CN110222454A - 铣削加工精度一致性的工艺设计方法 - Google Patents

Abstract

铣削加工精度一致性的工艺设计方法，属于铣刀技术领域。由于已有技术设计指标不全，目标不明确而无法实现加工表面误差分布精确控制，本发明针对上述问题对铣削工艺设计方法进行改进。本发明增加加工精度评判的评判指标，实现对加工误差分布的精确控制；设计铣削振动试验并提取振动试验数据，对铣削振动进行全程动态检测，使用改进的灰色关联分析算法对铣削振动与加工精度进行分析；通过灰色关联算法对加工表面精度的各项参数随切削行程的动态变化进行分析。本发明的工艺设计方法，优化设计、动态设计、协同设计综合运用，通过加工表面精度一致性的评判方法，对原有的工艺设计方法进行优化，提高加工精度及其一致性水平。

Description

铣削加工精度一致性的工艺设计方法

技术领域

本发明涉及一种铣削加工精度一致性设计方法，具体涉及一种铣削加工精度一致性的工艺设计方法，属于铣刀技术领域。

背景技术

铣削加工表面精度的大小及其分布特性直接影响大型结构件上结合面的性能，已有的铣削工艺设计方法以控制铣削加工表面精度的最大值为目标，没有考虑铣削加工表面精度一致性控制问题，导致铣削加工表面上的加工精度分布具有多样性和不确定性，无法满足大型结构件上结合面的加工质量要求。因此，在已有的铣削工艺设计方法基础上，提出铣削加工精度一致性的工艺设计方法可实现大型结构件加工质量的有效控制。

加工精度一致性是加工表面性能的重要影响因素，也是评判加工表面的重要特性。已有的加工精度评判方法仅使用加工参数的最大值来表征加工精度，忽略了其分布特性，使得工艺方法未能对加工表面上加工精度的分布特性进行控制。因此提出铣削加工精度一致性的评判方法，完成对铣削加工表面上加工精度的大小和分布特性的精确评判。

工艺过程中的铣削振动是铣削加工精度的重要影响因素，已有的工艺设计方法注重加工参数对加工表面的直接影响，对铣削振动的影响有所疏漏，未能关注到二者之间对加工表面的综合影响，使得加工表面精度一致性无法满足加工质量要求，因此，提出铣削振动对加工精度影响特性的识别方法可实现对铣削振动特性的精确识别。

发明内容

在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

鉴于此，为了解决已有技术由于设计指标不全，目标不明确而无法实现加工表面误差分布精确控制的问题，进而本发明提供了铣削加工精度一致性的工艺设计方法，对铣削工艺设计方法进行改进，从而提高对加工表面误差的控制，进而提高加工表面精度。

本发明的铣削加工精度一致性的工艺设计方法，具体步骤为：

步骤1，立铣刀铣削加工精度一致性的工艺设计方案；

综合运用了优化设计、协同设计和动态设计，考虑了振动对铣削加工的影响，增加了加工精度一致性的评判，以主要目标法解决了设计过程中振动对加工表面精度的影响与铣削参数对加工表面的影响二者之间的设计矛盾，将加工误差整体水平及其分布的一致性作为设计目标，以铣削振动和加工效率作为约束条件，考虑到切削参数、刀齿误差分布、铣削振动对加工误差的影响，设计了新的工艺设计方案和新刀齿误差分布方案；

步骤2，影响因素及影响特性实验及高斯回归模型；

根据工件表面加工特征及设计目标设计初始工艺方案，进行立铣刀铣削加工精度一致性的影响因素及影响特性实验获取工艺设计变量及其影响特性、铣削振动特性、加工表面，将得到的数据输入高斯回归模型，可以对设计变量及与设计目标的关系进行预测。

步骤3，工件侧立面的铣削工艺方法；

工件侧立面的铣削工艺中，对涉及变量进行分类：加工表面特征集合，铣刀特征参数集合，铣刀刀齿特征参数集合，铣削方案特征参数集合，对加工精度进行精确控制；

步骤4，铣削振动对加工精度的影响特性；

使用优化设计，通过铣削振动特征参数集合表征振动对加工精度的影响特性，采用改进的关联分析算法进行铣削振动与加工误差的灰色关联分析；

步骤5，立铣刀铣削加工精度一致性的评判方法；

评判方法以加工表面精度为评判指标，使用加工表面精度评判指标集合为参数，沿切削行程变化的分布特性来表征加工精度一致性，以分布特性与理想加工表面的灰色绝对关联分析评定加工精度一致性，在评判加工精度的同时，也对加工表面精度一致性进行评判；

步骤6，立铣刀铣削加工精度一致性的工艺验证方案；

对已有工艺方案和步骤1中获得的改进的方案进行对比，使用对比的方式验证了已有工艺方法和新的工艺方法的加工精度和加工精度一致性。

进一步地：步骤1中，新的工艺设计方案和新刀齿误差分布方案参见表1和表2：

表1新工艺方案

表2新的刀齿误差分布方案

。

进一步地：步骤2中，根据工件表面加工特征及设计目标设计初始工艺方案，进行立铣刀铣削加工精度一致性的影响因素及影响特性实验获取工艺设计变量及其影响特性、铣削振动特性、加工表面，将得到的数据输入高斯回归模型，可以对设计变量及与设计目标的关系进行预测。

铣削加工精度一致性工艺设计目标集合M，如下式所示：

M＝{P，Δl_max，Δl_min，E，Δα，Δα'，Δβ} (1)

式中：P为平面度；Δl_max为加工尺寸误差最大值；Δl_min为加工尺寸误差最小值；E为位置误差基准点；Δα为已加工表面与设计表面误差角度；Δα'为已加工表面与侧面误差角度；Δβ为垂直度。

进一步地：步骤3中，使用硬质合金立铣刀铣削加工工件侧立面，铣刀结构参数含义如表3所示：

表3铣刀结构参数含义

铣削加工过程及加工表面具体形成过程中控制变量参数如表4所示：

表4立铣刀加工表面形成过程控制变量

其中变量的关系为：

a_p＝z_g ⁽²⁾-z_g ⁽¹⁾ (2)

a_e＝y_g ⁽²⁾-y_g ⁽¹⁾ (3)

工件侧立面的铣削工艺中，对涉及变量进行分类：加工表面特征集合A，铣刀特征参数集合B，铣刀刀齿特征参数集合C，铣削方案特征参数集合D，具体内容如式(6)～(9)所示：

A＝{S，F(x_g，y_g，z_g)，W} (6)

B＝{L₁，D_C，m，θ_i} (7)

C＝{f_i，λ_i，γ_0i，α_0i，r₁，r₀，Δc_i，Δr_i} (8)

D＝{δ，v_c，v_f，f_z，a_e，a_p} (9)

式中：S为工件材料集合，F(x_g，y_g，z_g)为加工表面在工件坐标系中的方程；m为齿数；f_i为铣刀任意刀齿刃形方程；Δci为铣刀任意刀齿的轴向误差；Δri为铣刀任意刀齿的径向误差；r₀为刀尖圆弧半径；r₁为刃口半径。

进一步地：步骤4中，铣削振动特征参数集合E如下式所示：

E＝{a_max-x，a_max-y，a_max-z，σ_x，σ_y，σ_z} (10)

式中a_max-x、a_max-y、a_max-z分别为振动在x、y、z方向的加速度最大值；σ_x、σ_y、σ_z分别为振动在x、y、z方向的加速度标准差；

切削方式为径向分层，消除刀齿误差对加工误差的影响，设置每次径向切削行程为200mm，切削参数如表5所示：

表5 0-200mm铣削振动实验方案

使用振动加速度传感器，检测每次径向切削过程中沿工件坐标系x_g、y_g、z_g三个方向的振动加速度信号，采用动态信号测试系统测试振动对铣削振动时域信号特征参数进行提取，获得沿x_g、y_g、z_g三个方向的振动加速度最大值a_max和标准差σ，如表6所示：

表6振动时域信号特征参数

将切削过程等间距分成10份并提取振动时域信号特征参数，分析其随切削行程的变化特性，根据切削行程0-200mm时振动时域特征参数分布数据制成分布曲线；

改进的灰色关联分析算法用以反映序列曲线之间变化趋势的接近程度，及通过各段斜率比值算术平均值的符号来反应曲线之间的正负相关性；若各段的斜率比值越集中在1附近，则关联性越好；反之，则关联性越差；因此，采用改进的关联分析算法进行铣削振动与加工误差的灰色关联分析；具体如下：

将加工误差特征参数作为参考序列A_w，振动时域特征参数作为比较序列A_z；参见式11和式12；

A_w＝{a_w(1),a_w(2),...,a_w(T)} (11)

A_z＝{a_z(1),a_z(2),...,a_z(T)} (12)

式中T为序列长度。

序列A_w和A_z的灰色关联度γ(A_w，A_z)计算公式13如下：

式中，K_wz为参考序列A_w和比较序列A_z进行无量纲化处后的斜率序列K_w和K_z的比值序列，δ(A_w)为K_wz的变异系数，ξ(A_w/A_z)为K_wz的广义变异系数。

进一步地：步骤5中，采用灰色绝对关联分析的方法如下：

构建加工表面精度特征参数随切削行程区域变化的比较序列W以及理想加工表面参考序列Y_n如下式：

Y_n＝(Y(1),Y(2),…,Y(n)) (14)

W＝(W(1),W(2),…,W(n)) (15)

灰色绝对关联度计算公式如下：

式中，│S_Yn│和│S_W│分别为参考序列Y_n以及比较序列W的每个元素减去第一个元素后的积分，│S_Yn－S_W│为参考序列Y_n以及比较序列W的零点始化像之差的积分。

γ(Y_n,W)越接近1，说明加工精度一致性越好，相反则越差。因为γ(Y_n,W)≥0.6为强关联，所以当关联度γ(Y_n,W)≥0.6时，加工精度一致性水平达到设计目标，反之则未能达到设计目标。

进一步地：步骤6中，对已有工艺方案和步骤1中获得的改进的工艺方案进行对比，如表7和表8所示：

表7已有工艺方案与新工艺方案对比

表8已有刀齿误差分布方案与新刀齿误差分布方案

对已有和新工艺方案结果进行评判，获得的加工误差沿切削行程方向分布的绝对值的平均值、波动情况和标准差；

使用绝对关联度对加工误差分布一致性进行评判，得到关联度如表9所示：

表9新工艺与已有工艺加工误差分布一致性对比分析

。

有益效果：

已有的铣削加工精度的评判方法及工艺设计方法的设计指标和评判指标仅有加工表面的各项参数，只能揭示加工表面的整体水平，未曾涉及加工表面的动态变化，有其无法避免的局限性，而本发明使用更多评判指标，加入各项加工表面参数随行程变化的关联程度，成功对加工表面的动态变化进行了评判，使得加工表面一致性大幅提高。

已有的铣削加工精度的评判方法注重对加工表面的加工误差参数进行评判，没有对各项误差参数与加工表面误差的联系深入进行探索和评判，本文使用的评判方法不仅拥有传统评判方法对误差参数本身进行评判的优点，还进一步研究了各项误差参数与加工误差的关联程度，进一步提高了加工精度的一致性。

已有的工艺设计方法注重加工参数对加工表面的直接影响，对铣削振动的影响有所疏漏，未能关注到二者之间对加工表面的综合影响，因此未能实现对加工质量的精确控制，而本发明考虑到这种情况，以优化设计为框架，动态设计、协同设计综合运用，凭借主要目标法对多项加工参数以及铣削振动进行多角度设计，充分解决了已有工艺的这些缺陷，实现对加工表面精度的精确控制。

附图说明

图1为工艺方案设计方法流程图；

图2为高斯回归模型流程图

图3为硬质合金立铣刀结构图，a)为主视图，b)为侧视图，c)为切削刃展开图，d)为铣刀切削刃结构图；

图4为立铣刀加工表面形成过程及已加工表面区域划分方法图，a)为主视图，b)为侧视图，c)为俯视图；；

图5为切削行程0-200mm时振动时域特征参分布曲线图，a)为振动加速度最大值a_max曲线图，b)为标准差σ曲线图；

图6为铣刀加工误差分布图

图7为新工艺与已有工艺加工形状误差对比图；

图8为刀新工艺与已有工艺加工尺寸误差对比图，a)为加工尺寸误差最大值对比图，b)加工尺寸误差最小值对比图；

图9为新工艺与已有工艺加工位置误差对比图，a)位置基准点误差对比图，b)三远点平面与o_g-x_gz_g之间的角度误差对比图，c)三远点平面与o_g-y_gz_g之间的角度误差对比图，d)三远点平面与o_g-x_gy_g之间的角度误差对比图。

具体实施方式

在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。

在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

本实施方式所述的铣削加工精度一致性的工艺设计方法，具体为：

一：立铣刀铣削加工精度一致性的工艺设计方案

铣削工艺设计方法是根据铣削工艺设计过程的特点和性质来确定的。已有的工艺设计方法只是对切削参数进行优化设计，不能达成加工精度一致性的要求。而本发明的工艺设计方法综合运用了优化设计、协同设计和动态设计，考虑了振动对铣削加工的影响，增加了加工精度一致性的评判。以主要目标法解决了设计过程中振动对加工表面精度的影响与铣削参数对加工表面的影响二者之间的设计矛盾。将加工误差整体水平及其分布的一致性作为设计目标，以铣削振动和加工效率作为约束条件，考虑到切削参数、刀齿误差分布、铣削振动对加工误差的影响，设计了新的工艺设计方法如图1所示。

如图1所示，根据工件表面加工特征、工艺设计目标及铣削工艺方法和机床的信息设计影响因素及影响特性实验与高斯回归模型，获得设计变量、设计目标以及二者间的关系。根据这些信息对铣削工艺设计方案进行完善，其中，同时对铣刀特征参数、对刀方式及切削参数进行设计。而后进行试切试验获得铣削振动特性及铣削加工表面的信息。进行加工精度最大值评判及加工表面精度一致性评判，若评判不合格，则对影响因素及其类型进行识别，即对仿真模型、工艺设计方案、振动特性进行识别，然后返回设计进行修改直到合格，合格后再进行验证实验，若不合格则返回继续修改，合格则输出经过验证后的工艺设计方案及加工精度及其一致性评判结果。

二：加工精度一致性的影响因素及影响特性实验与高斯回归模型

(1)根据工件表面加工特征及设计目标设计初始工艺方案，进行立铣刀铣削加工精度一致性的影响因素及影响特性实验获取工艺设计变量、铣削振动特性、加工表面，将这些数据输入高斯回归模型，可以对设计变量及与设计目标的关系进行预测，其过程如图2所示。

根据实验及高斯回归模型输出的设计目标、设计变量以及二者间的关系，设计加工精度一致性工艺设计目标变量集合M如下式所示：

M＝{P，Δl_max，Δl_min，E，Δα，Δα'，Δβ} (1)

式中P为平面度；Δl_max为加工尺寸误差最大值；Δl_min为加工尺寸误差最小值；E为位置误差基准点；Δα为已加工表面与设计表面误差角度；Δα'为已加工表面与侧面误差角度；Δβ为垂直度。

三：立铣刀铣削工艺方法与工艺设计变量

(1)工艺变量能够直接影响加工表面的形成。已有的工艺方法中往往只关注切削参数，而忽略了铣刀及刀齿的结构参数和铣削振动对加工表面的影响，无法满足加工精度一致性的要求。因此本发明通过描述工件侧立面的铣削工艺方法，提出铣刀特征参数集合B，铣削方案特征参数集合C，对加工精度进行更为精确的控制。

使用硬质合金立铣刀铣削加工工件侧立面，其中铣刀结构如图3所示，铣刀结构参数含义如表1所示。

表1铣刀结构参数含义

(3)铣削加工过程及加工表面具体形成过程如图4所示，其中控制变量参数如表2所示。

表2立铣刀加工表面形成过程控制变量

图4中变量的关系为

a_p＝z_g ⁽²⁾-z_g ⁽¹⁾ (2)

a_e＝y_g ⁽²⁾-y_g ⁽¹⁾ (3)

(4)工件侧立面的铣削工艺中，对涉及变量进行分类：加工表面特征集合A，铣刀特征参数集合B，铣刀刀齿特征参数集合C，铣削方案特征参数集合D。具体内容如式(6)～(9)所示。

A＝{S，F(x_g，y_g，z_g)，W} (6)

B＝{L₁，D_C，m，θ_i} (7)

C＝{f_i，λ_i，γ_0i，α_0i，r₁，r₀，Δc_i，Δr_i} (8)

D＝{δ，v_c，v_f，f_z，a_e，a_p} (9)

式中S为工件材料集合，F(x_g，y_g，z_g)为加工表面在工件坐标系中的方程；m为齿数；f_i为铣刀任意刀齿刃形方程；Δci为铣刀任意刀齿的轴向误差；Δri为铣刀任意刀齿的径向误差；r₀为刀尖圆弧半径；r₁为刃口半径。

四：不同工艺设计变量条件下的铣削振动特性

(1)铣削加工参数既对加工精度直接影响，又通过铣削振动对加工精度进行间接影响。而已有的铣削工艺方案仅考虑了铣削加工参数的影响，未能对振动的影响进行分析。因此，本发明使用优化设计，通过铣削振动特征参数集合E表征振动对加工精度的影响特性，采用改进的关联分析算法进行铣削振动与加工误差的灰色关联分析，对传统工艺方案进行了改善。

铣削振动特征参数集合E如下式所示：

E＝{a_max-x，a_max-y，a_max-z，σ_x，σ_y，σ_z} (10)

式中a_max-x、a_max-y、a_max-z分别为振动在x、y、z方向的加速度最大值；σ_x、σ_y、σ_z分别为振动在x、y、z方向的加速度标准差。

(2)铣削振动实验设计及数据提取

切削方式为径向分层可以很好的消除刀齿误差对加工误差的影响，因此设置每次径向切削行程为200mm，以下实验以切削行程0-200mm为例，切削参数如表3所示。

表3铣削振动实验方案

使用振动加速度传感器，检测每次径向切削过程中沿工件坐标系x_g、y_g、z_g三个方向的振动加速度信号，采用DHDAS5922动态信号测试系统测试振动对铣削振动时域信号特征参数进行提取，获得沿x_g、y_g、z_g三个方向的振动加速度最大值a_max和标准差σ，如表4所示。

表4振动时域信号特征参数

将切削过程等间距分成10份并提取振动时域信号特征参数，分析其随切削行程的变化特性，根据切削行程0-200mm时振动时域特征参数分布数据制成曲线图如图5所示。

(3)铣削振动对加工误差的关联分析

改进的灰色关联分析算法不仅可以反映序列曲线之间变化趋势的接近程度，还可以通过各段斜率比值算术平均值的符号来反应曲线之间的正负相关性；若各段的斜率比值越集中在1附近，则关联性越好；反之，则关联性越差。因此，采用改进的关联分析算法进行铣削振动与加工误差的灰色关联分析。

将加工误差特征参数作为参考序列A_mn，振动时域特征参数作为比较序列A_mh。

A_w＝{a_w(1),a_w(2),...,a_w(T)} (11)

A_z＝{a_z(1),a_z(2),...,a_z(T)} (12)

式中T为序列长度。

序列A_w和A_z的灰色关联度γ(A_w，A_z)计算公式如下：

式中，K_wz为参考序列A_w和比较序列A_z进行无量纲化处后的斜率序列K_w和K_z的比值序列，δ(A_w)为K_wz的变异系数，ξ(A_w/A_z)为K_wz的广义变异系数。

为了揭示在铣削过程中铣削振动对铣削加工误差的影响特性。以切削行程为0-200mm的仿真结果为例，采用改进的灰色关联分析算法，进行铣削振动与铣削加工误差的影响特性分析。通过对振动时域特征参数和加工误差特征参数进行关联分析，计算得到振动时域特征参数与加工误差特征参数的关联矩阵如式(14)～(15)所示。

式中，γ₁为铣削振动加速度最大值与加工误差特征参数的关联度矩阵，γ₂铣削振动加速度标准差与加工误差特征参数的关联矩阵。

根据公式(14)～(15)可知，沿工件坐标系x_g、y_g、z_g三个方向的振动加速度最大值和标准差与加工形状误差、加工尺寸误差、加工位置误差的关联度绝对值均大于0.6，说明铣削振动时域特征参数与加工误差特征参数间的关联系较强。对比其大小以及绝对值大小，显然可以通过降低铣削宽度方向的振动加速度最大值减小加工形状误差、加工尺寸误差；降低铣削宽度方向的振动加速度标准差减小加工位置误差。

五：立铣刀铣削加工精度一致性的评判方法

(1)已加工表面精度及其分布直接影响已加工表面的功能。而已有的加工表面精度评价方法仅利用加工表面误差最大值进行评判，没有对加工表面误差在已加工表面不同位置的变动特性进行考虑，仍具有模糊性和不确定性。因此本发明的评判方法增加了加工表面精度评判指标，使用这些参数沿切削行程变化的分布特性来表征加工精度一致性，以分布特性与理想加工表面的灰色绝对关联分析评定加工精度一致性，在评判加工精度的同时，也对加工表面精度一致性进行评判。

加工表面精度由加工误差特征参数进行表征，加工表面精度评判指标集合W如下式所示：

W＝{P，Δl_max，Δl_min，E，Δα，Δα'，Δβ} (16)

式中P为平面度；Δl_max为加工尺寸误差最大值；Δl_min为加工尺寸误差最小值；E为位置误差基准点；Δα为已加工表面与设计表面误差角度；Δα'为已加工表面与侧面误差角度；Δβ为垂直度。

(2)首先对加工表面区域进行等距离划分，划分方法如图4a)主视图所示，然后对每个区域的加工精度指标的分布特性进行测量，误差分布如图6所示。

铣削加工误差沿切削行程方向的分布特性可由其分布的最值以及绝对值的平均值和标准差来表征，其中最大值和最小值表示加工误差的变化范围，绝对值的平均值表示在切削行程区域内加工几何误差分布的平均水平，绝对值的最小值表明在这个工况条件下能达到最好的加工状态，加工误差的标准差表示其波动情况。

(3)在实际铣削加工过程中，为保证加工精度，通常需要对加工误差进行补偿。当加工误差的分布具有良好的一致性，方便对其进行加工补偿。针对这种加工需求，采用灰色关联分析的方法，提出一种衡量铣削加工误差分布一致性的评判指标。

构建加工表面精度特征参数随切削行程区域变化的比较序列W以及理想加工表面(加工误差为0)参考序列Y_n如下式。

Y_n＝(Y(1),Y(2),…,Y(n)) (17)

W＝(W(1),W(2),…,W(n)) (18)

灰色绝对关联度计算公式如下：

式中，│S_Yn│和│S_W│分别为参考序列Y_n以及比较序列W的每个元素减去第一个元素后的积分，│S_Yn－S_W│为参考序列Y_n以及比较序列W的零点始化像之差的积分。

γ(Y_n,W)越接近1，能够说明加工精度一致性越好，相反则越差。因为γ(Y_n,W)≥0.6为强关联，所以当关联度γ(Y_n,W)≥0.6时，加工精度一致性水平达到设计目标，反之则未能达到设计目标。

六：立铣刀铣削加工精度一致性的工艺验证方案

(1)工艺方案的改变使得验证方案也要做出相应的修改。已有的验证方案只能验证加工精度，不能对加工精度一致性进行有效的验证。因此本发明增加了加工精度一致性的验证，使用对比的方式验证了已有工艺方法和新的工艺方法的加工精度和加工精度一致性。

(2)对已有工艺方案和实施实例1中改进的工艺方案设计方法进行对比如表5～表6所示。

表5已有工艺方案与新工艺方案对比

表6已有刀齿误差分布方案与新刀齿误差分布方案

(3)对已有和新工艺方案结果使用以上方法进行评判。新工艺与已有工艺获得的加工误差沿切削行程方向分布的绝对值的平均值、波动情况和标准差如图7～图9所示。

(4)对比分析新工艺与已有工艺的加工误差各个参数可知，新工艺的加工形状误差分布的绝对值的平均值、波动程度和标准差降低了32.31％、30.73％、24.20％，加工尺寸误差最大值的绝对值的平均值、波动程度和标准差降低了18.78％、46.68％、48.80％，加工尺寸误差最小值的绝对的平均值、波动程度和标准差降低了44.83％、20.06％、21.18％，位置误差基准点误差的绝对值的平均值、波动程度和标准差降低了24.84％、39.74％、33.93％，Δα的绝对值的平均值、波动程度和标准差降低了85.11％、81.59％、84.06％，Δα'的绝对值的平均值、波动程度和标准差降低了4.03％、5.36％、11.10％，垂直度的绝对值的平均值、波动程度和标准差降低了46.99％、43.50％、47.28％，根据上述指标可以说明新工艺的加工误差较已有工艺有了很大的提高。

使用以上绝对关联度对加工误差分布一致性进行评判，得到关联度如表7所示。

表7新工艺与已有工艺加工误差分布一致性对比分析

由表7可知，新工艺的加工形状误差分布一致性提高了2.72％，加工尺寸误差最大值分布一致性提高了3.46％，加工尺寸误差最小值分布一致性提高了3.37％，位置误差基准点误差分布一致性提高了8.7％，Δα分布一致性提高了34.51％，Δα'分布一致性提高了5.63％，Δβ分布一致性提高了19.37％。

本实施例使用改进的灰色关联分析算法，对铣削振动与加工精度进行关联分析，更为精确的描述了铣削振动与加工表面精度的关系，准确揭示了铣削振动特性。

本实施例使用加工表面平面度，加工误差最大值、最小值，位置误差基准点，加工表面与工件坐标系表面的角度误差作为评判指标，不仅更加贴近实际情况，更是准确的对加工表面的一致性进行了评判。由此而形成的评判方法不仅拥有传统评判方法对加工表面误差参数本身进行评判的优点，还进一步研究了各项误差参数与加工误差的关联程度，提高了加工表面精度的一致性。

在工艺设计方法上多方面考虑切削参数、振动等影响因素及其相互间的影响，使用上述评判方法，多角度评判加工表面，提高了加工表面精度一致性。

虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

Claims (7)

1.铣削加工精度一致性的工艺设计方法，其特征在于：具体步骤如下，

步骤1，立铣刀铣削加工精度一致性的工艺设计方案；

综合运用了优化设计、协同设计和动态设计，考虑了振动对铣削加工的影响，增加了加工精度一致性的评判，以主要目标法解决了设计过程中振动对加工表面精度的影响与铣削参数对加工表面的影响二者之间的设计矛盾，将加工误差整体水平及其分布的一致性作为设计目标，以铣削振动和加工效率作为约束条件，考虑到切削参数、刀齿误差分布、铣削振动对加工误差的影响，设计了新的工艺设计方案和新刀齿误差分布方案；

步骤2，影响因素及影响特性实验及高斯回归模型；

根据工件表面加工特征及设计目标设计初始工艺方案，进行立铣刀铣削加工精度一致性的影响因素及影响特性实验获取工艺设计变量及其影响特性、铣削振动特性、加工表面，将得到的数据输入高斯回归模型，可以对设计变量及与设计目标的关系进行预测；

步骤3，工件侧立面的铣削工艺方法；

工件侧立面的铣削工艺中，对涉及变量进行分类：加工表面特征集合，铣刀特征参数集合，铣刀刀齿特征参数集合，铣削方案特征参数集合，对加工精度进行精确控制；

步骤4，铣削振动对加工精度的影响特性；

使用优化设计，通过铣削振动特征参数集合表征铣削振动特性，采用改进的灰色关联分析算法进行铣削振动与加工误差的灰色关联分析；

步骤5，立铣刀铣削加工精度一致性的评判方法；

评判方法以加工表面精度为评判指标，使用加工表面精度评判指标集合内的参数沿切削行程变化的分布特性来表征加工精度一致性，以分布特性与理想加工表面的灰色绝对关联分析评定加工精度一致性，在评判加工精度的同时，也对加工表面精度一致性进行评判；

步骤6，立铣刀铣削加工精度一致性的工艺验证方案；

对已有工艺方案和步骤1中获得的改进的方案进行对比，使用对比的方式验证了已有工艺方法和新的工艺方法的加工精度和加工精度一致性。

2.根据权利要求1所述的铣削加工精度一致性的工艺设计方法，其特征在于：

步骤2中，根据工件表面加工特征及设计目标设计初始工艺方案，进行立铣刀铣削加工精度一致性的影响因素及影响特性实验获取工艺设计变量、铣削振动特性、加工表面，将这些数据输入高斯回归模型，可以对设计变量及与设计目标的关系进行预测；

由实验及高斯回归模型得到的设计变量、设计目标及二者间的关系，设计加工精度一致性工艺设计目标变量集合M，如下式所示：

M＝{P，Δl_max，Δl_min，E，Δα，Δα'，Δβ} (1)

式中：P为平面度；Δl_max为加工尺寸误差最大值；Δl_min为加工尺寸误差最小值；E为位置误差基准点；Δα为已加工表面与设计表面误差角度；Δα'为已加工表面与侧面误差角度；Δβ为垂直度。

3.根据权利要求1所述的铣削加工精度一致性的工艺设计方法，其特征在于：步骤3中，使用硬质合金立铣刀铣削加工工件侧立面，铣刀结构参数含义如表1所示：

表1铣刀结构参数含义

铣削加工过程及加工表面具体形成过程中控制变量参数如表2所示：

表2立铣刀加工表面形成过程控制变量

其中变量的关系为：

a_p＝z_g ⁽²⁾-z_g ⁽¹⁾ (2)

a_e＝y_g ⁽²⁾-y_g ⁽¹⁾ (3)

工件侧立面的铣削工艺中，对涉及变量进行分类：加工表面特征集合A，铣刀特征参数集合B，铣刀刀齿特征参数集合C，铣削方案特征参数集合D，具体内容如式(6)～(9)所示：

A＝{S，F(x_g，y_g，z_g)，W} (6)

B＝{L₁，D_C，m，θ_i} (7)

C＝{f_i，λ_i，γ_0i，α_0i，r₁，r₀，Δc_i，Δr_i} (8)

D＝{δ，v_c，v_f，f_z，a_e，a_p} (9)

式中：S为工件材料集合，F(x_g，y_g，z_g)为加工表面在工件坐标系中的方程；m为齿数；f_i为铣刀任意刀齿刃形方程；Δci为铣刀任意刀齿的轴向误差；Δri为铣刀任意刀齿的径向误差；r₀为刀尖圆弧半径；r₁为刃口半径。

4.根据权利要求3所述的铣削加工精度一致性的工艺设计方法，其特征在于：步骤3中，铣削振动特征参数集合E如下式所示：

E＝{a_max-x，a_max-y，a_max-z，σ_x，σ_y，σ_z} (10)

式中a_max-x、a_max-y、a_max-z分别为振动在x、y、z方向的加速度最大值；σ_x、σ_y、σ_z分别为振动在x、y、z方向的加速度标准差；

切削方式为径向分层，消除刀齿误差对加工误差的影响，设置每次径向切削行程为200mm，切削参数如表3所示：

表3 0-200mm铣削振动实验方案

使用振动加速度传感器，检测每次径向切削过程中沿工件坐标系x_g、y_g、z_g三个方向的振动加速度信号，采用动态信号测试系统测试振动对铣削振动时域信号特征参数进行提取，获得沿x_g、y_g、z_g三个方向的振动加速度最大值a_max和标准差σ，如表4所示：

表4振动时域信号特征参数

将切削过程等间距分成10份并提取振动时域信号特征参数，分析其随切削行程的变化特性，根据切削行程0-200mm时振动时域特征参数分布数据制成分布曲线；

改进的灰色关联分析算法用以反映序列曲线之间变化趋势的接近程度，及通过各段斜率比值算术平均值的符号来反应曲线之间的正负相关性；若各段的斜率比值越集中在1附近，则关联性越好；反之，则关联性越差；因此，采用改进的关联分析算法进行铣削振动与加工误差的灰色关联分析；具体如下：

将加工误差特征参数作为参考序列A_w，振动时域特征参数作为比较序列A_z；参见式11和式12；

A_w＝{a_w(1),a_w(2),...,a_w(T)} (11)

A_z＝{a_z(1),a_z(2),...,a_z(T)} (12)

式中T为序列长度；

序列A_w和A_z的灰色关联度γ(A_w，A_z)计算公式13如下：

式中，K_wz为参考序列A_w和比较序列A_z进行无量纲化处后的斜率序列K_w和K_z的比值序列，δ(A_w)为K_wz的变异系数，ξ(A_w/A_z)为K_wz的广义变异系数。

5.根据权利要求2所述的铣削加工精度一致性的工艺设计方法，其特征在于：步骤1中，采用灰色绝对关联分析的方法如下：

构建加工表面精度特征参数随切削行程区域变化的比较序列W以及理想加工表面参考序列Y_n如下式：

Y_n＝(Y(1),Y(2),…,Y(n)) (14)

W＝(W(1),W(2),…,W(n)) (15)

灰色绝对关联度计算公式如下：

式中，│S_Yn│和│S_W│分别为参考序列Y_n以及比较序列W的每个元素减去第一个元素后的积分，│S_Yn－S_W│为参考序列Y_n以及比较序列W的零点始化像之差的积分；

γ(Y_n,W)越接近1，说明加工精度一致性越好，相反则越差；因为γ(Y_n,W)≥0.6为强关联，所以当关联度γ(Y_n,W)≥0.6时，加工精度一致性水平达到设计目标，反之则未能达到设计目标。

6.根据权利要求5所述的铣削加工精度一致性的工艺设计方法，其特征在于：步骤4中，新的工艺设计方案和新刀齿误差分布方案参见表5和表6：

表5新工艺方案

表6新的刀齿误差分布方案

。

7.根据权利要求6所述的铣削加工精度一致性的工艺设计方法，其特征在于：步骤5中，对已有工艺方案和步骤4中获得的改进的工艺方案进行对比，如表7和表8所示：

表7已有工艺方案与新工艺方案对比

表8已有刀齿误差分布方案与新刀齿误差分布方案

对已有和新工艺方案结果进行评判，获得的加工误差沿切削行程方向分布的绝对值的平均值、波动情况和标准差；

使用绝对关联度对加工误差分布一致性进行评判，得到关联度如表9所示：

表9新工艺与已有工艺加工误差分布一致性对比分析

。