CN109901516A - 低振动钛合金铣削工艺参数优选方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种低振动钛合金铣削加工工艺参数优选方法，该方法首先通过推荐的钛合金切削速度，确定钛合金切削转速范围，以保证刀具在合理转速工作；然后，通过控制每个刀刃与工件的切削时间，确定径向切深，以保证一定的刀具寿命；其次，通过铣削稳定性叶瓣图，确定轴向切深，以避免铣削过程中可能出现的颤振；再次，测量机床主轴的低阶固有频率，选择远离机床主轴固有频率的主轴旋转频率和刀齿切入频率，确定主轴转速，以避免铣削过程中可能出现的共振；最后，根据实际铣削中产生的切屑形态，确定进给率。

Description

低振动钛合金铣削工艺参数优选方法

技术领域

本发明涉及一种低振动铣削加工工艺参数优选方法，特别是一种低振动钛合金铣削加工工艺参数优选方法。

背景技术

钛合金零件在航空航天器大量采用，这类零件多采用铣削加工。由于钛合金是一种典型的难加工材料，其铣削加工效率低且刀具磨损严重。切削过程中，切削力大、切削热量大、振动大，都是导致加工效率低、刀具磨损严重的原因。钛合金铣削的高质量、高效率和长刀具寿命与工艺参数有着直接联系，因此开发兼顾磨损和铣削效率的工艺参数优选方法十分重要。

专利1“基于工艺试验数据模型的钛合金数控铣削工艺参数优化方法，201711245313.3”公开了一种以材料去除率最大、刀具寿命最长、切削力最小为目标的切削参数优化方法。

专利2“面向多目标的钛合金整体叶盘侧铣加工切削参数优化方法，201810492971.0”公开了一种通过遗传算法优化切削参数，同时保证切削力和工件表面粗糙度较小，加工效率较高的方法。

现有的钛合金铣削加工工艺参数优化方法的主要缺点是，没有充分考虑机床动态刚度可能导致的铣削共振和颤振，最终影响加工质量、效率和刀具寿命。

发明内容

为了克服现有钛合金铣削加工工艺参数优化方法没有充分考虑机床动态刚度可能导致的铣削共振和颤振的不足，本方法既通过优选主轴转速范围和径向切深控制刀具磨损，又通过选择轴向切深和主轴转速抑制切削振动，还通过调整进给率控制切屑形态，达到工艺参数与刀具、机床的匹配；适用于可转位刀具、硬质合金刀具和整体合金刀具等多种刀具的铣削工艺参数优选，可集成于CAM系统中，选择高效、低磨损的铣削工艺参数。

本发明所采用的技术方案是：一种低振动钛合金铣削加工工艺参数优选方法，包括下述步骤：

(1)根据被加工零件的几何特征，即转角半径最小值R_min(单位：mm)和槽腔最小尺寸L_min(单位：mm)，使用下式计算允许使用的刀具的最大直径D_max(单位：mm)；

D_max＝min{5R_min,0.3L_min}；

(2)选择现有刀具中直径D(单位：mm)与D_max最接近但小于D_max的刀具，作为钛合金铣削用刀；

(3)根据刀具厂家推荐刀具最小切削速度V_c,min和最大切削速度V_c,max(单位：m/min)，计算直径D的刀具使用的最小主轴转速n_min和最大主轴转速n_max(单位：r/min)，计算公式如下：

n_min＝1000V_c,min/(πD)，n_max＝1000V_c,max/(πD)；

(4)使用下式计算径向切深A_e(单位：mm)：

A_e＝min{0.8D,[1-cos(πT_c,max(n_min+n_max)/60)]D/2}；

其中，T_c,max是在保证一定刀具寿命情况下，刀具旋转一周允许刀刃切削材料的最长时间，单位为s；

(5)使用锤击法模态测试方法测量机床主轴X、Y方向的刀具－主轴系统的动力学参数，并使用文献“M.Wan，J.Feng，Y.C.Ma，W.H.Zhang，Identification of millingprocess damping using operational modal analysis，International JournalMachine Toolsand Manufacture，122(2017)120－131.”中的方法，计算钛合金铣削的稳定性叶瓣图，在最小主轴转速n_min和最大主轴转速n_max之间选择稳定性叶瓣图中极限切削深度的最小值记为A_p,sta，单位为mm；

(6)使用下式计算轴向切深A_p(单位：mm)：

A_p＝min{0.8A_p,sta,0.8A_p,rec}；

其中，A_p,rec为刀具厂家推荐的轴向切深，单位为mm；

(7)使用锤击法模态测试方法测量机床主轴X方向的低阶固有频率f_x,_i(i＝1,2,...,N_x)和Y方向的低阶固有频率f_y,j(j＝1,2,...,N_y)(频率小于200Hz)，其单位为Hz，其中，N_x是X方向的低阶固有频率数目，N_y是Y方向的低阶固有频率数目；

(8)使用下式计算最小主轴旋转频率f_min、最大主轴旋转频率f_max(单位：Hz)：

f_min＝n_min/60，f_max＝n_max/60；

(9)在f_min及f_max形成的区间内，选取一个主轴旋转频率f，使得f、f_t＝fN_f、f_t2＝2fN_f、f_t3＝3fN_f同时满足如下条件：

|f-f_x,i|/f≥0.2且|f-f_y,j|/f≥0.2且

|f_t-f_x,i|/f≥0.5且|f_t-f_y,j|/f≥0.5且

|f_t2-f_x,i|/f≥1且|f_t2-f_y,j|/f≥1且

|f_t3-f_x,i|/f≥1且|f_t3-f_y,j|/f≥1，

其中，N_f为刀齿数；

(10)使用下式计算主轴转速n：

n＝60f；

(11)根据刀具厂家推荐最大单齿进给量F_z,max(单位：mm/齿)计算最大进给率F_max(单位：mm/min)：

F_max＝F_z,maxN_fn；

(12)使用第(4)步计算得到的A_e，第(6)步计算得到的A_p，第(10)步计算得到的n，及第(11)步计算得到的F_max，编制时间零件加工的数控程序，准备在数控机床上实际铣削零件；

(13)使用机床的进给倍率功能，设置实际进给率F_a＝120％F_max；

(14)铣削零件，并观察铣削过程中的切屑形态；

(15)判断切屑是否为盘旋状切屑形态，若是，则进行第(16)步；若否，则判断是否F_a＝30％F_max，若是，则进行第(16)步；若否，则使用机床的进给倍率功能将实际进给率F_a减去10％F_max，进行第(14)步；

(16)最终使用的进给率F＝F_a。

本发明的有益效果是：通过优选与刀具磨损最相关的主轴转速范围和径向切深，达到提高刀具寿命的目的；通过优选轴向切深，达到抑制铣削颤振的目的；通过优选主轴转速，达到抑制铣削共振的目的；通过优选进给率，获得切削中最好的切屑形态，即盘旋状切屑形态，达到保证高铣削效率，同时匹配进给率和其他工艺参数的目的，与专利1和2相比较，既考虑了刀具磨损，又抑制了铣削振动，还控制了有利于切削的切屑形态，通过理论计算和实际切削结合，达到了各工艺参数间的匹配。

附图说明

图1是实施例1中待加工零件的示意图。

图2是实施例1第(5)步中计算的钛合金铣削的稳定性叶瓣图。

下面结合实施例对本发明进一步说明。

具体实施方式

实施例1：采用本发明进行钛合金TC18铣削粗加工阶段工艺参数优选。

(1)参照附图1，根据被加工盒型零件的几何特征，即转角半径最小值R_min＝11mm和槽腔最小尺寸L_min＝210mm，使用下式计算允许使用的刀具的最大直径D_max：

D_max＝min{5R_min,0.3L_min}＝min{5×11,0.3×210}＝55；

(2)现有铣刀的直径分别为30mm、35mm、40mm、50mm、80mm，选择现有刀具中直径与D_max最接近但小于D_max的刀具，作为钛合金铣削用刀，故选择直径D＝50mm的可转位铣刀(型号：7792VXD12－A050Z6R)；

(3)根据刀具厂家推荐刀具最小切削速度V_c,min＝30m/min和最大切削速度V_c,max＝45m/min，计算直径D的刀具使用的最小主轴转速n_min和最大主轴转速n_max，计算公式如下：

n_min＝1000V_c,min/(πD)＝1000×30/(50π)≈190r/min，

n_max＝1000V_c,max/(πD)＝1000×45/(50π)≈290r/min；

(4)使用下式计算径向切深A_e：

A_e＝min{0.8D,[1-cos(πT_c,max(n_min+n_max)/60)]D/2}＝min{0.8×50,[1-cos(π×0.08×(190+290)/60)]×50/2}；≈min{40,36}＝36mm

其中，T_c,max是在保证一定刀具寿命情况下，刀具旋转一周允许刀刃切削材料的最长时间；对于所选可转位铣刀使用的刀片(型号：XDLT120512ERD411)，T_c,max＝0.08s；

(5)使用锤击法模态测试方法测量机床主轴X、Y方向的刀具－主轴系统的动力学参数，并使用文献“M.Wan，J.Feng，Y.C.Ma，W.H.Zhang，Identification of millingprocess damping using operational modal analysis，International JournalMachine Tools and Manufacture，122(2017)120－131.”中的方法，计算钛合金铣削的稳定性叶瓣图，参照附图2，在最小主轴转速n_min＝190r/min和最大主轴转速n_max＝290r/min之间选择稳定性叶瓣图中极限切削深度的最小值1.398mm，记为A_p,sta；

(6)使用下式计算轴向切深A_p：

A_p＝min{0.8A_p,sta,0.8A_p,rec}＝min{0.8×1.398,0.8×1.3}；＝1mm

其中，A_p,rec为刀具厂家推荐的轴向切深，对于选用的刀片(型号：XDLT120512ERD411)，其推荐值为1.3mm；

(7)使用锤击法模态测试方法测量机床主轴X方向的低阶固有频率f_x,1＝97Hz、f_x,2＝35Hz和Y方向的低阶固有频率f_y,1＝72Hz、f_y,2＝68.5Hz、f_y,3＝58.5Hz；

(8)使用下式计算最小主轴旋转频率f_min、最大主轴旋转频率f_max：

f_min＝n_min/60＝190/60≈3.1667Hz，f_max＝n_max/60＝290/60≈4.8333Hz，

(9)在f_min及f_max形成的区间内，选取一个主轴旋转频率f＝4.3333Hz，使得f、f_t＝fN_f、f_t2＝2fN_f、f_t3＝3fN_f同时满足如下条件：

|f-f_x,i|/f≥0.2且|f-f_y,j|/f≥0.2且

|f_t-f_x,i|/f≥0.5且|f_t-f_y,j|/f≥0.5且

|f_t2-f_x,i|/f≥1且|f_t2-f_y,j|/f≥1且

|f_t3-f_x,i|/f≥1且|f_t3-f_y,j|/f≥1，

其中，N_f为刀齿数，对于所选可转位铣刀N_f＝6；

(10)使用下式计算主轴转速n：

n＝60f＝260r/min；

(11)根据刀具厂家推荐最大单齿进给量F_z,max计算最大进给率F_max：

F_max＝F_z,maxN_fn＝1×6×260＝1560mm/min，

其中，F_z,max的推荐最大值为1mm/齿；

(12)使用第(4)步计算得到的A_e，第(6)步计算得到的A_p，第(10)步计算得到的n，及第(11)步计算得到的F_max，编制时间零件加工的数控程序，准备在数控机床上实际铣削零件；

(13)使用机床的进给倍率功能，设置实际进给率F_a＝120％F_max＝1872mm/min；

(14)铣削零件，并观察铣削过程中的切屑形态；

(15)判断切屑是否为盘旋状切屑形态，若是，则进行第(16)步；若否，则判断是否F_a＝30％F_max，若是，则进行第(16)步；若否，则使用机床的进给倍率功能将实际进给率F_a减去10％F_max，进行第(14)步；

(16)在执行了三次第(15)步后，最终使用的进给率F＝F_a＝100％F_max＝1560mm/min。

图2中实线表示铣削稳定性边界，使用铣削参数组合位于边界上方时，铣削会出现颤振；使用铣削参数组合位于边界下方时，铣削不会出现颤振。

通过上面的步骤，获得了主轴转速n、进给率F、轴向切深A_p、径向切深A_e四个铣削工艺参数。使用优化后的铣削工艺参数进行钛合金TC18切削实验验证，切削过程平稳无振动，刀具寿命为1小时，切屑为盘旋状切屑形态，排屑顺畅。该方法既保证了铣削过程中不出现共振和颤振，又保证了进给率F、轴向切深A_p、径向切深A_e，即材料去除率Q＝A_pA_eF尽量大。证明了方法的有效性。

Claims (1)

1.一种低振动钛合金铣削加工工艺参数优选方法，其特征在于包括下述步骤：

(1)根据被加工零件的几何特征，即转角半径最小值R_min和槽腔最小尺寸L_min，使用下式计算允许使用的刀具的最大直径D_max：

D_max＝min{5R_min,0.3L_min}；

(2)选择现有刀具中直径D与D_max最接近但小于D_max的刀具，作为钛合金铣削用刀；

(3)根据刀具厂家推荐刀具最小切削速度V_c,min和最大切削速度V_c,max，计算直径D的刀具使用的最小主轴转速n_min和最大主轴转速n_max，计算公式如下：

n_min＝1000V_c,min/(πD)，n_max＝1000V_c,max/(πD)；

(4)使用下式计算径向切深A_e：

A_e＝min{0.8D,[1-cos(πT_c,max(n_min+n_max)/60)]D/2}

其中，T_c,max是在保证一定刀具寿命情况下，刀具旋转一周允许刀刃切削材料的最长时间；

(5)使用锤击法模态测试方法测量机床主轴X、Y方向的刀具－主轴系统的动力学参数，并使用文献“M.Wan，J.Feng，Y.C.Ma，W.H.Zhang，Identificationofmillingprocessdampingusingoperationalmodalanalysis，InternationalJournalMachineToolsandManufacture，122(2017)120－131.”中的方法，计算钛合金铣削的稳定性叶瓣图，在最小主轴转速n_min和最大主轴转速n_max之间选择稳定性叶瓣图中极限切削深度的最小值记为A_p,sta；

(6)使用下式计算轴向切深A_p：

A_p＝min{0.8A_p,_sta,0.8A_p,_rec}

其中，A_p,rec为刀具厂家推荐的轴向切深；

(7)使用锤击法模态测试方法测量机床主轴X方向的低阶固有频率f_x,_i(i＝1,2,...,N_x)和Y方向的低阶固有频率f_y,j(j＝1,2,...,N_y)，其中，N_x是X方向的低阶固有频率数目，N_y是Y方向的低阶固有频率数目；

(8)使用下式计算最小主轴旋转频率f_min、最大主轴旋转频率f_max：

f_min＝n_min/60，f_max＝n_max/60；

(9)在f_min及f_max形成的区间内，选取一个主轴旋转频率f，使得f、f_t＝fN_f、f_t2＝2fN_f、f_t3＝3fN_f同时满足如下条件：

|f-f_x,i|/f≥0.2且|f-f_y,j|/f≥0.2且

|f_t-f_x,i|/f≥0.5且|f_t-f_y,j|/f≥0.5且

|f_t2-f_x,i|/f≥1且|f_t2-f_y,j|/f≥1且

|f_t3-f_x,i|/f≥1且|f_t3-f_y,j|/f≥1，

其中，N_f为刀齿数；

(10)使用下式计算主轴转速n：

n＝60f；

(11)根据刀具厂家推荐最大单齿进给量F_z,max计算最大进给率：

F_max＝F_z,maxN_fn；

(12)使用第(4)步计算得到的A_e，第(6)步计算得到的A_p，第(10)步计算得到的n，及第(11)步计算得到的F_max，编制时间零件加工的数控程序，准备在数控机床上实际铣削零件；

(13)使用机床的进给倍率功能，设置实际进给率F_a＝120％F_max；

(14)铣削零件，并观察铣削过程中的切屑形态；

(15)判断切屑是否为盘旋状切屑形态，若是，则进行第(16)步；若否，则判断是否F_a＝30％F_max，若是，则进行第(16)步；若否，则使用机床的进给倍率功能将实际进给率F_a减去10％F_max，进行第(14)步；

(16)最终使用的进给率F＝F_a。