CN113059221B - 基于刀尖镜像磁吸附提高薄壁件加工稳定性的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于刀尖镜像磁吸附提高薄壁件加工稳定性的方法及装置，属于机械装备结构的动力学分析领域。该方法主要包括如下步骤：(1)在薄壁零件加工过程中施加不同大小的支持力，利用敲击方法确定不同支持力与加工零件局部频响函数关系，为了抑制局部振动，得出支持力最佳范围；(2)通过设计的通电线圈装置对加工刀具进行磁化，使其能够吸附磁性装置；(3)设计不同组合个数的磁力球装置，根据组合个数的不同确定其与磁化后的刀具见的磁力大小；(4)刀具与磁力球镜像分布在薄壁零件两侧进行薄壁零件加工作业，吸附式磁力装置能够随刀具的进给进行移动，增加加工范围内的局部刚度，提高薄壁零件加工质量。

Description

基于刀尖镜像磁吸附提高薄壁件加工稳定性的方法及装置

技术领域

本发明属于机械装备结构的动力学分析领域，涉及一种基于刀尖镜像磁吸附提高薄壁件加工稳定性的方法及装置，更具体地，涉及一种基于薄壁零件镜像刀尖吸附磁性装置抑制振动的薄壁零件加工方法。

背景技术

薄壁零件加工过程中，由于其尺寸大、几何形状复杂、固有刚度低等特点，因此很难高质量的对薄壁零件进行装夹,这也是加工薄壁零件过程中产生颤振和静态变形的一种原因。同时由于薄壁零件自身特性，在进行加工过程中，其整体刚度过低、尺寸较大导致刀尖点加工局部的刚度薄弱，使得铣削等加工过程中很容易产生颤振，直接影响到加工质量、降低机床和刀具的使用寿命。因此对于薄壁零件加工过程中的稳定性研究是十分必要的，现有的研究发现，在一定范围内，薄壁零件的尺寸对于加工质量有较大影响，更深层次来看，是加工过程中薄壁零件的局部刚度对加工质量有直接影响。

实验表明，在加工薄壁零件过程中，零件的局部刚度接近或者高于主轴-刀具系统的基频时，加工稳定性将得到明显提高。为了提高薄壁零件加工过程的稳定性，目前比较有效的方法是镜像铣削。传统的径向铣削系统主要由主轴铣削系统、支撑系统和薄壁零件三部分组成。加工过程中，首先将薄壁零件装夹固定，然后通过周期定位，使加工系统和支撑系统保持零件镜像关系进行加工，在力平衡的基础上，Z向的支承力和切削力同时作用于切削点，从而保证加工局部的高刚度，显著提高加工薄壁零件的稳定性。但是，此方法对于零件的形状有较多限制，难于加工曲面及复杂型面的薄壁零件，不具有普适性。

因此研究一种能够面向更多加工条件的提高薄壁零件加工稳定性的方法是必要的。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于刀尖镜像磁吸附提高薄壁件加工稳定性的方法及装置，其目的在于，提高加工过程中薄壁零件的局部刚度，降低对薄壁零件的限制，提高薄壁零件加工技术的普适性。

为实现上述目的，本发明提出了一种基于刀尖镜像磁吸附提高薄壁件加工稳定性的方法，包括如下步骤：

(1)对薄壁零件在Z方向上提供不同大小的支持力，同时在Z方向上进行敲击实验，以获得不同支持力下作用力与局部模态振型、局部模态刚度和阻尼比关系中的至少一个；

(2)在加工过程中将刀具磁化；

(3)确定单一磁力球与刀具作用时的磁力及其对薄壁零件产生的支持力；然后根据选定的加工对象和加工条件，按照步骤(1)获得的不同支持力下作用力与系统振型关系、作用力与局部模态刚度关系，选定磁力球的个数形成磁力球组合，以在磁力有效范围内，达到最有效的加工性能；

(4)磁化后的刀具与磁性球体组合产生磁力作用，磁性球体组合通过磁力作用吸附在薄壁零件上且位于刀具镜像侧，磁性球体组合在磁力作用下随刀具的加工轨迹与刀具同步运动；此过程中，由于磁性球体组合的支撑作用增加薄壁零件的局部刚度。

进一步地，步骤(1)中，根据不同支持力下作用力与系统振型关系、作用力与局部模态刚度关系发现，一定范围内，随着作用力的提高，零件局部振型降低，刚度提高，临界切深增强，但随着作用力的增大，相关性不再明显，据此设定薄壁零件加工过程中最合适的支撑力大小；步骤(3)中，根据步骤(1)获得的最合适的支撑力大小以及单一磁力球与刀具作用时的磁力及其对薄壁零件产生的支持力，确定磁性球体组合中磁力球的数量。

进一步地，薄壁零件为非磁性材料。

进一步地，步骤(1)中，综合考虑作用力与局部模态振型、局部模态刚度和阻尼比关系，从而确定最佳支持力作用范围，作为磁力有效范围。

为了实现上述目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种基于刀尖镜像磁吸附提高薄壁零件加工稳定性的装置，用于实现如前任一项所述的方法。

进一步地，所述装置为数控机床。

进一步地，在所述装置的刀具-主轴系统中设置通电线圈装置，对刀具进行通电磁化。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、本发明通过将刀具磁化，使其能够被磁力作用，搭配球形强力磁铁组合，并通过前期实验确定加工过程中球形磁铁的数量，而球形磁铁的数量直接与约束磁力大小有关，从而可根据不同的加工参数来增减球形磁铁个数达到不同的磁力约束，能够根据动力学特性来精确的提高加工局部刚度，达到提高薄壁零件加工稳定性的目的。在加工过程中，刀具系统与球形磁铁组合系统镜像分布在薄壁零件两侧，球形磁铁组合在磁性吸附作用下随着刀具进给而一致移动，同时磁力的作用使得球形磁铁组合紧贴薄壁零件，能够增加零件的局部刚度。

2、此外，由于采用了吸附式磁力装置(磁力球)对薄壁零件进行支撑，侧铣和立铣等不同的铣削方式都能进行加工；球形磁铁尺寸较小，并且球形磁铁组合的角度可以随着薄壁零件的形状变化而自适应变化，不会由于薄壁零件的结构而造成加工干涉，对薄壁零件的几何尺寸及形状没有过多限制，具有一定的普适性。

附图说明

图1是本发明的方法流程示意图；

图2是本发明优选实施例的镜像加工数据机床加工系统装置示意图；

图3是本发明优选实施例不同约束力时加工零件局部频响函数，具体为局部模态振型的幅值信号关系图；

图4是本发明优选实施例的无吸附式装置时薄壁零件和主轴等力学模型示意图；

图5是本发明优选实施例的有吸附式装置时薄壁零件和主轴等力学模型示意图；

图6是本发明优选实施例的薄壁零件镜像刀尖吸附磁性抑振装置示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明的方法主要包括如下步骤：

(1)在薄壁零件加工过程中施加不同大小的支持力，利用敲击方法确定不同支持力与加工零件局部频响函数关系，为了抑制局部振动，得出支持力最佳范围。

(2)通过设计的通电线圈装置对加工刀具进行磁化，使其能够吸附磁性装置。

(3)设计不同组合个数的磁力球装置，根据组合个数的不同确定其与磁化后的刀具见的磁力大小。

(4)刀具与磁力球镜像分布在薄壁零件两侧进行薄壁零件加工作业，吸附式磁力装置能够随刀具的进给进行移动，增加加工范围内的局部刚度，提高薄壁零件加工质量。

下面，以一个更为具体的实施例对本发明进行示例性的说明。本实施例中优选以数控机床、薄壁零件、磁化刀具和强力球形磁铁组合为例对本发明的方法进行说明，本实施例的一种基于薄壁零件镜像刀尖吸附磁性装置提高薄壁零件加工稳定性方法包括以下步骤：

(1)基于如图2所示的机床，对薄壁零件施加支持力，选取梯度为100N的支持力0N、100N、200N、300N、400N、500N等。在施加支持力的局部点布置5个三项PCB086C03加速度传感器，用PCB086C03型号力锤进行Z向敲击实验。数据采集系统为LMS SCADAS Mobile SCM05，每次敲击5次取平均值作为实验数据。

对采集到的不同支持力下的加工局部点的频响函数进行分析，得到支持力与局部模态振型、局部模态刚度和阻尼比关系图中的至少一个，如图3所示为局部模态振型的幅值信号关系图。通过分析上述三种系统动力学特性与支持力之间的相关性，确定合适的支持力范围。根据实际加工需求的不同，可以综合考虑三种关系图，也可以只考虑其中的一个或两个。

(2)基于电生磁原理，设计符合刀具-主轴系统的可通电线圈装置，对线圈通电以将刀具磁化，如图4所示。并通过实验验证其磁力作用能力。

(3)设计一种磁性球体组合，并能够根据步骤(2)支持力的要求更改组合个数。根据如图5的动力学模型，分析附加磁球进行约束的理论公式，证明可以增加局部模态刚度和提高局部固有频率。

(4)对主轴-刀具系统进行充磁，在薄壁零件镜像吸附磁球组合，进行铣削加工，如图6所示。通过比较有无磁力球支撑的薄壁零件表面粗糙度发现，采用本发明的装置及方法加工出的薄壁零件与传统的镜像加工装置加工出的薄壁零件相比，表面粗糙度更好，从而验证本发明的有效性。

总体而言，本发明解决了薄壁零件加工稳定性和加工质量低的难题，根据不同的加工条件和对象，系统随着约束磁力的变化呈现差异，针对不同系统的差异，选择不同个数的球形磁体组合作为吸附装置，能够精确和高效的提高局部加工刚度，提高临界切深值。

由于是采用球形磁体，与薄壁零件的摩擦小，能够及时、有效的随着刀具加工进给方向进行移动，同时该设计使得吸附装置尺寸可以设计得较小，不会对薄壁零件有较多几寸结构等限制，干涉可能性较小。同时不论是侧铣或者立铣等都能满足加工要求。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于刀尖镜像磁吸附提高薄壁件加工稳定性的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)对薄壁零件在Z方向上提供不同大小的支持力，同时在Z方向上进行敲击实验，以获得不同支持力下作用力与局部模态振型、局部模态刚度和阻尼比关系中的至少一个；

(2)在加工过程中将刀具磁化；

(3)确定单一磁力球与刀具作用时的磁力及其对薄壁零件产生的支持力；然后根据选定的加工对象和加工条件，按照步骤(1)获得的不同支持力下作用力与系统振型关系、作用力与局部模态刚度关系，选定磁力球的个数形成磁力球组合，以在磁力有效范围内，达到最有效的加工性能；

(4)磁化后的刀具与磁性球体组合产生磁力作用，磁性球体组合通过磁力作用吸附在薄壁零件上且位于刀具镜像侧，磁性球体组合在磁力作用下随刀具的加工轨迹与刀具同步运动；此过程中，由于磁性球体组合的支撑作用增加薄壁零件的局部刚度；

步骤(1)中，根据不同支持力下作用力与系统振型关系、作用力与局部模态刚度关系发现，一定范围内，随着作用力的提高，零件局部振型降低，刚度提高，临界切深增强，但随着作用力的增大，相关性不再明显，据此设定薄壁零件加工过程中最合适的支持力大小；步骤(3)中，根据步骤(1)获得的最合适的支持力大小以及单一磁力球与刀具作用时的磁力及其对薄壁零件产生的支持力，确定磁性球体组合中磁力球的数量。

2.如权利要求1所述的一种基于刀尖镜像磁吸附提高薄壁件加工稳定性的方法，其特征在于，薄壁零件为非磁性材料。

3.如权利要求1所述的一种基于刀尖镜像磁吸附提高薄壁件加工稳定性的方法，其特征在于，步骤(1)中，综合考虑作用力与局部模态振型、局部模态刚度和阻尼比关系，从而确定最佳支持力作用范围，作为磁力有效范围。

4.一种基于刀尖镜像磁吸附提高薄壁件加工稳定性的装置，其特征在于，用于实现权利要求1～3任一项所述的方法。

5.如权利要求4所述的一种基于刀尖镜像磁吸附提高薄壁件加工稳定性的装置，其特征在于，所述装置为数控机床。

6.如权利要求4所述的一种基于刀尖镜像磁吸附提高薄壁件加工稳定性的装置，其特征在于，在所述装置的刀具-主轴系统中设置通电线圈装置，对刀具进行通电磁化。

Images