CN111906356B - 一种弱刚性零件加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种弱刚性零件加工方法，包括以下步骤：a、通过工装压板将零件固定在机床工作台上；b、设置有限元模型设置边界，对有限元模型划分网格;c、网格划分根据限元模型的固有频率形成四阶振型;d、根据四阶振型判断零件上部缘条处刚度弱的位置;e、将铣刀对零件上部缘条处刚度弱的一个切削位置设定一个定位点;f、通过简谐周期函数对x、y、z三个坐标轴方向的实际切削力进行拟合；g、通过圆频率计算切削频率;h、定义采样点；i、计算机床主轴转速。解决了弱刚性零件在工艺方案设计阶段，缺乏快速、有效、低成本的方法来控制加工振动，提高加工效率的问题。

Description

一种弱刚性零件加工方法
技术领域
本发明属于机械加工技术领域，具体涉及一种弱刚性零件加工方法。
背景技术
目前，在航天工业中，由于厚度薄、刚性弱的机加零件在生产加工中容易发生加工振动，影响产品质量，针对这个问题，国内外已有了很多研究，当前常见的思路是通过设计工装夹具来提高零件加工刚性。
中国专利授权公告号：CN106624907B公开了一种用于大型复杂曲面类叶片铣削的柔性夹具及方法，它解决了复杂曲面薄壁件加工过程中的加工振动问题，可以减小大型叶片等薄壁结构的加工变形，降低加工中的颤振，其技术方案为：包括设置于工作台的下部夹持部，下部夹持部上方配合设置柔性夹持部，所述柔性夹持部两端均与水平移动机构连接，水平移动机构端部与上下移动机构连接；所述柔性夹持部包括与叶片侧壁柔性贴合的弹性夹持体，弹性夹持体柔性夹持住叶片上部侧壁，下部夹持部夹持住叶片底部。
上述专利通过设计专用夹具来增强零件加工时的刚性，达到减少加工变形、抑制振动的目的，但是专用夹具的设计成本高，制造周期长，难以普遍应用于机械制造企业的实际生产中。
中国专利授权公告号：CN208496390U公开了一种弱刚性零件加工支撑装置，其特征在于，包括活动支撑块、螺纹支撑轴、螺母和固定支撑块；螺纹支撑轴顶端与活动支撑块连接，活动支撑块设有空腔，螺纹支撑轴顶端位于所述空腔内；螺纹支撑轴下端为螺纹段，螺母安装于螺纹支撑轴的螺纹段上，固定支撑块设有螺纹孔，螺纹段下端通过所述螺纹孔与固定支撑块连接。
上述专利通过调整活动支撑块的高度能够起到支撑作用并有效地增加零件的刚性，但是支撑装置只能适用于特定结构的零件，且对于复杂结构的大型零件，也难以判断需加支撑的数量和位置。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种弱刚性零件加工方法，解决了弱刚性零件在工艺方案设计阶段，缺乏快速、有效、低成本的方法来控制加工振动，提高加工效率的问题。
本发明是通过以下技术方案实现的。
一种弱刚性零件加工方法，其特征在于：包括以下步骤：
a、将零件放置在机床工作台上，通过工装压板将零件固定在机床工作台上；
b、建立零件和工装压板在加工状态时的有限元模型，设置有限元模型设置边界，对有限元模型划分网格；
c、网格划分根据限元模型的固有频率形成四阶振型，四阶振型包括一阶模态、二阶模态、三阶模态和四阶模态；
d、根据四阶振型判断零件上部缘条处刚度弱的位置；
e、将铣刀对零件上部缘条处刚度弱的一个切削位置设定一个定位点，零件加工时的震动形式为单点激励力引起的受迫震动，将受迫震动的切削力耦合到定位点上，分解为沿x、y、z三个坐标轴方向的分力，三个分力分别为：Fx、F y、Fz；
f、通过简谐周期函数对x、y、z三个坐标轴方向的实际切削力进行拟合，公式如下：
Fi(t)＝Aisin(wt+φ)
其中，i表示所沿的坐标轴方向，即i＝(x、y、z)，Fi(t)表示随时间变化的三个方向上周期性切削力，Ai表示沿各个坐标轴方向的切削力幅值，φ是相位角，w是圆频率；
g、通过圆频率计算切削频率f，公式如下：
w＝2πf
h、定义采样点,输出零件上定位点在切削力激励作用下的振动，该定位点定义为采样点；
i、计算机床主轴转速，公式如下：
Figure BDA0002542733690000021
其中，S代表机床主轴转速，T代表所用的铣刀的刀齿数。
步骤e中，所述x方向是切削速度方向，y方向是切削厚度方向，z方向是铣刀轴向。
步骤f中，所述Ai为三个方向的切削力幅值，分别为Ax＝100N、Ay＝100N、Az＝-50N。
本发明带来的有益效果有。
1、通过模态分析，可以准确判断零件局部刚性最弱的位置，并能够进一步分析出该弱刚性部位在不同加工参数下的振动响应情况，指导工艺人员实现工艺参数优选主轴转速，该方法的特点是：一、快速便捷、成本低：该方法全部步骤均通过计算分析完成，无需设计专用工装夹具，只需优选加工参数，就能实现弱刚性零件的稳定加工，二、适用性广：该方法特别适用于弱刚性零件，只需知道零件的基本材料参数，无需进行额外的试验，就能实现对不同结构的弱刚性零件的加工工艺参数优选，分析简单，计算方便，可广泛应用于机械制造领域中。
附图说明
图1是零件和工装的模型结构示意图。
图2是有限元模型的边界条件和网格划分示意图。
图3是一阶模态结构示意图。
图4是二阶模态结构示意图。
图5是三阶模态结构示意图。
图6是四阶模态结构示意图。
图7是施加单点激励力的位置和方向示意图。
图8是加工点的振幅-频率关系示意图。
图9是加工点的振幅-机床主轴转速关系示意图。
图中标记：1、零件，2、工装压板。
具体实施方式
实施例1
一种弱刚性零件加工方法，包括以下步骤：
a、如图1所示，将零件1放置在机床工作台上，通过工装压板2将零件1固定在机床工作台上，所述工装压板2为六个；
b、如图2所示，建立零件1和工装压板2在加工状态时的有限元模型，设置有限元模型设置边界，对有限元模型划分网格；
c、如图3至6所示，网格划分根据限元模型的固有频率形成四阶振型，四阶振型包括一阶模态、二阶模态、三阶模态和四阶模态；
d、根据四阶振型判断零件上部缘条处刚度弱的位置；
e、如图7所示，将铣刀对零件上部缘条处刚度弱的一个切削位置设定一个定位点，零件加工时的震动形式为单点激励力引起的受迫震动，将受迫震动的切削力耦合到定位点上，分解为沿x、y、z三个坐标轴方向的分力，三个分力分别为：Fx、Fy、Fz；
f、通过简谐周期函数对x、y、z三个坐标轴方向的实际切削力进行拟合，公式如下：
Fi(t)＝Aisin(wt+φ)
其中，i表示所沿的坐标轴方向，即i＝(x、y、z)，Fi(t)表示随时间变化的三个方向上周期性切削力，Ai表示沿各个坐标轴方向的切削力幅值，φ是相位角，w是圆频率；
如图8所示，使用有限元计算方法对零件在切削激励作用的振动响应情况进行频响应分析，输出加工点的振幅-频率关系图。该曲线图反映的是加工点在不同频率的切削力作用下，沿x,y,z三个方向的振动幅值。
g、如图9所示，通过圆频率计算切削频率f，公式如下：
w＝2πf
h、定义采样点,输出零件上定位点在切削力激励作用下的振动，该定位点定义为采样点；
i、计算机床主轴转速，公式如下：
Figure BDA0002542733690000041
其中，S代表机床主轴转速，T代表所用的铣刀的刀齿数。
步骤e中，所述x方向是切削速度方向，y方向是切削厚度方向，z方向是铣刀轴向。
步骤f中，所述Ai为三个方向的切削力幅值，分别为Ax＝100N、Ay＝100N、Az＝-50N。
实施例2
一种弱刚性零件加工方法，包括以下步骤：
a、如图1所示，将零件1放置在机床工作台上，通过工装压板2将零件1固定在机床工作台上，所述工装压板2为六个；
b、如图2所示，建立零件1和工装压板2在加工状态时的有限元模型，设置有限元模型设置边界，对有限元模型划分网格；
c、如图3至6所示，网格划分根据限元模型的固有频率形成四阶振型，四阶振型包括一阶模态、二阶模态、三阶模态和四阶模态；
d、根据四阶振型判断零件上部缘条处刚度弱的位置；
e、如图7所示，将铣刀对零件上部缘条处刚度弱的一个切削位置设定一个定位点，零件加工时的震动形式为单点激励力引起的受迫震动，将受迫震动的切削力耦合到定位点上，分解为沿x、y、z三个坐标轴方向的分力，三个分力分别为：Fx、Fy、Fz；
f、通过简谐周期函数对x、y、z三个坐标轴方向的实际切削力进行拟合，公式如下：
Fi(t)＝Aisin(wt+φ)
其中，i表示所沿的坐标轴方向，即i＝(x、y、z)，Fi(t)表示随时间变化的三个方向上周期性切削力，Ai表示沿各个坐标轴方向的切削力幅值，φ是相位角，w是圆频率；
如图8所示，使用有限元计算方法对零件在切削激励作用的振动响应情况进行频响应分析，输出加工点的振幅-频率关系图。该曲线图反映的是加工点在不同频率的切削力作用下，沿x,y,z三个方向的振动幅值。
g、如图9所示，通过圆频率计算切削频率f，公式如下：
w＝2πf
h、定义采样点,输出零件上定位点在切削力激励作用下的振动，该定位点定义为采样点；
i、计算机床主轴转速，公式如下：
Figure BDA0002542733690000051
其中，S代表机床主轴转速，T代表所用的铣刀的刀齿数。
步骤e中，所述x方向是切削速度方向，y方向是切削厚度方向，z方向是铣刀轴向。
步骤f中，所述Ai为三个方向的切削力幅值，分别为Ax＝100N、Ay＝100N、Az＝-50N。结合实际情况，选最优的加工工艺参数。由于加工时，铣刀的每齿切削量是一定的，当主轴转速越快时，加工效率也就越高，但高转速也可能会引起加工点的较大振动，影响零件质量。最优的加工工艺参数的判断依据就是：在保证加工点振幅较小的同时，尽可能选取较高的主轴转速。
对于一般的弱刚性零件，当其加工点的振幅小于0.05mm时，认为其加工质量较好，在此范围内应尽量选取高转速；当其加工点的振幅在0.05mm～0.1mm范围内时，认为其加工质量尚可，应根据实际需要判断是否能够选取该范围内的主轴转速；当其加工点的振幅大于0.1mm时，认为其加工质量较差，零件不合格，应当尽量选取避免在此范围内的主轴转速。根据上述原则，若零件精度要求一般，为提高生产效率，应选取22000转/分～23000转/分的主轴转速；若零件精度要求较高，为保证加工质量，应选取选取12000转/分以下的转速，当加工转速在14000转/分,20000转/分,24000转/分附近时，会发生加工振动，严重影响产品质量，应尽力避免选取这些加工参数及其附近的值，此外，当转速大于29000转/分时，加工质量也比较好，但由于实际生产中绝大多数机床设备都无法达到这样高的主轴转速，因此不予考虑。
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (3)

1.一种弱刚性零件加工方法，其特征在于：包括以下步骤：
a、将零件(1)放置在机床工作台上，通过工装压板(2)将零件(1)固定在机床工作台上；
b、建立零件(1)和工装压板(2)在加工状态时的有限元模型，设置有限元模型设置边界，对有限元模型划分网格；
c、网格划分根据限元模型的固有频率形成四阶振型，四阶振型包括一阶模态、二阶模态、三阶模态和四阶模态；
d、根据四阶振型判断零件上部缘条处刚度弱的位置；
e、将铣刀对零件上部缘条处刚度弱的一个切削位置设定一个定位点，零件加工时的震动形式为单点激励力引起的受迫震动，将受迫震动的切削力耦合到定位点上，分解为沿x、y、z三个坐标轴方向的分力，三个分力分别为：Fx、F y、Fz；
f、通过简谐周期函数对x、y、z三个坐标轴方向的实际切削力进行拟合，公式如下：
Fi(t)＝Aisin(wt+φ)
其中，i表示所沿的坐标轴方向，即i＝(x、y、z)，Fi(t)表示随时间变化的三个方向上周期性切削力，Ai表示沿各个坐标轴方向的切削力幅值，φ是相位角，w是圆频率；
g、通过圆频率计算切削频率f，公式如下：
w＝2πf
h、定义采样点,输出零件上定位点在切削力激励作用下的振动，该定位点定义为采样点；
i、计算机床主轴转速，公式如下：
Figure FDA0002542733680000011
其中，S代表机床主轴转速，T代表所用的铣刀的刀齿数。
2.如权利要求1所述的一种弱刚性零件加工方法，其特征在于：步骤e中，所述x方向是切削速度方向，y方向是切削厚度方向，z方向是铣刀轴向。
3.如权利要求1所述的一种弱刚性零件加工方法，其特征在于：步骤f中，所述Ai为三个方向的切削力幅值，分别为Ax＝100N、Ay＝100N、Az＝-50N。
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