CN111730113B - 一种薄壁结构件铣削工艺参数优化方法 - Google Patents

一种薄壁结构件铣削工艺参数优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种薄壁结构件铣削工艺参数优化方法，包括确定待优化的铣削工艺参数和铣削力表征参数，待优化铣削参数区间，得到不同铣削加工条件下的铣削力；建立铣削工艺参数对铣削力影响的数学模型；检测铣削正交实验中每组实验条件下的薄壁结构件的变形量；建立铣削力对结构件变形量影响的数学模型；确定铣削工艺参数的响应趋势、使结构件最大变形量减小的铣削工艺参数区间Ω1和使结构件平均变形量减小的铣削工艺参数区间Ω2；确定可以抑制变形的铣削工艺参数区间U2。优化方法简单，可以准确、直观的获得薄壁结构件铣削力对应的铣削工艺参数范围，实现对薄壁结构的铣削工艺参数的有效控制，提高薄壁结构件的尺寸精度。

Description

一种薄壁结构件铣削工艺参数优化方法
技术领域
本发明涉及机械加工领域，具体的说是一种薄壁结构件铣削工艺参数优化方法。
背景技术
薄壁结构件的使用能有效降低飞行器自重，提高机动性和携带负载能力，广泛应用于航空制造领域。但是薄壁结构件刚度低，加工余量大，加工精度特别是形位精度很难控制，直接影响到产品的工作可靠性和使用寿命。为了减少或抑制零件价格变形，现有方法主要是通过合理选择加工工艺流程等。此外，对切削工艺参数进行优化，在恰当的工艺参数条件下加工薄壁结构件，可有效减小切削力对加工变形的影响，对实现薄壁件的高精度加工具有重要意义。
发明内容
现为了解决上述技术问题，本发明提出了一种薄壁结构件铣削工艺参数优化方法。本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
一种薄壁结构件铣削工艺参数优化方法，包括以下步骤：
第一步：确定待优化的铣削工艺参数和铣削力表征参数，选取待优化铣削参数区间，根据待优化铣削参数区间进行铣削正交实验得到不同铣削加工条件下的铣削力；
其中待优化的铣削工艺参数包括切削速度vc、每齿进给量fz、切削深度ap和切削宽度ae；铣削力表征参数包括轴向切削力Fz，径向切削力Fx和切向切削力Fy；待优化切削工艺参数区间为U1：[vc,min，vc,max]、[fz,min，fz,max]、[ap,min，ap,max]和[ae,min，ae,max]；
第二步：根据第一步得到的铣削力结果，采用多元线性回归的方法建立铣削工艺参数对铣削力影响的数学模型：
其中，αi、βi、γi、ηi分别为铣削工艺参数vc、fz、ap和ae的指数，Ki为切削力系数，i＝1,2,3；
第三步：检测铣削正交实验中每组实验条件下的薄壁结构件的变形量，得到每个结构件的最大变形量Lmax和每组实验条件中的薄壁结构件的平均变形量Lavg；
第四步：根据优化铣削参数区间得到不同铣削加工条件下的铣削力和薄壁结构件变形量建立铣削力对结构件变形量影响的数学模型：
其中，κj、λj、μj分别为铣削力Fx，Fy和Fz的指数，Tj为变形量系数，j＝1,2；
第五步：根据第二步和第四步所得出的数学模型，确定变形量Lmax、Lavg对铣削工艺参数vc、fz、ap和ae的响应趋势、确定使结构件最大变形量减小的铣削工艺参数区间Ω1和使结构件平均变形量减小的铣削工艺参数区间Ω2；
第六步：求出Ω1和Ω2的交集确定可以抑制变形的铣削工艺参数区间U2。
利用压电式测力仪对铣削正交实验中不同铣削加工条件下的铣削力进行采集，其中，铣削加工刀具进给方向与测力仪X轴方向平行，切削宽度方向与测力仪Y轴方向平行，立铣刀轴向平行于测力仪Z轴方向。
检测薄壁结构件变形量包括以下步骤：
第一步：利用非接触式三坐标测量仪扫描已加工的薄壁结构件，获得薄壁结构加工件的点云数据；
第二步：将点云数据导入建模软件中，在软件中与未变形薄壁结构件的几何模型进行布尔减运算，得到结构件上各点变形量；
第三步：对比所有几何点变形量，得薄壁结构件最大变形量Lmax；对所有几何点的变形量进行求平均值，得薄壁结构件平均变形量Lavg。
确定变形量Lmax、Lavg对铣削工艺参数vc、fz、ap和ae的响应趋势包括以下步骤：
第一步：根据铣削力对结构件变形量影响的数学模型中αi、βi、γi、ηi数值分别确定铣削力Fz，Fx和Fy对铣削工艺参数vc、fz、ap和ae变化的响应趋势；
第二步：根据铣削力对结构件变形量影响的数学模型得到变形量Lmax、Lavg对铣削力Fx，Fy和Fz的响应趋势；
第三步：将第一步和第二步结合得出变形量Lmax、Lavg对铣削工艺参数vc、fz、ap和ae的响应趋势。
使结构件最大变形量减小的铣削工艺参数区间Ω1包括：[vc',min，vc',max]、[fz',min，fz',max]、[ap',min，ap',max]、[ae',min，ae',max]，使结构件平均变形量减小的铣削工艺参数区间Ω2包括：[vc"min，vc",max]、[fz",min，fz",max]、[ap",min，ap",max]、[ae",min，ae",max]，铣削工艺参数区间Ω1和Ω2为U1的子集；通过。
本发明的有益效果是：本发明提供的一种薄壁结构件铣削工艺参数优化方法是在待优化铣削工艺参数区间范围内开展正交试验，进行切削力和结构件变形量检测；以薄壁结构件变形量为判据，通过分析铣削工艺参数对铣削力的影响关系以及铣削力对结构件变形量的影响关系，获得保证结构件允许变形量条件下的切削力对应的切削工艺参数响应趋势和工艺参数区间；优化方法简单，可以准确、直观的获得薄壁结构件铣削力对应的铣削工艺参数范围，实现对薄壁结构的铣削工艺参数的有效控制，提高薄壁结构件的尺寸精度。
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为本发明L16(44)铣削正交试验表。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面将结合实施例中的附图，对本发明进行更清楚、更完整的阐述，当然所描述的实施例只是本发明的一部分而非全部，基于本实施例，本领域技术人员在不付出创造性劳动性的前提下所获得的其他的实施例，均在本发明的保护范围内。
一种薄壁结构件铣削工艺参数优化方法，包括以下步骤：
第一步：确定待优化的铣削工艺参数和铣削力表征参数，选取待优化铣削参数区间，根据待优化铣削参数区间进行铣削正交实验得到不同铣削加工条件下的铣削力；
其中待优化的铣削工艺参数包括：切削速度vc、每齿进给量fz、切削深度ap和切削宽度ae；铣削力表征参数包括轴向切削力Fz，径向切削力Fx和切向切削力Fy；待优化切削工艺参数区间为U1：[vc,min，vc,max]、[fz,min，fz,max]、[ap,min，ap,max]和[ae,min，ae,max]；在待优化切削工艺参数区间U1范围内，开展4因素4水平L16(44)铣削正交试验，共进行16组切削实验，得到不同的铣削加工条件下的铣削力，如图1所示为L16(44)铣削正交试验表，其中，vc,k，fz,k，ap,k，ae,k为切削参数数值，k＝1，2，3，4。切削参数数值在切削工艺参数区间U1范围内选取；
第二步：根据第一步得到的铣削力结果，采用多元线性回归的方法建立铣削工艺参数对铣削力影响的数学模型：
其中，αi、βi、γi、ηi分别为铣削工艺参数vc、fz、ap和ae的指数，Ki为切削力系数，i＝1,2,3；
指数αi、βi、γi、ηi绝对值的大小表示铣削力对铣削工艺参数变化的敏感程度，αi、βi、γi、ηi的绝对值越大，表示铣削力对切削工艺参数越敏感。指数αi、βi、γi、ηi数值的正负符号表示铣削力随铣削工艺参数变化的响应趋势，符号为正表示铣削力与铣削工艺参数为正比例关系，符号为负表示铣削力与铣削工艺参数为反比例关系；
第三步：检测铣削正交实验中每组实验条件下的薄壁结构件的变形量，得到每个结构件的最大变形量Lmax和每组实验条件中的薄壁结构件的平均变形量Lavg；
第四步：根据优化铣削参数区间得到不同铣削加工条件下的铣削力和薄壁结构件变形量建立铣削力对结构件变形量影响的数学模型：
其中，κj、λj、μj分别为铣削力Fx，Fy和Fz的指数，Tj为变形量系数，j＝1,2；
第五步：根据第二步和第四步所得出的数学模型，确定变形量Lmax、Lavg对铣削工艺参数vc、fz、ap和ae的响应趋势、确定使结构件最大变形量减小的铣削工艺参数区间Ω1和使结构件平均变形量减小的铣削工艺参数区间Ω2；
指数κi、λi、μi绝对值的大小表示结构件变形量对铣削力变化的敏感程度，κj、λj、μj的绝对值越大，表示结构件变形对铣削力越敏感。指数κj、λj、μj数值的正负符号表示结构件变形量随铣削力变化的响应趋势，符号为正表示变形量与铣削力为正比例关系，符号为负表示变形量与铣削力为反比例关系；
第六步：求出Ω1和Ω2的交集确定可以抑制变形的铣削工艺参数区间U2。
利用压电式测力仪对铣削正交实验中不同铣削加工条件下的铣削力进行采集，其中，铣削加工刀具进给方向与测力仪X轴方向平行，切削宽度方向与测力仪Y轴方向平行，立铣刀轴向平行于测力仪Z轴方向。
检测薄壁结构件变形量包括以下步骤：
第一步：利用非接触式三坐标测量仪扫描已加工的薄壁结构件，获得薄壁结构加工件的点云数据；
第二步：将点云数据导入建模软件中，在软件中与未变形薄壁结构件的几何模型进行布尔减运算，得到结构件上各点变形量；
第三步：对比所有几何点变形量，得薄壁结构件最大变形量Lmax；对所有几何点的变形量进行求平均值，得薄壁结构件平均变形量Lavg。
确定变形量Lmax、Lavg对铣削工艺参数vc、fz、ap和ae的响应趋势包括以下步骤：
第一步：根据铣削力对结构件变形量影响的数学模型中αi、βi、γi、ηi数值分别确定铣削力Fz，Fx和Fy对铣削工艺参数vc、fz、ap和ae变化的响应趋势和敏感程度；其中，通过αi、βi、γi、ηi绝对值的大小，确定铣削力Fx，Fy和Fz对铣削工艺参数vc、fz、ap和ae变化的敏感程度；通过αi、βi、γi、ηi数值的正负符号，分别确定铣削力Fz，Fx和Fy对铣削工艺参数vc、fz、ap和ae变化的响应趋势；
第二步：根据铣削力对结构件变形量影响的数学模型得到变形量Lmax、Lavg对铣削力Fx，Fy和Fz的响应趋势；其中，通过κj、λj、μj绝对值的大小，分别确定变形量Lmax、Lavg对铣削力Fx，Fy和Fz变化的敏感程度；通过κj、λj、μj数值的正负符号，分别确定变形量Lmax、Lavg对铣削力Fx，Fy和Fz变化的响应趋势；
第三步：将第一步和第二步的结果结合，得出变形量Lmax、Lavg对铣削工艺参数vc、fz、ap和ae的响应趋势；通过铣削力Fz，Fx和Fy对铣削工艺参数vc、fz、ap和ae变化的响应趋势和变形量Lmax、Lavg减小时铣削力Fx，Fy和Fz的响应趋势得出变形量Lmax、Lavg对铣削工艺参数vc、fz、ap和ae的响应趋势。
使结构件最大变形量减小的铣削工艺参数区间Ω1包括：[vc',min，vc',max]、[fz',min，fz',max]、[ap',min，ap',max]、[ae',min，ae',max]，使结构件平均变形量减小的铣削工艺参数区间Ω2包括：[vc"min，vc",max]、[fz",min，fz",max]、[ap",min，ap",max]、[ae",min，ae",max]，铣削工艺参数区间Ω1和Ω2为U1的子集；通过铣削力对结构件变形量影响的数学模型、变形量Lmax、Lavg减小时铣削力Fx，Fy和Fz的响应趋势和铣削力Fx，Fy和Fz对铣削工艺参数vc、fz、ap和ae变化的敏感程度确定使结构件最大变形量减小的铣削工艺参数区间Ω1和使结构件平均变形量减小的铣削工艺参数区间Ω2。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种薄壁结构件铣削工艺参数优化方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步：确定待优化的铣削工艺参数和铣削力表征参数，选取待优化铣削参数区间，根据待优化铣削参数区间进行铣削正交实验得到不同铣削加工条件下的铣削力；
其中，待优化的铣削工艺参数包括：切削速度vc、每齿进给量fz、切削深度ap和切削宽度ae；铣削力表征参数包括轴向切削力Fz，径向切削力Fx和切向切削力Fy；待优化切削工艺参数区间为U1：[vc,min，vc,max]、[fz,min，fz,max]、[ap,min，ap,max]和[ae,min，ae,max]；
第二步：根据第一步得到的铣削力结果，采用多元线性回归的方法建立铣削工艺参数对铣削力影响的数学模型：
其中，αi、βi、γi、ηi分别为铣削工艺参数vc、fz、ap和ae的指数，Ki为切削力系数，i＝1,2,3；
第三步：检测铣削正交实验中每组实验条件下的薄壁结构件的变形量，得到每个结构件的最大变形量Lmax和每组实验条件中的薄壁结构件的平均变形量Lavg；
第四步：根据优化铣削参数区间得到不同铣削加工条件下的铣削力和薄壁结构件变形量建立铣削力对结构件变形量影响的数学模型：
其中，κj、λj、μj分别为铣削力Fx，Fy和Fz的指数，Tj为变形量系数，j＝1,2；
第五步：根据第二步和第四步所得出的数学模型，确定变形量Lmax、Lavg对铣削工艺参数vc、fz、ap和ae的响应趋势、确定使结构件最大变形量减小的铣削工艺参数区间Ω1和使结构件平均变形量减小的铣削工艺参数区间Ω2；
第六步：求出Ω1和Ω2的交集确定可以抑制变形的铣削工艺参数区间U2。
2.根据权利要求1所述的一种薄壁结构件铣削工艺参数优化方法，其特征在于：利用压电式测力仪对铣削正交实验中不同铣削加工条件下的铣削力进行采集，其中，铣削加工刀具进给方向与测力仪X轴方向平行，切削宽度方向与测力仪Y轴方向平行，立铣刀轴向平行于测力仪Z轴方向。
3.根据权利要求1所述的一种薄壁结构件铣削工艺参数优化方法，其特征在于：检测薄壁结构件变形量包括以下步骤：
第一步：利用非接触式三坐标测量仪扫描已加工的薄壁结构件，获得薄壁结构加工件的点云数据；
第二步：将点云数据导入建模软件中，在软件中与未变形薄壁结构件的几何模型进行布尔减运算，得到结构件上各点变形量；
第三步：对比所有几何点变形量，得薄壁结构件最大变形量Lmax；对所有几何点的变形量进行求平均值，得薄壁结构件平均变形量Lavg。
4.根据权利要求1所述的一种薄壁结构件铣削工艺参数优化方法，其特征在于：确定变形量Lmax、Lavg对铣削工艺参数vc、fz、ap和ae的响应趋势包括以下步骤：
第一步：根据铣削力对结构件变形量影响的数学模型中αi、βi、γi、ηi数值分别确定铣削力Fz，Fx和Fy对铣削工艺参数vc、fz、ap和ae变化的响应趋势；
第二步：根据铣削力对结构件变形量影响的数学模型得到变形量Lmax、Lavg对铣削力Fx，Fy和Fz的响应趋势；
第三步：将第一步和第二步的结果结合，得出变形量Lmax、Lavg对铣削工艺参数vc、fz、ap和ae的响应趋势。
5.根据权利要求1所述的一种薄壁结构件铣削工艺参数优化方法，其特征在于：使结构件最大变形量减小的铣削工艺参数区间Ω1包括：[v'c,min，v'c,max]、[f'z,min，f'z,max]、[a'p,min，a'p,max]、[a'e,min，a'e,max]，使结构件平均变形量减小的铣削工艺参数区间Ω2包括：[v"cmin，v"c,max]、[f"z,min，f"z,max]、[a"p,min，a"p,max]、[a"e,min，a"e,max]，铣削工艺参数区间Ω1和Ω2为U1的子集。
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铣削参数变化对铝合金薄侧壁件加工变形的影响;徐玉东;韩运华;;吉林化工学院学报(11);全文 *

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