CN109290638A - 一种高速干铣削加工工件表面形貌控制及加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高速干铣削加工工件表面形貌控制及加工方法，步骤如下：首先初步确定刀具的切削参数的取值范围；在切削参数取值范围内选择一些切削深度及转速；再计算确定柔性件的参数；根据上述参数和工件要求的表面形貌通过计算得出切削深度h和每齿进给量fz；再对切削深度h和每齿进给量fz进行判断和调整，符合要求后，便按照上述切削参数进行加工。本发明通过分析机床动态特性对实际加工面偏离理想加工面的影响，引入柔性件，并以工件要求的表面形貌为基础振幅目标，在柔性件某阶频率附近进行激励，能够有效避免在机床多自由度下的模态特性的干扰，准确获得预期的表面形貌。

Description

一种高速干铣削加工工件表面形貌控制及加工方法
技术领域
本发明涉及铣削加工领域，特别是涉及一种高速干铣削加工工件表面形貌控制及加工方法。
背景技术
目前，在切削加工的零件中，表面质量是工件使用性能的一个重要指标。为了满足一些重要的结合面或相对滑动面的使用要求，通常会对工件的表面粗糙度、残余应力、硬度等指标提出要求。但对使用工况复杂的高性能齿轮的表面质量中，传统的表面质量要求已不能满足要求，对工件齿面形貌提出了更高的要求，这是由于工件表面形貌对传动过程中的摩擦及传递层的形成中有决定性影响，不合适的齿面形貌会严重影响工件表面的性能。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题。为此，本发明提出一种能准确获得预期工件表面形貌的高速干铣削加工工件表面形貌控制及加工方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种高速干铣削加工工件表面形貌控制及加工方法，包括如下步骤：
A、依据对工件加工过程中加工效率的要求，初步确定刀具的切削参数的取值范围，即刀具的转速、切削深度和每齿进给量的取值范围；
B、依据表面粗糙度的要求，调整步骤A中的每齿进给量使其满足表面粗糙度要求；
C、在步骤A中的切削参数取值范围内选择多组切削深度ai及转速ri；
D、依据步骤C选取的切削参数，再根据刀具的刀齿数n，得到多组切削参数引起的激励频率wi，wi＝ri·n；
E、依据机床的模态函数Φk(w)，从多组激励频率wi中筛选出能避开机床模态的激励频率wc，激励频率wc对应的切削参数转速为rc；
F、将工件要求的表面形貌，通过表面形貌分析设备拟合成函数ΦC；
G、依据激励频率wc，设定柔性件的固有频率为w1，所述柔性件固定在机床的工作台上，工件则连接在柔性件上进行加工，通过计算获得柔性件的刚度K1、阻尼系数C1和质量M1；
H、依据机械振动理论，建立动力学模型，获得切削力f1(T)，再通过切削力模型得出切削深度h和每齿进给量fz；
I、若切削深度h和每齿进给量fz符合步骤A和步骤C的取值范围，则按照切削深度h、每齿进给量fz和转速为rc的切削参数对工件进行加工，若切削深度h或每齿进给量fz在步骤A和步骤C的取值范围外，则在保证切削力不变的前提下，修改切削深度和每齿进给量，直到符合要求，再按照符合要求的切削参数对工件进行加工；
J、刀具按照步骤I中符合要求的切削参数进行加工的同时，在五轴铣削加工机床上增加柔性件，其中柔性件固定连接在工作台上，工件固定在柔性件的一端，采用牛鼻铣刀加工工件的表面形貌，依据在切削力激励下柔性件的振动带动工件有规律的振动、工件与牛鼻铣刀的相对运动以及牛鼻铣刀的切削刃形状，在有规律的切削过程中切除工件表面的残留高度并改变工件表面波纹，形成光滑的表面形貌。
进一步，所述步骤C中的切削深度ai及转速ri是根据机床的模态、工件的材料特性、切削力系数，通过颤振稳定性分析理论得出的。
进一步，所述步骤E中，激励频率wc选取范围在机床相邻频率的中间区域。
进一步，所述步骤F中，力学模型如下：
M1为切削系统等效质量；
C1(T)为切削加工系统等效阻尼系数；
K1(T)为切削加工系统等效刚度；
x1(T)表示振动位移函数，与工件要求的表面形貌为ΦC一致；
T表示时间。
进一步，所述步骤G中，柔性件的固有频率的限定范围为[0.95ωc，1.05ωc]。
进一步，柔性件的刚度K1、阻尼系数C1和质量M1是通过有限元计算获得。
进一步，所述机床模态函数Φk(w)通过如下方式获得，首先建立机床的三维模型，通过有限元计算在切削力的激励下获得机床在不同阶下的振型，依据振型图，选择位移相对较大的位置布置加速度传感器；并在机床切削处工件端或刀具端，通过激振器施加激励力，通过信号采集及分析系统获得机床的模态函数Φk(w)。
本发明的有益效果是：本发明通过分析机床动态特性对实际加工面偏离理想加工面的影响，引入柔性件，并以工件要求的表面形貌为基础振幅目标，在柔性件某阶频率附近进行激励，能够有效避免在机床多自由度下的模态特性的干扰，准确获得预期的表面形貌。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是切削加工稳定区域图。
具体实施方式
下面对实施例对本发明进行详细说明。
本发明的一种高速干铣削加工工件表面形貌控制及加工方法，步骤如下：
A、依据对齿轮加工过程中加工效率的要求，初步确定刀具的切削参数的取值范围，即刀具的转速、切削深度和每齿进给量的取值范围。加工效率是由切削参数决定的，为切削速度、切削深度、每齿进给量的乘积。切削速度则由刀具的直径和转速决定，即刀具的周长和转速的乘积。
B、依据表面粗糙度的要求，调整步骤A中的每齿进给量使其满足表面粗糙度要求。在铣削加工中，降低每齿进给量的值能够显著降低表面粗糙度的值，提高表面质量，相对于其它切削参数，每齿进给量对工件表面粗糙度影响较大。例如在一种机床通过试验数据拟合的方式建立了表面粗糙度与切削参数的关系如下：
Ra＝f(fz，ap，v)＝-2.0522+27.8856fz+8.059ap-0.001v
可根据该公式和表面粗糙度的要求去调整相应的切削参数。
C、在步骤A中的切削参数取值范围内选择多组切削深度ai及转速ri；
D、依据步骤C选取的切削参数，再根据刀具的刀齿数n，得到多组切削参数引起的激励频率wi，wi＝ri·n；
E、依据机床的模态函数Φk(w)，从多组激励频率wi中筛选出能避开机床模态的激励频率wc，激励频率wc对应的切削参数转速为rc；
F、将工件要求的表面形貌，通过表面形貌分析设备拟合成函数ΦC；
G、依据激励频率wc，设定柔性件的固有频率为w1，所述柔性件固定在机床的工作台上，工件则连接在柔性件上进行加工，通过计算获得柔性件的刚度K1、阻尼系数C1和质量M1；
H、依据机械振动理论，建立动力学模型，获得切削力f1(T)，再通过切削力模型得出切削深度h和每齿进给量fz；
I、若切削深度h和每齿进给量fz符合步骤A和步骤C的取值范围，则按照切削深度h、每齿进给量fz和转速为rc的切削参数对工件进行加工，若切削深度h或每齿进给量fz在步骤A和步骤C的取值范围外，则在保证切削力不变的前提下，修改切削深度和每齿进给量，直到符合要求，再按照符合要求的切削参数对工件进行加工。
J、刀具按照步骤I中符合要求的切削参数进行加工的同时，在五轴铣削加工机床上增加柔性件，其中柔性件固定连接在工作台上，工件固定在柔性件的一端，采用牛鼻铣刀加工工件的表面形貌，依据在切削力激励下柔性件的振动带动工件有规律的振动、工件与牛鼻铣刀的相对运动以及牛鼻铣刀的切削刃形状，在有规律的切削过程中切除工件表面的残留高度并改变工件表面波纹，形成光滑的表面形貌。
优选地，所述机床模态函数Φk(w)通过如下方式获得：首先建立机床的三维模型，通过有限元计算在切削力的激励下获得机床在不同阶下的振型，依据振型图，选择位移相对较大的位置布置加速度传感器；并在机床切削处工件端或刀具端，通过激振器施加激励力，通过信号采集及分析系统获得机床的模态函数Φk(w)(不同激励频率下的位移)和固有频率Wk：
Φk(ω)，k＝1，2，…，n，表示第k阶振型，
ωk，k＝1，2，…，n，表示第k阶固有频率。
切削的激励频率越靠近机床的各阶固有频率，切削加工中机床的响应会达到局部峰值，越容易导致切削加工发生异常振动，如自激振动、受迫振动，并导致一系列的负面后果，如表面粗糙度降低，刀具磨损增加等。步骤E中选定的激励频率远离机床的各阶固有频率，则会降低刀具发生异常振动的可能性。模态函数Φk(w)是描述在激励频率下机床的响应关系。
优选地，所述步骤C中的切削深度ai及转速ri是根据机床的模态、工件的材料特性、切削力系数，通过颤振稳定性分析理论得出的，或者得出最后的多组符合要求的切削参数后，再根据机床的模态、工件的材料特性、切削力系数，通过颤振稳定性分析理论对其进行筛选，这只是个先后问题。具体筛选如图1所示，图中曲线为临界线，曲线之上为非稳定区域，曲线下为稳定区域，纵坐标为切削深度，单位为m，横坐标为转速，单位为转/分钟。
步骤C中是选取了一系列的组合参数。依据加工效率、表面粗糙度及激励频率的要求，评定切削参数中切削深度及每齿进给量是否符合要求。在保证切削深度与每齿进给量的乘积不变的情况下，调整切削参数中切削深度及每齿进给量的值。
优选地，所述步骤E中，激励频率wc选取范围在机床相邻的各阶固有频率的中间区域，这样能最大避开机床的各阶固有频率，减小机床的响应。
优选地，所述步骤F中，切削力计算过程如下，依据机械振动理论,建立高速切削加工工件与刀具相对运动动力学模型：
M1为切削系统等效质量；
C1(T)为切削加工系统等效阻尼系数；
K1(T)为切削加工系统等效刚度；
x1(T)表示振动位移函数，与工件要求的表面形貌为ΦC一致；
T表示时间。
另外x1(T)和f1(T)均由x、y、z互相垂直的三个方向的分量组成。
在稳定的切削加工系统中，等效刚度及阻尼不随切削过程变化而改变，即K1(T)与K1，C1(T)与C1是一一对应的。
刀具切削面t-r-a坐标切削力与x-y-z坐标切削力的关系如下：
其中，θ1和β1分别为由刀具切削面t-r-a坐标向坐标系x-y-z转换时，切削面坐标绕a轴的旋转角度及绕t轴的旋转角度；A3-r表示刀具切削面t-r-a坐标饶a轴的旋转θ1角度的转换矩阵，r表示切削加工的径向；Ar-a表示刀具切削面t-r-a坐标绕a轴的旋转θ1角度旋转后的坐标系绕t轴的旋转β1角度的坐标转换矩阵；Fx表示x方向切削力；Fy表示y向切削力，Fz表示z向切削力；
通过切削力试验，拟合切削力与切削深度之间的关系，获得切削力系数，获得1组或多组不同切削参数下切向、径向、轴向切削力系数：Kt,Kr,Ka，其中，Kt表示切向力系数；
Kr表示径向力系数；Ka表示轴向力系数；t表示切向，r表示径向，a表示轴向；
根据高速切削加工瞬时刚性力模型建立切削力模型：
Ft＝Kt·h·fz
Fr＝Kr·h·fz
Fa＝Ka·h·fz
其中，Ft表示切向切削力，Fr表示径向切削力,Fa表示轴向切削力，h为切削厚度；z表示工件坐标系x-y-z的z方向。
根据上述切削力模型和已知的切削力及切削力系数，可获得切削深度h和每齿进给量fz的乘积。而在步骤C中选取的切削深度ai及转速ri，其中切削深度ai为一段取值范围，根据切削深度和每齿进给量的乘积可以得到一系列的符合要求的切削深度、每齿进给量以及与其对应的转速rc，得到的参数都要满足步骤A中的加工效率要求和步骤B中粗糙度要求。再通过图1的稳定性区域图进行优化筛选。若在切削深度ai的取值范围内找不到满足要求的每齿进给量fz，那么再调整切削深度ai的数值，在切削深度和每齿进给量乘积不变以及转速不变的情况下，根据加工效率要求和粗糙度要求得出每齿进给量fz，直至符合要求为止。
本机床为数控五轴加工中心，机床有很多个组件，这导致了机床有很多个自由度，在获得机床的模态参数后(不同激励频率下的位移/加速度响应)，其在某一阶都有多个固有频率，在激励频率下会有多种可能性，即刀具与工件的相对运动产生的表面形貌有不同类型，难以实现控制。将柔性件安装在工作台，工件与柔性间连接，当将切削加工产生的激励频率靠近柔性件模态频率附近的频率时，切削加工产生的激励频率将以柔性件的响应为刀具与工件的确定的相对运动，避开了机床多模态的干扰。实现了表面形貌的准确加工。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种高速干铣削加工工件表面形貌控制及加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、依据对齿轮加工过程中加工效率的要求，初步确定刀具的切削参数的取值范围，即刀具的转速、切削深度和每齿进给量的取值范围；
B、依据表面粗糙度的要求，调整步骤A中的每齿进给量使其满足表面粗糙度要求；
C、在步骤A中的切削参数取值范围内选择多组切削深度ai及转速ri；
D、依据步骤C选取的切削参数，再根据刀具的刀齿数n，得到多组切削参数引起的激励频率wi，wi＝ri·n；
E、依据机床的模态函数Φk(w)，从多组激励频率wi中筛选出能避开机床模态的激励频率wc，激励频率wc对应的切削参数转速为rc；
F、将工件要求的表面形貌，通过表面形貌分析设备拟合成函数ΦC；
G、依据激励频率wc，设定柔性件的固有频率为w1，所述柔性件固定在机床的工作台上，工件则连接在柔性件上进行加工，通过计算获得柔性件的刚度K1、阻尼系数C1和质量M1；
H、依据机械振动理论，建立动力学模型，获得切削力f1(T)，再通过切削力模型得出切削深度h和每齿进给量fz；
I、若切削深度h和每齿进给量fz符合步骤A和步骤C的取值范围，则按照切削深度h、每齿进给量fz和转速为rc的切削参数对工件进行加工，若切削深度h或每齿进给量fz在步骤A和步骤C的取值范围外，则在保证切削力不变的前提下，修改切削深度和每齿进给量，直到符合要求，再按照符合要求的切削参数对工件进行加工；
J、刀具按照步骤I中符合要求的切削参数进行加工的同时，在五轴铣削加工机床上增加柔性件，其中柔性件固定连接在工作台上，工件固定在柔性件的一端，采用牛鼻铣刀加工工件的表面形貌，依据在切削力激励下柔性件的振动带动工件有规律的振动、工件与牛鼻铣刀的相对运动以及牛鼻铣刀的切削刃形状，在有规律的切削过程中切除工件表面的残留高度并改变工件表面波纹，形成光滑的表面形貌。
2.根据权利要求1所述的高速干铣削加工工件表面形貌控制及加工方法，其特征在于：所述步骤C中的切削深度ai及转速ri是根据机床的模态、工件的材料特性、切削力系数，通过颤振稳定性分析理论得出的。
3.根据权利要求1所述的高速干铣削加工工件表面形貌控制及加工方法，其特征在于：所述步骤E中，激励频率wc选取范围在机床相邻频率的中间区域。
4.根据权利要求1所述的高速干铣削加工工件表面形貌控制及加工方法，其特征在于：所述步骤F中，力学模型如下：
M1为切削系统等效质量；
C1(T)为切削加工系统等效阻尼系数；
K1(T)为切削加工系统等效刚度；
x1(T)表示振动位移函数，与工件要求的表面形貌为ΦC一致；
T表示时间。
5.根据权利要求1所述的高速干铣削加工工件表面形貌控制及加工方法，其特征在于：所述步骤G中，柔性件的固有频率的限定范围为[0.95ωc，1.05ωc]。
6.根据权利要求5所述的高速干铣削加工工件表面形貌控制及加工方法，其特征在于：所述柔性件的刚度K1、阻尼系数C1和质量M1是通过有限元计算获得。
7.根据权利要求1所述的高速干铣削加工工件表面形貌控制及加工方法，其特征在于：所述机床模态函数Φk(w)通过如下方式获得，首先建立机床的三维模型，通过有限元计算在切削力的激励下获得机床在不同阶下的振型，依据振型图，选择位移相对较大的位置布置加速度传感器；并在机床切削处工件端或刀具端，通过激振器施加激励力，通过信号采集及分析系统获得机床的模态函数Φk(w)。
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