-y表示切削加工阻尼力在坐标系x-y-z中y方向的切削力；F_e-z表示切削加工阻尼力在坐标系x-y-z中z方向的切削力；则：

y₂ ²表示切削深度方向刀尖的位移，依据获得的切削力系数K_t，K_r，K_e，加速度传感器测得x与y方向的速度及位移x₂，y₂及切削加工参数h，f，机床转速r，工件半径R，便可以获得切削阻尼系数C；

步骤四：在步骤三的基础上，分别使用具有不同车刀的后角α的车刀，重复参照步骤二、步骤三进行试验，至少3组，进行切削加工实验，获得了3个切削加工阻尼系数，C¹，C²，C³，通过计算获得其对应的后刀面与工件的接触长度l¹，l²，l³，采用最小二乘法将以上数据进行线性拟合，由于系统的结构阻尼是由机床决定的，为常数，其在高速切削与低速切削的阻尼值不会变化；即可获得单位长度的切削加工阻尼系数。

2.如权利要求1所述的切削过程中加工阻尼系数的快速准确识别方法，其特征在于，所述步骤一中，切削速度为60m/s，工件进给速度为1mm/s，切削厚度从0.1-2.1mm按照0.2mm递增，并测得切削力数据，将由切削力数据获得切削力系数进行线性拟合，获得切削力系数K_t，K_r，K_e。