CN112685872A - 一种用于低频振动辅助钻孔加工的工艺优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种用于低频振动辅助钻孔加工的工艺优化方法，涉及机械加工技术领域，能够提高低频振动制孔工艺加工弱刚性零件的加工精度，减小低频振动制孔工艺孔出口毛刺高度，提高加工质量。本发明包括：在将加工参数输入数控机床之前，将所述加工参数输入检测终端。所述检测终端利用所述加工参数检测低频振动钻削过程中，是否实现断屑，若实现断屑，则获取瞬时最大切削厚度。检测终端检测所获取的瞬时最大切削厚度是否小于设定值，若小于则将所获取的瞬时最大切削厚度作为优选值进行记录。检测终端根据瞬时最大切削厚度优选值对应的参数，确定振动位移曲线，并将所述振动位移曲线输入所述数控机床。本发明适用于低频振动辅助钻孔加工。

Description

一种用于低频振动辅助钻孔加工的工艺优化方法

技术领域

本发明涉及机械加工技术领域，尤其涉及一种用于低频振动辅助钻孔加工的工艺优化方法。

背景技术

振动加工作为一种辅助加工方式，自上世纪六十年代提出以来，已经得到了广泛的应用。振动辅助制孔技术作为振动加工的一个重要分支，它与普通钻削的区别在于制孔过程中通过振动装置使钻头与工件之间产生可控的相对运动，根据振动频率的不同，其主要可以分为低频振动(0～500Hz)，以及超声振动(>15KHz)。

在对于高强韧材料的钻削加工过程中，低频振动制孔加工技术发挥出了其独特的优势，这种技术具有降低钻削温度，减小平均钻削力，减少刀具磨损的效果；对于高硬脆材料的钻削加工，能够提高加工质量、精度，以及降低钻削力、减少刀具磨损等。与超声振动辅助钻孔相比，低频振动辅助钻削的特征是振幅相对较高，最高可达200μm，最大频率明显较低，约为300Hz。这使得断续切削导致切屑的破碎，几乎独立于工件材料的机械性能。

然而，与常规钻削相比，振动辅助钻削中的正弦形式的轴向振动会导致较高的瞬时切屑厚度，导致最大进给力显著增加。在极端条件下，低频振动制孔技术的瞬时切削量可为传统制孔的4倍，其制孔轴向力与扭矩也达到了传统制孔的两倍以上。众所周知，制孔切削力的增加会带来工件变形、尺寸超差、钻头失稳、甚至钻头破损等问题，特别是当钻削对象具有较大的悬垂或低结构刚度，低频振动制孔工艺需降低进给速度来避免钻头的过载失效，这极大影响了低频振动钻削的加工效率，增加生产成本。

发明内容

本发明的实施例提供一种用于低频振动辅助钻孔加工的工艺优化方法，能够提高低频振动制孔工艺加工弱刚性零件的加工精度，减小低频振动制孔工艺孔出口毛刺高度，提高加工质量。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

具体提供一种用于低频振动辅助钻孔加工的工艺优化方法，包括：

S1、在将加工参数输入数控机床之前，将所述加工参数输入检测终端；S2、所述检测终端利用所述加工参数检测低频振动钻削过程中，是否实现断屑，若实现断屑，则获取瞬时最大切削厚度；S3、检测终端检测所获取的瞬时最大切削厚度是否小于设定值，若小于则将所获取的瞬时最大切削厚度作为优选值进行记录；S4、检测终端根据瞬时最大切削厚度优选值对应的参数，确定振动位移曲线，并将所述振动位移曲线输入所述数控机床。

进一步的，还包括：S01、设计多段抛物线叠加的低频振动方式，结合低频振动辅助钻孔加工时振动的运动学特征，建立运动学分析模型；S02、将运动参数振幅A与周期2T输入所述运动学分析模型，得到振动位移函数；S03、利用所述振动位移函数，对低频振动辅助钻孔加工过程进行仿真处理，直至实现断屑。

其中，在所述步骤S4中包括：根据所述低频振动辅助钻孔加工过程的运动学特征，获取二阶振动位移曲线Z(θ)，二阶振动位移曲线Z(θ)表示为：

其中，A表示振动曲线振幅，2T为振动周期，表示振动一次钻头转动的角度，f(θ)表示瞬时切削厚度，Z表示振动位移，Z(θ)表示振动位移函数，θ表示振动曲线位移角度。

Z(θ)的约束条件包括：

Z(θ)＝Z(θ+2T)

Z(-θ)＝Z(θ)

Z(0)＝Z(T)＝0

Max(|Z(θ)|)＝A

在步骤S2中，还包括：若未实现断屑，则更新运动参数并重复执行仿真，其中所记录的对应参数包括：当前仿真中低频振动运动参数；在步骤S3中，还包括：若小于设定值,则将所获取的瞬时最大切削厚度作为新的设定值，记录对应参数并重复执行仿真，其中所记录的对应参数包括：当前仿真中低频振动运动参数。

所获取的瞬时最大切削厚度f(θ)表示为：

其中，H(θ,T_i)表示钻头的切屑刃(T_i)在θ位置时的轴向位置，i表示切入钻削区域的刃口数。

其中，H(θ,T_i)表示为：

其中，f_r表示每转进给量，N_z表示钻头刃口数量，Z表示振动位移。

进一步的，还包括：对于每转进给量f_r＝0.05mm/r的低频振动辅助制孔加工，

时f_max＝0.033mm，

时f_max＝0.020mm，则min(f_max)＝0.020mm，优化的振动曲线参数包括：振动曲线振幅A＝0.08m，

所确定的振动位移曲线：

本实施例考虑了低频振动辅助钻孔加工的振动曲线对最大瞬时切削厚度的影响，通过改进振动曲线形式，降低瞬时切屑厚度，减小瞬时最大进给力。本实施例有效提高了低频振动制孔工艺加工弱刚性零件的加工精度，减小低频振动制孔工艺孔出口毛刺高度，提高加工质量。此外，该振动曲线优化方法还能够提高低频振动制孔效率，降低制孔成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1低频振动主轴钻孔加工振动曲线设计流程示意图；

图2低频振动辅助制孔运动学模型示意图；

图3实施例提供的振动位移曲线示意图；

图4实施例提供的振动位移曲线运动学模型示意图(其中，

)；

图5实施例提供的振动位移曲线运动学模型示意图(其中，

)；

图6实施例旋转角度-轴向位移，旋转角度-轴向进给速度关系示意图；

图7实施例Z坐标与进给速度关系示意图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。下文中将详细描述本发明的实施方式，所述实施方式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方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本实施例的设计思路在于：根据低频振动辅助钻孔加工振动运动特性，建立运动学分析模型；根据振动参数得到参数化低频振动的振动位移函数；在不同参数下进行低频振动钻削过程仿真计算；计算不同参数下的最大瞬时切削厚度；以获得最小的最大瞬时切削厚度为优选策略，确定振动曲线参数，以对应的参数确定振动位移曲线，完成振动位移曲线的设计。

本发明实施例提供一种用于低频振动辅助钻孔加工的工艺优化方法，包括：

S1、在将加工参数输入用于振动加工的数控机床之前，将所述加工参数输入检测终端。

S2、所述检测终端利用所述加工参数检测低频振动钻削过程中，是否实现断屑，若实现断屑，则获取瞬时最大切削厚度。

在步骤S2中，还包括：若未实现断屑，则更新运动参数并重复执行仿真，其中所记录的对应参数包括：当前仿真中低频振动运动参数。

S3、检测终端检测所获取的瞬时最大切削厚度是否小于设定值，若小于则将所获取的瞬时最大切削厚度作为优选值进行记录。这么做的目的是在断屑的基础上获得最小的瞬时最大切削厚度。

在步骤S3中，还包括：若小于设定值,则将所获取的瞬时最大切削厚度作为新的设定值，记录对应参数并重复执行仿真，其中所记录的对应参数包括：当前仿真中低频振动运动参数。

S4、检测终端根据瞬时最大切削厚度优选值对应的参数，确定振动位移曲线，并将所述振动位移曲线输入所述数控机床。

举例来说，一个完整的优化方法的执行过程包括：

步骤一、根据低频振动辅助钻孔加工振动运动特性，建立运动学分析模型。

步骤二、根据运动参数(A，T)得到参数化低频振动的振动位移函数。所述的低频振动位移函数设计方法由多段抛物线组合而成，位移函数可导且导数连续，加工过程中不存在速度突变。

步骤三、根据参数化低频振动振动位移函数进行低频振动钻削过程仿真。

步骤四、判断是否实现断屑，若未断屑则改变运动参数继续仿真。若实现断屑则进行瞬时最大切削厚度的计算。

步骤五、判断瞬时最大切削厚度是否小于设定值，若不小于瞬时最大切削厚度最优值为则设定值。若小于设定值,记录当前瞬时最大切削厚度作为新设定值，并记录对应参数，继续仿真。

步骤六、重复步骤五直至仿真结束，最终记录的瞬时最大切削厚度优选值对应的参数确定振动位移曲线，完成振动位移曲线的设计。

本实施例针对现有低频振动钻削工艺中存在的问题，公开了一种新型低频振动辅助钻孔加工的振动曲线，通过改进振动曲线形式，降低瞬时切屑厚度，减小瞬时最大进给力。本实施例有效提高了低频振动制孔工艺加工弱刚性零件的加工精度，减小低频振动制孔工艺孔出口毛刺高度，提高加工质量。此外，该振动曲线优化方法还能够提高低频振动制孔效率，降低制孔成本。

本实施例中，在步骤S1之前，还可以包括：

S01、根据低频振动辅助钻孔加工时振动的运动学特征，建立运动学分析模型。

S02、根据运动参数(A，T)输入所述运动学分析模型，得到振动位移函数。

S03、利用所述振动位移函数，对低频振动辅助钻孔加工过程进行仿真处理，直至实现断屑。具体的，振动位移函数Z(θ)为周期函数，可以表示为一种二阶振动位移曲线，满足

式中，θ为钻头转动角度，2T为振动周期，A为振幅。低频振动制孔过程中的参考平面瞬时切削厚度f(t)可表示为：

本实施例中，在所述步骤S4中包括：根据所述低频振动辅助钻孔加工过程的运动学特征，获取二阶振动位移曲线Z(θ)，其中，根据低频振动辅助钻孔振动特性，曲线为振幅为A，频率为2T的连续可导函数。为改善钻削过程最大瞬时切厚，本发明将传统的正弦形式振动位移曲线改进为一系列抛物线曲线的组合。具体的，二阶振动位移曲线Z(θ)表示为：

其中，A表示振动曲线振幅，2T为振动周期，表示振动一次钻头转动的角度，f(θ)表示瞬时切削厚度，Z表示振动位移，Z(θ)表示振动位移函数，2T为振动周期，也可以表示振动一次钻头转动的角度，θ表示振动曲线位移角度。

作为本发明的实施例的一种优选方案，根据低频振动钻孔加工过程运动学特征，二阶振动位移曲线Z(θ)有下列等式约束：Z(θ)的约束条件包括：

Z(θ)＝Z(θ+2T)

Z(-θ)＝Z(θ)

Z(0)＝Z(T)＝0

Max(|Z(θ)|)＝A

其中，所获取的瞬时最大切削厚度f(t)表示为：

其中，H(θ,T_i)表示钻头的切屑刃(T_i)在θ位置时的轴向位置，i表示切入钻削区域刃口数。

其中，f_r表示每转进给量，N_z表示钻头刃口数量，Z表示振动位移。

输入仿真程序时，选用不同的A与T，在瞬时最大切削厚度fmax大于0的前提下，获得最小的瞬时最大切削厚度，具体可以设置成：Find(A，T)，Objective：Min(f_max)，Subjectto:f_max>0。

具体举例来说，如图1所示为本法明的设计流程图，主要包括建立低频振动制孔运动学模型，参数化振动位移函数，运动学仿真计算，判断机械断屑，优选最大瞬时切屑厚度切屑确定参数5个主要部分。以数控机床通过G代码编程钻削为例，对于低频振动辅助钻削加工来说，钻头的运动有主轴旋转、主轴进给、刀具振动三部分组成。将孔壁沿侧面展开本发明的低频振动辅助制孔运动学模型如图2所示。横坐标为主轴角位移θ，钻头的切屑刃(T_i)在θ位置时的轴向位置H(θ,T_i)可表示为：

式中，f_r为每转进给量，N_z为刃口数，Z(θ)为振动位移函数。

钻削表面S(θ)为钻头旋转过程中所有切削刃沿H(θ,T_i)共同作用的最低点形成，可表示为：

式中，2T为振动位移周期，定义频转比ω，即钻头单个回转周期内振动的次数，

以f_r＝0.05mm/r，振幅A＝0.08mm，T分别为

与

为例，形成的振动位移曲线如图3所示。

代入低频振动辅助制孔运动学模型，

对于每转进给量f_r＝0.05mm/r的低频振动辅助制孔加工，

时f_max＝0.033mm，

时f_max＝0.020mm，则min(f_max)＝0.020mm，优化的振动曲线参数包括：振动曲线振幅A＝0.08m，

所确定的振动位移曲线：

对于设计出的振动曲线，进行周向位移与速度对应关系的分析，得到旋转角度-轴向位移，旋转角度-轴向进给速度关系图(图6所示)，进而得到Z坐标与进给速度关系图(图7所示)。将Z坐标与对应的轴向进给速度输入加工中心G代码中，使主轴按设定的曲线进行钻削加工，实现所设计的振动曲线应用。

可以扩展的，本实施例在实际应用中，可以在不脱离本实施例的原理的前提下，做出若干改进和变形，例如1：将拼接的抛物线曲线改进为一元三次函数曲线拼接。2：将本发明原理设计出的曲线应用于数控系统进给输出控制或不同形式振动发生器中，如凸轮机构、导杆机构等。3：曲线优选的形式改为切屑形状，切屑宽度、切屑面积等。4：低频振动低频振动制孔运动学模型及切屑形态由有限元软件仿真计算而来。

本实施例中，针对现有低频振动钻削工艺中存在的问题，公开了一种优化方法，采用新型低频振动辅助钻孔加工的振动曲线，通过改进振动曲线形式，降低瞬时切屑厚度，减小瞬时最大进给力。本发明有效提高了低频振动制孔工艺加工弱刚性零件的加工精度，减小低频振动制孔工艺孔出口毛刺高度，提高加工质量。此外，该振动曲线设计方法还能够提高低频振动制孔效率，降低制孔成本。相比于低频振动加工中的正弦形式振动曲线，抛物线形式振动曲线能够有效减小最大瞬时切厚，减小钻削力，从而提高加工效率与加工质量。相比于低频振动加工中的正弦形式振动曲线，抛物线形式振动曲线能够是的切厚均匀，减小刀具受冲击，从而提高刀具耐用度。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种用于低频振动辅助钻孔加工的工艺优化方法，其特征在于，包括：

S1、在将加工参数输入数控机床之前，将所述加工参数输入检测终端；

S2、所述检测终端利用所述加工参数检测低频振动钻削过程中，是否实现断屑，若实现断屑，则获取瞬时最大切削厚度；

S3、检测终端检测所获取的瞬时最大切削厚度是否小于设定值，若小于则将所获取的瞬时最大切削厚度作为优选值进行记录；

S4、检测终端根据瞬时最大切削厚度优选值对应的参数，确定振动位移曲线，并将所述振动位移曲线输入所述数控机床。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

S01、设计多段抛物线叠加的低频振动方式，结合低频振动辅助钻孔加工时振动的运动学特征，建立运动学分析模型；

S02、将运动参数振幅A与周期2T输入所述运动学分析模型，得到振动位移函数；

S03、利用所述振动位移函数，对低频振动辅助钻孔加工过程进行仿真处理，直至实现断屑。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S4中包括：

根据所述低频振动辅助钻孔加工过程的运动学特征，获取二阶振动位移曲线Z(θ)，二阶振动位移曲线Z(θ)表示为：

其中，A表示振动曲线振幅，2T为振动周期，表示振动一次钻头转动的角度，f(θ)表示瞬时切削厚度，Z表示振动位移，Z(θ)表示振动位移函数，θ表示振动曲线位移角度。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括：

Z(θ)的约束条件包括：

Z(θ)＝Z(θ+2T)

Z(-θ)＝Z(θ)

Z(0)＝Z(T)＝0

Max(|Z(θ)|)＝A。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤S2中，还包括：若未实现断屑，则更新运动参数并重复执行仿真，其中所记录的对应参数包括：当前仿真中低频振动运动参数；

在步骤S3中，还包括：若小于设定值,则将所获取的瞬时最大切削厚度作为新的设定值，记录对应参数并重复执行仿真，其中所记录的对应参数包括：当前仿真中低频振动运动参数。

6.根据权利要求1或5所述的方法，其特征在于，所获取的瞬时最大切削厚度f(θ)表示为：

其中，H(θ,T_i)表示钻头的切屑刃(T_i)在θ位置时的轴向位置，i表示切入钻削区域的刃口数。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，H(θ,T_i)表示为：

其中，f_r表示每转进给量，N_z表示钻头刃口数量，Z表示振动位移。

8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括：对于每转进给量f_r＝0.05mm/r的低频振动辅助制孔加工，

时f_max＝0.033mm，

时f_max＝0.020mm，则min(f_max)＝0.020mm，优化的振动曲线参数包括：振动曲线振幅A＝0.08m，

所确定的振动位移曲线：

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