CN109093130A - 基于分区域加工的薄壁环形零件粗加工工艺优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分区域加工的薄壁环形零件粗加工工艺优化方法，用于解决现有薄壁环形零件粗加工方法加工效率低的技术问题。技术方案是通过仿真或者锤击模态试验获取薄壁环形零件在装夹状态下的法向刚度分布；确定加工表面切削行的切削宽度及各个切削行在加工表面的位置；依据区域划分流程，将加工表面划分为若干个区域，每个区域内包含1‑3个不等的切削行；依据法向刚度由小到大顺序设计材料去除顺序；对于划分的各个区域绘制出其对应的稳定性叶瓣图；依次从稳定性叶瓣图的参数选取区域中选择各个区域对应的轴向切深‑主轴转速。本发明合理利用加工表面各区域的材料去除潜能，在保证切削加工过程颤振稳定性的同时，提高了切削加工效率。

Description

基于分区域加工的薄壁环形零件粗加工工艺优化方法

技术领域

本发明涉及一种薄壁环形零件粗加工方法，特别涉及一种基于分区域加工的薄壁环形零件粗加工工艺优化方法。

背景技术

薄壁环形件常见于航空航天工业，是航空发动机结构中典型、重要的零部件之一，在国防、运载等领域有着广泛的应用，如压气机机匣、涡轮机匣等。在薄壁环形件的多轴数控加工领域中，随着新材料、新工艺、新技术的引入，其结构性能有着较大的提升，但与此同时也对其制造工艺技术提出了更为苛刻的要求。薄壁环形件的结构复杂、应用领域特殊，制造过程中往往需要采用高温合金、钛合金等高强度难加工材料。材料的高强度、难切削性加剧了刀具与工件接触区的耦合作用；结构的薄壁特性使其抗变形、振动的能力较差；而材料的不断去除及刀具位姿的变化又为工艺系统带来强时变特性。上述特性导致其动力学稳定性较差，容易引发铣削颤振，从而带来加工质量下降、效率降低等一系列问题。

对于此类零件的加工，确保其加工过程的绝对稳定是首要任务。因此加工过程中所使用的切削参数通常在稳定性叶瓣图中的绝对稳定区域内选取，从而导致切削加工效率较低，无法最大化发挥刀具与机床的效能。随着数字化加工技术、高速切削加工技术的发展，如何合理地发挥数控加工机床的效能、提高加工效率已逐渐成为研究的重点。对于薄壁环形件的外轮廓粗加工工序，在常见加工路径方案的切削加工过程中，刀具的姿态相对于工件保持不变，切削位置相对于工件在单个切削行内为周向移动，在不同切削行间为轴向移动。工件的连续回转实现进给运动，刀具的高速旋转实现材料的切削。整道加工工序中，刀具的轴向切深始终保持恒定，通过在切削行间的过渡阶段即退刀时改变主轴转速保证下一切削行的加工表面质量。在半精加工、精加工等加工余量较小的工序中，该方案简单方便、易于实现。而在粗加工等加工余量较大的工序中，由于加工表面不同位置的刚度差异，部分加工表面的材料去除潜能受到限制，从而导致加工效率较低。

发明内容

为了克服现有薄壁环形零件粗加工方法加工效率低的不足，本发明提供一种基于分区域加工的薄壁环形零件粗加工工艺优化方法。该方法通过仿真或者锤击模态试验获取薄壁环形零件在装夹状态下的法向刚度分布；根据刀具直径等条件确定加工表面切削行的切削宽度，并确定各个切削行在加工表面的位置；依据区域划分流程，将加工表面划分为若干个区域，每个区域内包含1-3个不等的切削行；依据法向刚度由小到大顺序设计材料去除顺序；对于划分的各个区域，结合颤振稳定性理论绘制出其对应的稳定性叶瓣图；依据矩形区域参数选取规则，依次从稳定性叶瓣图的参数选取区域中选择各个区域对应的轴向切深-主轴转速。本发明能够合理利用加工表面各区域的材料去除潜能，在保证切削加工过程颤振稳定性的同时，提高切削加工效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种基于分区域加工的薄壁环形零件粗加工工艺优化方法，其特点是包括以下步骤：

第一步、将薄壁环形零件装夹于机床上；

第二步、通过仿真或者锤击模态试验获取薄壁环形零件在装夹状态下的法向刚度分布。通过有限元仿真获取薄壁环形零件在装夹状态下的各阶固有频率与模态振型，再对薄壁环形零件进行锤击模态试验并与仿真结果比较。若仿真结果与试验结果不一致，则采用薄壁环形零件局部结果细节优化或调整边界约束对零件模型重新仿真，直至仿真结果与试验结果一致。仿真结果中，应力分布反映了薄壁环形零件的法向刚度分布；

第三步、根据刀具直径确定加工表面切削行的切削宽度，根据切削宽度再确定各个切削行在加工表面的位置；

第四步、依据区域划分流程将加工表面划分为若干个区域，每个区域内包含1-3个切削行。区域划分流程如下：由切削宽度确定各切削行J的位置，其中j＝1,2,3……L,其中L为切削行总数。之后在Matlab软件中导入工件的刚度分布曲线，以切削宽度为步长获取加工表面各位置的刚度值。以单个切削行为计算区域内刚度替代误差，并取其最大值e_max为本次划分误差精度的允许值。从第一个切削行开始划分，此时j＝1,n＝2。以n个相邻的切削行为区域，计算区域内的刚度替代误差e_n,j。若e_n,j<e_max，则执行n+1,即此时n＝2+1＝3，再以3个相邻的切削行为区域计算刚度替代误差，直至e_n,j>e_max。当e_n,j>e_max时，执行n-1，并将从第j个起，n个相邻切削行合并成一个区域。此时便完成了前j+n-1个切削行的区域划分。循环整个区域划分过程直到j+n-1＝L，完成所有切削行的区域划分；

第五步、依据法向刚度由小到大的顺序设计材料去除顺序；

第六步、对于划分的各个区域，利用颤振稳定性理论绘制出其对应的稳定性叶瓣图。

第七步、依据矩形区域参数选取规则，依次从稳定性叶瓣图的参数选取区域中选择各个区域对应的轴向切深-主轴转速。以稳定性叶瓣图中对应的最大极限切深a_pmax，的2/3作为最优轴向切深，以最优轴向切深两端叶瓣图边界分别对应两个主轴转速n₁，n₂，取其中的(n₂-n₁)/2作为最优主轴转速。

所述切削宽度是刀具直径的50％～80％。

本发明的有益效果是：该方法通过仿真或者锤击模态试验获取薄壁环形零件在装夹状态下的法向刚度分布；根据刀具直径等条件确定加工表面切削行的切削宽度，并确定各个切削行在加工表面的位置；依据区域划分流程，将加工表面划分为若干个区域，每个区域内包含1-3个不等的切削行；依据法向刚度由小到大顺序设计材料去除顺序；对于划分的各个区域，结合颤振稳定性理论绘制出其对应的稳定性叶瓣图；依据矩形区域参数选取规则，依次从稳定性叶瓣图的参数选取区域中选择各个区域对应的轴向切深-主轴转速。本发明能够合理利用加工表面各区域的材料去除潜能，在保证切削加工过程颤振稳定性的同时，提高了切削加工效率。

具体的，1.本发明以切削行为基本区域单位的区域划分法有效地提高了颤振稳定性分析效率，同时又能避免因区域划分产生的区域内动力学特性差距较大的问题。

2.本发明对加工表面的区域划分原则一致，区域划分的结果结合零件的实际情况进行微调、完善。

3.本发明以矩形区域参数选取规则选取工艺参数，能有效提高切削加工效率，同时保证切削加工过程的颤振稳定性。

4.对于加工余量较大的薄壁环形零件外轮廓粗加工，本发明能合理利用加工表面的材料去除潜能，有效提高部分加工区域每次切除的材料去除量，从而提高了切削加工效率，降低了加工成本。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明基于分区域加工的薄壁环形零件粗加工工艺优化方法的流程图；

图2是本发明方法中的区域划分流程图；

图3是本发明方法所涉及的矩形区域参数选取方法示意图；

图4是本发明方法中各划分区域的颤振稳定性预测与工艺参数优选流程图；

图5是本发明方法实施例切削行z向切削力频谱图，其中图5(a)是第1切削行，图5(b)是第2切削行；

图6是本发明方法实施例切削行的稳定性叶瓣图，其中图6(a)是第1切削行，图6(b)是第2切削行。

具体实施方式

参照图1-6。本发明基于分区域加工的薄壁环形零件粗加工工艺优化方法具体步骤如下：

第一步：将薄壁圆筒零件装夹于数控机床A轴之上；

第二步：通过仿真或者锤击模态试验获取薄壁环形零件在装夹状态下的法向刚度分布；其作用是：为后续以单个切削行为基本区域单位，结合薄壁圆筒零件刚度分布变化情况的区域划分法提供数据依据。

第三步：根据刀具直径等条件确定加工表面切削行的切削宽度，并确定各个切削行在加工表面的位置；其作用是：确定各个切削行的轴向分布位置，并为随后切削行内的刚度计算提供位置坐标信息。

第四步：依据图2区域划分流程将加工表面划分为若干个区域，每个区域内包含1-3个不等的切削行。由切削宽度确定各切削行J的位置，其中j＝1,2,3……L,其中L为切削行总数。之后在Matlab软件中导入工件的刚度分布曲线，以切削宽度为步长获取加工表面各位置的刚度值。以单个切削行为计算区域内刚度替代误差，并取其最大值e_max为本次划分误差精度的允许值。从第一个切削行开始划分，此时j＝1,n＝2。以n个相邻的切削行为区域，计算区域内的刚度替代误差e_n,j。若e_n,j<e_max，则执行n+1,即此时n＝2+1＝3，再以3个相邻的切削行为区域计算刚度替代误差，直至e_n,j>e_max。当e_n,j>e_max时，执行n-1(例如当n＝3时满足e_n,j>e_max，则执行n-1,此时n变为2)，并将第j个起，n个相邻切削行合并成一个区域。此时便完成了前(j+n-1)个切削行的区域划分。循环整个区域划分过程直到j+n-1＝L，完成所有切削行的区域划分；其作用是：将完整的材料去除过程离散为以区域内材料去除为研究对象的加工全过程分析。

第五步：依据法向刚度由小到大顺序设计材料去除顺序；其作用是：以法向刚度最低的区域为初始切削区域，依次去除剩余区域中刚度最低区域的材料。在零件整体工艺刚性较高时切削刚度较低的区域，更好的保证切削加工过程的颤振稳定性。

第六步：对于划分的各个区域，结合颤振稳定性理论绘制出其对应的稳定性叶瓣图；其作用是：为随后的各个区域加工工艺参数优选提供理论依据。

第七步：依据矩形区域参数选取规则，依次从稳定性叶瓣图的参数选取区域中选择各个区域对应的轴向切深-主轴转速。其作用是：合理利用各个区域的材料去除潜能，并在保证切削加工过程颤振稳定性的同时，提高切削加工效率，降低生产成本。

下面以薄壁圆筒零件为实验对象，针对已划分的不同切削行进行铣削实验。零件共分为10个切削行，各个切削行对应的轴向切深与进给速度均为0.5mm、320mm/min。在不同切削行间通过改变部分切削行的主轴转速，使其对应的轴向切深-主轴转速切削参数组位于稳定性叶瓣图中的不同区域(稳定区与非稳定区)，以对比实验验证稳定性叶瓣图预测的准确性。表1列出了各个切削行中使用主轴转速，以及对应的颤振稳定性预测结果。

表1实验中各切削行对应的主轴转速及颤振稳定性预测

其中，第2切削行、第3切削行和第9切削行在加工过程中都发生了颤振现象，并在加工表面留下了清晰的振纹。而其余切削行的加工表面光滑、无振纹留下，加工表面质量良好。

以第1切削行及第2切削行为例进行对比分析，对其z向切削力信号做傅里叶变换处理，绘制出其频谱图如图5所示。其中，第1切削行的频谱图中除了主轴频率、刀齿通过频率、电流谐波及其倍频之外，并没有其他杂乱的小波峰出现(见图5(a))。这也与其加工表面光滑、无振纹的实际情况相符。而对于第2切削行的频谱图中，除主轴频率、刀齿通过频率、电流谐波及其倍频之外，还存在杂乱的小频率波峰，且数量众多，据此可以推断其在加工过程中发生了颤振现象(见图5(b))，这也与其加工表面所留下的振纹的情况相符。

对于第1切削行与第2切削行，分别绘制出两者对应的稳定性叶瓣图并标出对应轴向切深-主轴转速切削参数组的位置，如图6所示。第1切削行对应的切削参数组位于稳定性叶瓣图中的A点(见图6(a))，属于稳定切削区域；而第2切削行对应于B点，属于非稳定切削区域(见图6(b))。

在对不同切削行间的铣削实验中，以0.5mm为轴向切深，在第2、3、9切削行中选择稳定性叶瓣图中非稳定切削区域的主轴转速，而其余切削行选择稳定切削区域的主轴转速。实验结果表明，加工表面的形貌状态及各切削行z向切削力数据频谱图的结果与稳定性叶瓣图的预测分析相吻合，同样较好地验证了在各切削行间稳定性叶瓣图对于颤振稳定性预测的准确性。因而，可以合理推断在加工过程中，稳定性叶瓣图能较为准确的预测加工过程的颤振稳定性，进而为加工工艺参数优选提供合理、准确的参考依据。

本发明所提出的优化方法在加工表面区域划分过程中，限定合并的切削行数量不大于三个，其作用是：当合并的切削行数量大于三个时，零件的部分模态参数变化逐渐不可忽略，因此合理的限制合并切削行数量，能保证划分区域内的动力学特性近似相等，完善区域划分结果。在进行加工工艺参数优选时，是以该区域对应稳定性叶瓣图中极限稳定切深的三分之二为最优轴向切深，并在最优轴向切深范围内选取轴向切深；同时取最优轴向切深两端叶瓣边界对应转速的平均值为最优主轴转速，并在最优主轴转速附近选取主轴转速。其作用是：相比于在稳定性叶瓣图绝对稳定区域内选取切削参数，在参数选取规则下选择出的最优轴向切深以及最优主轴转速能有效地提高切削加工效率，同时确保不因切削时轴向切深的增加而丢失了切削加工过程的稳定性。

本发明所提出的基于分区域加工的薄壁环形零件粗加工工艺优化方法适用于粗加工等加工余量较大的常见薄壁环形零件外轮廓铣削加工工序中，其作用是：通过对加工表面进行区域划分，将完整的材料去除过程离散为以区域内材料去除为研究对象的加工全过程分析；随后结合参数选取规则，对各个区域内的加工工艺参数进行优选，合理利用加工表面各区域的材料去除潜能，在保证切削加工过程颤振稳定性的同时，提高切削加工效率，进而合理地发挥数控加工机床及刀具的效能，降低加工成本。

Claims (2)

1.一种基于分区域加工的薄壁环形零件粗加工工艺优化方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步、将薄壁环形零件装夹于机床上；

第二步、通过仿真或者锤击模态试验获取薄壁环形零件在装夹状态下的法向刚度分布；通过有限元仿真获取薄壁环形零件在装夹状态下的各阶固有频率与模态振型，再对薄壁环形零件进行锤击模态试验并与仿真结果比较；若仿真结果与试验结果不一致，则采用薄壁环形零件局部结果细节优化或调整边界约束对零件模型重新仿真，直至仿真结果与试验结果一致；仿真结果中，应力分布反映了薄壁环形零件的法向刚度分布；

第三步、根据刀具直径确定加工表面切削行的切削宽度，根据切削宽度再确定各个切削行在加工表面的位置；

第四步、依据区域划分流程将加工表面划分为若干个区域，每个区域内包含1-3个切削行；区域划分流程如下：由切削宽度确定各切削行J的位置，其中j＝1,2,3……L,其中L为切削行总数；之后在Matlab软件中导入工件的刚度分布曲线，以切削宽度为步长获取加工表面各位置的刚度值；以单个切削行为计算区域内刚度替代误差，并取其最大值e_max为本次划分误差精度的允许值；从第一个切削行开始划分，此时j＝1,n＝2；以n个相邻的切削行为区域，计算区域内的刚度替代误差e_n,j；若e_n,j<e_max，则执行n+1,即此时n＝2+1＝3，再以3个相邻的切削行为区域计算刚度替代误差，直至e_n,j>e_max；当e_n,j>e_max时，执行n-1，并将从第j个起，n个相邻切削行合并成一个区域；此时便完成了前j+n-1个切削行的区域划分；循环整个区域划分过程直到j+n-1＝L，完成所有切削行的区域划分；

第五步、依据法向刚度由小到大的顺序设计材料去除顺序；

第六步、对于划分的各个区域，利用颤振稳定性理论绘制出其对应的稳定性叶瓣图；

第七步、依据矩形区域参数选取规则，依次从稳定性叶瓣图的参数选取区域中选择各个区域对应的轴向切深-主轴转速；以稳定性叶瓣图中对应的最大极限切深a_pmax，的2/3作为最优轴向切深，以最优轴向切深两端叶瓣图边界分别对应两个主轴转速n₁，n₂，取其中的(n₂-n₁)/2作为最优主轴转速。

2.根据权利要求1所述的基于分区域加工的薄壁环形零件粗加工工艺优化方法，其特征在于：所述切削宽度是刀具直径的50％～80％。