CN110488746A - 一种基于切削稳定性的铣削形貌预测仿真方法 - Google Patents

一种基于切削稳定性的铣削形貌预测仿真方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于切削稳定性的铣削形貌预测仿真方法，该方法的步骤为，S1、获得机床动力学响应反馈的刀尖轨迹；S2、从所选取的刀具的几何参数信息获取切削刃的轮廓方程；S3、将步骤S2中的切削刃的轮廓方程，沿着步骤S1获得的刀尖轨迹进行扫略，即可获得铣削仿真形貌。通过上述仿真方法不仅可以实现切削稳定性的预测，更可以实现考虑切削稳定性的表面形貌仿真，该建模方法效率高、操作简单、结果可靠，对铣削加工表面形貌的仿真预测具有重要意义。

Description

一种基于切削稳定性的铣削形貌预测仿真方法
技术领域
本发明涉及铣削形貌仿真技术领域，尤其是涉及一种基于切削稳定性的铣削形貌预测仿真方法。
背景技术
伴随着高速铣削的发展，刀具的转速越来越高，刀具在材料去除过程中会出现切削稳定性问题，对工件表面形貌的生成具有显著的影响，影响切削稳定性的因素主要有加工刀具以及工件材料，机床的动力学的参数也会对切削稳定性造成影响，而以往的形貌仿真方法无法考虑切削稳定性问题，因此无法对所加工形貌进行精确的预测，常常会导致预测的形貌与实际加工的形貌有差距，而在精密加工中将大大影响机器的性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于切削稳定性的铣削形貌预测仿真方法，该方法通过考虑切削稳定性对加工工件形貌进行了预测，其预测结果与加工结果基本一致，实现了精确预测。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种基于切削稳定性的铣削形貌预测仿真方法，该方法的步骤为，
S1、获得机床动力学响应反馈的刀尖轨迹；
S2、从所选取的刀具的几何参数信息获取切削刃的轮廓方程；
S3、将步骤S2中的切削刃的轮廓方程，沿着步骤S1获得的刀尖轨迹进行扫略，即可获得铣削仿真形貌。
进一步具体的，在所述的步骤S1获取刀尖轨迹的步骤为，首先获取机床动力学参数，并构建机床动力学系统；然后，获取加工参数以及工件材料参数，通过计算获得铣削过程中的切削力；最后，将该切削力作为参数输入机床动力学系统内，获取刀尖轨迹。
进一步具体的，在所述的步骤S2中刀具的几何参数信息从刀具参数图册或者采用SEM及AFM相结合的方式检测获得。
进一步具体的，所述的刀具的几何参数包括刀具直径、刃倾角以及刀具钝圆半径。
进一步具体的，所述的机床动力学参数包括机床的固有频率、刚度以及等效质量。
进一步具体的，该方法用来仿真建模及计算的软件为Ansys及Matlab。
进一步具体的，所述的加工参数包括切削厚度、每齿进给量及主轴转速；所述的工件材料参数为材料切削抗力系数。
进一步具体的，所述的切削力通过切削力计算公式获得，
其中，Kt、Kr为切向和径向切削系数，ap为轴向切身，Kte、Kre为切向和径向的刀具切削刃系数，为窗函数用来决定刀具是否进入切削区域，若进入取值1，否则取0，为刀具转角。
本发明的有益效果是：通过上述仿真方法不仅可以实现切削稳定性的预测，更可以实现考虑切削稳定性的表面形貌仿真，该建模方法效率高、操作简单、结果可靠，对铣削加工表面形貌的仿真预测具有重要意义。
附图说明
图1是本发明的仿真流程图；
图2是本发明主轴转速为15000rpm时的刀尖轨迹图；
图3为本发明主轴转速为35000rpm时的刀尖轨迹图；
图4为本发明主轴转速为60000rpm时的刀尖轨迹图；
图5为本发明刀具轮廓检测图；
图6为本发明主轴转速为15000rpm时的预测形貌结果图；
图7为本发明主轴转速为35000rpm时的预测形貌结果图；
图8为本发明主轴转速为60000rpm时的预测形貌结果图；
图9为本发明主轴转速为15000rpm时的实验检测结果图；
图10为本发明主轴转速为35000rpm时的实验检测结果图；
图11为本发明主轴转速为60000rpm时的实验检测结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细的描述。
一种基于切削稳定性的铣削形貌预测仿真方法，该方法的步骤为，
S1、获得机床动力学响应反馈的刀尖轨迹；
首先采用模态实验或有限元仿真获取机床的固有频率、刚度以及等效质量等机床动力学参数，构建机床动力学系统；然后，获取切削厚度、每齿进给量及主轴转速等的加工参数以及工件材料参数(材料切削抗力系数)，通过切削力计算方法计算获得铣削过程中的切削力；最后，将该切削力作为参数输入机床动力学系统内，获取刀尖轨迹。
S2、从所选取的刀具的几何参数信息获取切削刃的轮廓方程；
刀具的几何参数信息包括刀具直径、刃倾角以及刀具钝圆半径等，可以从刀具参数图册或者采用扫描电子显微镜(SEM)及原子力显微镜(AFM)相结合的方式检测获得；从而通过拟合的到轮廓方程：
S3、将步骤S2中的切削刃的轮廓方程，沿着步骤S1获得的刀尖轨迹进行扫略，即可获得铣削仿真形貌。
实施例
基于仿真建模及计算的软件的Ansys及Matlab来实现。
首先，根据机床的结构参数和外形尺寸建立机床的有限元模型，使其符合机床的固有频率、刚度以及等效质量等机床动力学参数；获取加工参数以及工件材料参数，通过切削力计算方法进行计算，
切削力计算模型如下：
其中，Kt、Kr为切向和径向切削系数，ap为轴向切身，Kte、Kre为切向和径向的刀具切削刃系数，为窗函数用来决定刀具是否进入切削区域，若进入取值1，否则取0，为刀具转角。
为切入角，为切出角。
x和y方向的切削力，可以表示为：
将上述计算出来的切削力作为参数输入至机床动力学系统；选取主轴转速分别为15000rpm、35000rpm及60000rpm进行计算，可得到如图2～4所示的刀尖轨迹图。
其次，采用SEM和AFM对铣削刀具的刀齿轮廓进行检测，可以得到刀齿的轮廓形状并能获得拟合后的轮廓方程，刀具轮廓图如图5所示，方程如下：
最后，将获取的切削刃轮廓方程，沿着获得的考虑机床动力学响应反馈的刀尖轨迹进行扫略，即可得到考虑切削过程稳定性的铣削仿真形貌；如图6～8所示，分别为主轴转速15000rpm、35000rpm及60000rpm时的轮廓形貌，分别对应于稳定切削状态、临界稳定切削状态和不稳定切削状态。
图9～11给出了相应加工参数下真实形貌的检测图，对比仿真图6～8和检测图9～11说明本专利所提出的基于切削稳定性的铣削形貌仿真方法可以很好的适应不同的(稳定、临界稳定、不稳定)的加工状态。
综上，通过该方法不仅可以实现切削稳定性的预测，更可以实现考虑切削稳定性的表面形貌仿真，该建模方法效率高、操作简单、结果可靠，对铣削加工表面形貌的仿真预测具有重要意义。
需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种基于切削稳定性的铣削形貌预测仿真方法，其特征在于，该方法的步骤为，
S1、获得机床动力学响应反馈的刀尖轨迹；
S2、从所选取的刀具的几何参数信息获取切削刃的轮廓方程；
S3、将步骤S2中的切削刃的轮廓方程，沿着步骤S1获得的刀尖轨迹进行扫略，即可获得铣削仿真形貌。
2.根据权利要求1所述的基于切削稳定性的铣削形貌预测仿真方法，其特征在于，在所述的步骤S1获取刀尖轨迹的步骤为，首先获取机床动力学参数，并构建机床动力学系统；然后，获取加工参数以及工件材料参数，通过计算获得铣削过程中的切削力；最后，将该切削力作为参数输入机床动力学系统内，获取刀尖轨迹。
3.根据权利要求1所述的基于切削稳定性的铣削形貌预测仿真方法，其特征在于，在所述的步骤S2中刀具的几何参数信息从刀具参数图册或者采用SEM及AFM相结合的方式检测获得。
4.根据权利要求3所述的基于切削稳定性的铣削形貌预测仿真方法，其特征在于，所述的刀具的几何参数包括刀具直径、刃倾角以及刀具钝圆半径。
5.根据权利要求2所述的基于切削稳定性的铣削形貌预测仿真方法，其特征在于，所述的机床动力学参数包括机床的固有频率、刚度以及等效质量。
6.根据权利要求2所述的基于切削稳定性的铣削形貌预测仿真方法，其特征在于，该方法用来仿真建模及计算的软件为Ansys及Matlab。
7.根据权利要求2所述的基于切削稳定性的铣削形貌预测仿真方法，其特征在于，所述的加工参数包括切削厚度、每齿进给量及主轴转速；所述的工件材料参数为材料切削抗力系数。
8.根据权利要求2所述的基于切削稳定性的铣削形貌预测仿真方法，其特征在于，所述的切削力通过切削力计算公式获得，
其中，Kt、Kr为切向和径向切削系数，ap为轴向切身，Kte、Kre为切向和径向的刀具切削刃系数，为窗函数用来决定刀具是否进入切削区域，若进入取值1，否则取0，为刀具转角。
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