CN111966044B - 一种基于振动监测的弱刚性结构钻孔方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于振动监测的弱刚性结构钻孔方法，包括以下步骤：S1：依据零件结构模态振型仿真计算结果进行加工区域划分；S2：针对各区域分别选定一个孔作为参数标定孔，编制加工程序；S3：加工参数标定孔并采集振动信号，依据颤振识别结果进行转速调整，满足许用要求后完成区域加工；S4：完成一个区域的孔加工后，采用相同的流程进行下一个区域孔加工，直到完成零件结构加工。本发明针对飞机结构件弱刚性结构特征，实现动态切削参数的动态变换，避免孔位偏差、孔径超差等加工质量问题，降低零件报废率，提高零件钻孔成功率，避免进行传统费时费力，且效果极为有限的试切试验，避免加工故障的产生，适宜广泛应用。

Description

一种基于振动监测的弱刚性结构钻孔方法
技术领域
本发明涉及数控加工技术领域，具体是指一种基于振动监测的弱刚性结构钻孔方法。
背景技术
由于飞机高速、高机动性等性能要求，飞机结构件结构复杂而且具有很多薄壁结构，弱刚性的薄腹板和缘条结构在加工过程中切削振动大，尤其是弱刚性结构钻削过程中如果切削参数不合理，容易产生因为切削颤振，导致孔位偏差、孔径超差等加工质量问题，严重时引起零件报废。
目前在飞机结构件数控加工中为了保证加工方案的合理性，首先需要进行机床、刀具和切削参数的试切试验，一般以机床为对象进行不同参数的试切，以加工质量优化为目标给出优选参数，为切削方案制定提供参考。但是，参数试切试验由于试切件结构简单，装夹状态等也与飞机结构件差别较大，使用优选的参数进行加工，仍然不能避免切削振动失稳导致加工故障的产生。
发明内容
本发明针对飞机结构件弱刚性结构特征钻孔易产生切削颤振导致孔加工质量差的问题，提供一种基于振动监测的弱刚性结构钻孔方法。
本发明通过下述技术方案实现：一种基于振动监测的弱刚性结构钻孔方法，采用以下技术方案：
第一步：依据零件结构模态振型仿真计算结果进行加工区域划分
针对加工零件结构特征，构建模态分析有限元仿真模型进行计算，获得零件结构特征的各阶模态振型。钻削加工的转速范围一般为2000～8000r/min，采用2齿的钻头，计算可得刀齿通过率范围为66～266Hz，根据与刀齿通过率接近的模态振型中相对位移分布，识别因结构影响仿真振动幅值产生较大差异的方向及区域宽度Δx。
第二步：划分加工区域，并选定参数标定孔
选定仿真振动幅值产生较大差异的方向进行区域划分，根据初始位移x0和区域宽度Δx将结构特征上需要加工的孔划分到不同的区域，同时针对各个区域分别选定1个孔作为参数标定孔，采用啄钻并铰削的模式加工参数标定孔，其余孔采用一刀钻的方式加工，编制加工程序。
第三步：加工参数标定孔并采集振动信号，依据颤振识别结果进行转速调整
(1)在啄钻方式加工参数标定孔过程中采集振动信号
搭建切削振动采集系统，传感器可以安装在机床主轴或者工装上进行信号采集。使用啄钻和铰削方式加工参数标定孔时进行信号采集，加工孔直径为D0，则加工参数标定孔的铰刀直径为D0，啄钻钻头直径D1＝D0-(0.2～0.5mm)。
啄钻加工参数标定孔的第一层加工后抬刀并暂停程序，利用颤振识别算法处理采集到的振动信号。
(2)处理振动信号，判断是否产生切削不稳定
在稳定加工过程中，振动信号的能量主要分布在刀齿通过率的频率以及工艺系统的模态频率上，当颤振发生时，振动信号的能量分布逐渐向其他频率转移，因此通过计算振动信号的能量分布情况，判断切削过程是否稳定。
本发明提出一种切削颤振在线识别的算法，首先对振动信号进行傅里叶变换获得振动的频域信号ui(f)，然后计算主轴转动频率SPF＝S/60，其中S为主轴转速。
依据主轴转动频率SPF的整数倍及其设定频率带宽B范围内的频率组成集合FR。
Figure GDA0003199070830000031
提取频域信号ui(f)中频率在集合FR内的信号，获得子频域信号Fj。
Fj＝{ui(f)|f∈FR}
计算能量分布情况获得颤振识别值K。
Figure GDA0003199070830000032
其中，M是子频域信号Fj的数据数量，N是频域信号ui(f)的数据数量。
根据结构件钻削过程中采集的振动信号计算结果，当钻削过程稳定时颤振识别值K位于0.5～0.7的范围，当颤振发生时颤振识别值K超过0.9，因此在0.7～0.9范围选定1个值作为最大许用值。
如果计算获得的颤振识别值＜最大许用值，使用一刀钻方式完成参数标定孔剩余余量加工，并铰削加工获得终孔，然后更换与啄钻钻头结构相同但直径为D0的钻头，沿用啄钻的转速和进给参数，采用一刀钻的方式完成该区域剩余孔的加工。
如果计算获得的颤振识别值＞最大许用值，进行参数调整。
(3)调整啄钻转速，继续进行啄钻加工，迭代至参数满足许用要求计算获得的颤振识别值＞最大许用值时，调整转速S＝S0±i*△S(i＝1,2,…n)，其中n＜t/apz，t为孔深度，apz为每次啄钻的深度。每次调整转速后，进行啄钻下一层孔加工，同时采集振动信号并进行颤振识别，如果不能满足许用要求继续调整参数，迭代至参数满足许用要求后，确定参数，完成参数标定孔和该区域剩余孔加工。
第四步：完成一个区域的孔加工后，采用相同的流程进行下一个区域孔加工，直到完成零件结构加工。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
(1)本发明针对飞机结构件弱刚性结构特征钻孔易产生切削颤振导致孔加工质量差的问题，提供了一种基于振动监测的钻孔方法，该方法能够根据结构件弱刚性结构特征随时改变最优的切削参数，避免因为切削颤振，导致孔位偏差、孔径超差等加工质量问题，大大降低了零件的报废率，提高了零件的钻孔成功率；
(2)本发明采集钻孔零件的振动信号，将其转化成颤振识别值，并标定了钻孔零件的最大许用量，通过比对颤振识别值和钻孔零件的最大许用量，实现机床、刀具和切削参数的优化，避免了机床、刀具和切削参数的试切试验，提高了零件加工效率，且由于提切削参数为动态优选参数，能够极大程度避免切削振动失稳导致加工故障的产生；
(3)本发明实现过程简单，使用效果显著，能够极大提高弱刚性结构件钻孔的成功率，适宜广泛应用。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其他特征、目的和优点将会变得更为明显：
图1为实现本发明方法的具体装置结构示意图；
图2为本发明中钻孔加工区域划分示意图；
图3为本发明所述方法具体的流程图；
图4为本发明中钻孔零件结构1阶模态振型示意图；
图5为本发明中钻孔零件结构2阶模态振型示意图；
图6为本发明中钻孔零件稳定状态振动信号图；
图7为本发明中钻孔零件颤振状态振动信号图；
图8为本发明中钻孔零件稳定和颤振状态振动信号颤振识别值K柱状图。
其中：1—压板，2—钻孔零件，3—孔，4—钻头，5—主轴，6—传感器，7—数据线，8—采集器，9—参数标定孔，10—加工区域。
具体实施方式
为使本发明的目的、工艺条件及优点作用更加清楚明白，结合以下实施实例，对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此，在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的范围内，此处所描述的具体实施实例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施例1：
本实施例一种基于振动监测的弱刚性结构钻孔方法，要实现该方法，需要搭建切削振动采集系统，传感器6可以安装在机床主轴5或者工装上进行信号采集，在啄钻参数标定孔9过程中同时采集切削振动信号，如图1所示，包括需要钻孔的钻孔零件2，钻孔零件2下部通过压板1固定，钻孔零件2上部进行钻有孔3，钻孔零件2上部的孔3通过钻头4钻出，钻头4上部设置驱动钻头4转动的主轴5，主轴5连接驱动电机，所述主轴5上设置有传感器6，所述传感器6通过数据线7将振动信号传递给采集器8，由采集器8利用颤振识别算法处理振动信号，获得颤振识别值。并自动选定最大许用值，比较最大许用值与得颤振识别值的大小，决定是否使主轴5驱动钻头4钻孔。
具体实施过程，如图3所示，具体如下：
S1：依据零件结构模态振型仿真计算结果进行加工区域划分。
使用有限元仿真软件构建零件结构的模态分析模型，计算获得零件结构特征的各阶模态振型，典型零件结构模态振型图如图4，图5所示，仿真计算的1阶固有频率为243.17Hz、2阶固有频谱为420.46Hz。
钻削加工的转速范围一般为2000～8000r/min，采用2齿的钻头，计算可得刀齿通过率范围为66～266Hz，钻削激振力的频率集中在刀齿通过率的整数倍上，而且前几倍频率激振力幅值较大，因此对于典型零件1阶和2阶振型是接近钻削激振力频率的振型，容易产生共振。
根据图4或图5中典型零件2模态振型图可知，对于该种结构相对位移在x方向产生较大差异，y方向一致性强，依据相对位移差＜0.2mm为依据确定区域宽度Δx。将加工面划分为不同的加工区域10，如图5所示。
S2：针对各加工区域10分别选定一个孔作为参数标定孔9，编制加工程序，如图2所示。
如图5所示，针对每个区域选定参数标定孔9，参数标定孔9采用钻削啄钻和铰削的方式加工，其余孔采用钻削一刀钻的方式加工，编制加工程序。
加工孔直径为D0，则加工参数标定孔9的铰刀直径为D0，啄钻钻头4直径D1＝D0-(0.2～0.5mm)；加工区域其余孔的钻头4直径为D0。
S3：加工参数标定孔9并采集振动信号，钻孔零件稳定状态和颤振状态振动信号，如图6，图7，图8所示，依据颤振识别结果进行转速调整，满足许用要求后完成区域加工。
S301：啄转第i层后暂停，利用颤振识别算法处理振动信号。
啄钻加工参数标定孔9的第一层加工后抬刀并暂停程序，利用颤振识别算法处理采集到的振动信号。后续根据颤振判断结果，如果继续进行啄钻，在每一层啄钻过程中均采集振动信号。
S302：使用颤振识别算法计算颤振识别值，并判断是否满足许用要求。
在稳定加工过程中，振动信号的能量主要分布在刀齿通过率的频率以及工艺系统的模态频率上，当颤振发生时，振动信号的能量分布逐渐向其他频率转移，因此通过计算振动信号的能量分布情况，判断切削过程是否稳定。
其中，利用颤振识别算法处理采集到的振动信号过程为，首先对振动信号进行傅里叶变换获得振动的频域信号ui(f)，然后计算主轴转动频率SPF＝S/60，其中S为主轴转速。
依据主轴转动频率SPF的整数倍及其设定频率带宽B范围内的频率组成集合FR。
Figure GDA0003199070830000071
提取频域信号ui(f)中频率在集合FR内的信号，获得子频域信号Fj。
Fj＝{ui(f)|f∈FR}
计算能量分布情况获得颤振识别值K。
Figure GDA0003199070830000072
其中，M是子频域信号Fj的数据数量，N是频域信号ui(f)的数据数量。
根据结构件钻削过程中采集的振动信号计算结果，当钻削过程稳定时颤振识别值K位于0.5～0.7的范围，当颤振发生时颤振识别值K超过0.9，因此在0.7～0.9范围选定1个值作为最大许用值。
S303：如果颤振识别值＜最大许用值，完成该区域剩余孔加工。
如果计算获得的颤振识别值＜最大许用值，使用一刀钻方式完成参数标定孔9剩余余量加工，并铰削加工获得终孔，然后更换与啄钻钻头结构相同但直径为D0的钻头4，沿用啄钻的转速和进给参数，采用一刀钻的方式完成该区域剩余孔的加工。
S304：如果颤振识别值＞最大许用值，调整转速，迭代至满足许用要求。
计算获得的颤振识别值＞最大许用值时，调整转速S＝S0±i*△S(i＝1,2,…n)，其中n＜t/apz，t为孔深度，apz为每次啄钻的深度。每次调整转速后，进行啄钻下一层孔加工，同时采集振动信号并进行颤振识别，如果不能满足许用要求继续调整参数，迭代至参数满足许用要求后，确定参数完成参数标定孔9和该区域剩余孔加工。
S4：完成一个区域的孔加工后，采用相同的流程进行下一个区域孔加工，直到完成零件结构加工。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种基于振动监测的弱刚性结构钻孔方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：依据零件结构模态振型仿真计算结果进行加工区域划分；
S2：针对各区域分别选定一个孔作为参数标定孔，编制加工程序；
S3：加工参数标定孔并采集振动信号，依据颤振识别结果进行转速调整，满足许用要求后完成区域加工；所述步骤S3的具体过程为：
S301：使用钻削啄钻和铰削的方式加工参数标定孔至第i层后暂停，采集振动信号；
S302：计算采集的振动信号，得出颤振识别值，并判断计算得到最大许用值，比较颤振识别值与最大许用值大小，从而判断颤振识别值是否满足许用要求；
S303：如果颤振识别值小于最大许用值，沿用啄钻的转速和进给参数，通过钻削一刀钻的加工方式完成该区域内剩余孔的加工；
S304：如果颤振识别值大于最大许用值，则调整转速，继续使用钻削啄钻和铰削的方式加工参数标定孔，并采集振动信号，计算振动信号的颤振识别值，迭代至满足许用要求后完成区域加工；
S4：完成一个区域的孔加工后，采用相同的流程进行下一个区域孔加工，直到完成零件结构加工。
2.根据权利要求1所述的一种基于振动监测的弱刚性结构钻孔方法，其特征在于，所述步骤S1中，依据零件结构模态振型仿真计算结果进行加工区域划分的具体过程为：根据与刀齿通过率接近的模态振型中相对位移分布，识别因结构影响仿真振动幅值产生差异的方向，然后依据相对位移差小于0.2～0.3mm为依据确定区域宽度Δx，将加工面划分为不同的加工区域。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于振动监测的弱刚性结构钻孔方法，其特征在于，所述步骤S2中，针对每个区域选定的参数标定孔采用钻削啄钻和铰削的方式加工，其余孔采用钻削一刀钻的方式加工，编制加工程序；加工孔直径为D0，则加工参数标定孔的铰刀直径为D0，啄钻钻头直径D1＝D0-(0.2～0.5mm)，加工区域其余孔的钻头直径为D0。
4.根据权利要求1所述的一种基于振动监测的弱刚性结构钻孔方法，其特征在于，所述步骤302中，颤振识别值具体得出过程为：
3021：对振动信号进行傅里叶变换获得振动的频域信号ui(f)，然后计算主轴转动频率SPF＝S/60，其中S为主轴转速；
3022：依据主轴转动频率SPF的整数倍及其设定频率带宽B范围内的频率组成集合FR，
Figure FDA0003199070820000021
3023：提取频域信号ui(f)中频率在集合FR内的信号，获得子频域信号Fj，Fj＝{ui(f)|f∈FR}；
3024：计算能量分布情况获得颤振识别值K，
Figure FDA0003199070820000022
其中，M是子频域信号Fj的数据数量，N是频域信号ui(f)的数据数量。
5.根据权利要求4所述的一种基于振动监测的弱刚性结构钻孔方法，其特征在于，所述步骤S302中，最大许用值的计算过程为：
当颤振发生时颤振识别值K超过0.9，在0.7～0.9范围选定1个值作为最大许用值。
6.根据权利要求5所述的一种基于振动监测的弱刚性结构钻孔方法，其特征在于，所述步骤S303的具体过程为，颤振识别值小于最大许用值，沿用加工参数标定孔的啄钻的转速和进给参数，使用一刀钻方式完成参数标定孔剩余余量加工，并铰削加工获得终孔，然后更换与啄钻钻头结构相同但直径为D0的钻头，沿用啄钻的转速和进给参数，采用一刀钻的方式完成该区域剩余孔的加工。
7.根据权利要求5所述的一种基于振动监测的弱刚性结构钻孔方法，其特征在于，所述步骤S304的具体过程为，计算获得的颤振识别值大于最大许用值时，调整转速S＝S0±i*△S(i＝1,2,…n)，其中n＜t/apz，t为孔深度，apz为每次啄钻的深度；每次调整转速后，进行啄钻下一层孔加工，同时采集振动信号并进行计算颤振识别值，如果不能满足小于最大许用值的许用要求，则继续调整参数，迭代至参数满足许用要求后，确定参数，使用一刀钻方式完成参数标定孔剩余余量加工，并铰削加工获得终孔，然后更换与啄钻钻头结构相同但直径为D0的钻头，沿用啄钻的转速和进给参数，采用一刀钻的方式完成该区域剩余孔的加工。
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