CN114547888B - 铣削加工表面精度分布一致性的工艺设计与验证方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及铣削加工技术领域，具体的说是一种铣削加工表面精度分布一致性的工艺设计与验证方法，包括S1、立铣刀铣削侧立面加工误差一致性的设计目标；S2、立铣刀铣削侧立面加工误差一致性的设计变量识别分析方法；S3、立铣刀铣削侧立面加工误差一致性的设计模型；S4、立铣刀铣削侧立面加工误差一致性的设计流程的验证方法。本发明提出的立铣刀铣削侧立面加工误差一致性的设计目标、给出的立铣刀铣削侧立面加工误差一致性的设计变量、提出的立铣刀铣削侧立面加工误差一致性的设计模型和提出的立铣刀铣削侧立面加工误差一致性的设计流程的验证方法，提高加工精度的一致性水平，验证工艺方案的可行性和一致性水平。

Description

铣削加工表面精度分布一致性的工艺设计与验证方法

技术领域

本发明涉及铣削加工技术领域，具体为一种铣削加工表面精度分布一致性的工艺设计与验证方法。

背景技术

如今铣削如何实现高效精确的切削是一个重要的发展方向，其凭借高效、高精度的工艺特点，已成为现代航天航空、医疗器械等高端制造领域中关键零部件高品质加工的重要实现途径。在高效铣削时，受铣削振动、刀齿误差的影响，加工表面形成过程不断变化，导致加工表面误差沿进给速度方向及切深方向呈现多样的变化特性，进而对加工表面性能产生影响。现有工艺中的测量方法对加工表面质量的整体或局部水平进行评判，对加工误差在加工表面上的具体变化特性研究尚存在模糊性和不确定性。

现有的误差测量方法中只是对加工表面整体或局部水平进行评判，还没有对加工精度一致性进行深入研究，进而影响整个工艺对加工表面的控制效果，降低加工表面的铣削质量。

为此，我们推出一种铣削加工表面精度分布一致性的工艺设计与验证方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铣削加工表面精度分布一致性的工艺设计与验证方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种铣削加工表面精度分布一致性的工艺设计与验证方法，具体包括以下步骤：

S1、立铣刀铣削侧立面加工误差一致性的设计目标：

提出立铣刀铣削侧立面加工误差一致性的设计目标，并利用设计目标对加工表面精度一致性进行评判，这样可以提高加工表面精度一致性；

S2、立铣刀铣削侧立面加工误差一致性的设计变量识别分析方法：

对加工表面精度的设计变量进行重新设计规划，给出立铣刀铣削侧立面加工误差一致性的设计变量识别分析方法，分析影响因素的影响程度以及其存在的交互作用，从而控制设计变量；

S3、立铣刀铣削侧立面加工误差一致性的设计模型：

通过设计目标及设计变量，对已有的工艺设计方法进行优化，提出新的立铣刀铣削侧立面加工误差一致性的设计模型；

S4、立铣刀铣削侧立面加工误差一致性的设计流程的验证方法：

提出立铣刀铣削侧立面加工误差一致性的设计流程的验证方法，从而验证设计模型加工精度和一致性水平。

所述步骤S1中，加工表面形成时，加工表面误差受各个因素的影响程度存在差异，加工表面精度一致性是加工表面精度沿进给速度方向和切深方向的分布呈现的变化特性，为了评判加工表面精度一致性，提出立铣刀铣削侧立面加工误差一致性的设计目标，该方法首先从多个影响因素中析出设计目标如图1所示。

从图1中得到各个影响因素，最后汇总得到下式所示的变量集合。

Q＝{n，f_z，a_p，a_e，M，a，d,l,β，θ，Δy} (1)

式中n为主轴转速；f_z为每齿进给量；a_p为铣削深度；a_e为铣削宽度；M为铣削振动；a为刀齿误差分布；d为铣刀直径；l为刀刃长度；β为螺旋角；θ为角度误差；Δy为位置误差。

从变量集合中析出设计目标为角度误差和位置误差，然后通过提取特征点，分别计算加工表面误差值，如图2-图5所示。

如图2-图5所示，分别在实际加工表面和设计基准表面上从起始切削位置到切削终止位置沿进给速度方向和切削深度方向按照进给速度方向1/2的铣刀半径的间距和切削深度方向0mm、5mm、10mm，的距离取n_xi和n_γi个点，采用误差计算方法分别计算这些点对应进给速度方向和切削深度方向的加工表面误差分布曲线，加工表面误差分为位置误差和角度误差，分析加工表面特征点位置误差的平均值

加工表面特征点位置误差的平均值

表明该加工表面的平均水平，加工表面特征点位置误差的最大值M_amax，表明该特征点位置误差所能允许的最大水平，与加工表面特征点位置误差的平均值越接近越好。加工表面特征点位置误差的最小值M_amin，表明该特征点位置误差所能允许的最小水平，与加工表面特征点位置误差的平均值越接近越好，而特征点的角度误差是由设计基准表面和实际加工表面的选取特征点的平面法向量构成的夹角，其中设计基准表面法向量用l表示，实际加工表面的法向量由Nm表示，因为设计基准表面没有角度，因此角度误差为此本身，且角度误差越接近0，越说明一致性程度好，并利用误差关联度计算方法，通过关联度分析加工表面精度一致性水平。误差计算公式如下式所示。

Δy＝y_g-y_g(0) (2)

式中，θ₁为角度误差θ在x_go_gy_g面上的投影；θ₂为角度误差θ在y_go_gz_g面上的投影。

为计算误差关联度，提取出的误差分布曲线的特征点分别作为参考序列Y_q ^ap和比较序列Y_q ^ap*。

Y_q ^ap＝(y_q(1),y_q(2),......,y_q(v),......,y_q(v_max))(q＝1,2,)(a_p＝0,5,10) (4)

Y_q ^ap*＝(y_q(1)*,y_q(2)*,......,y_q(v)*,......,y_q(v_max)*)(q＝1,2,)(a_p＝0,5,10) (5)

采用改进的灰色相对关联分析方法计算进给速度方向表面误差的参考序列Y_q ^ap与切削深度方向表面误差的比较序列Y_q ^ap*之间的关联度。其中q＝1为加工表面位置误差序列，q＝2为角度误差序列。

γ_Ma越接近1，能够说明加工精度一致性水平越高，以往的关联度都在0.5-0.8之间，本专利以关联度0.8作为评判指标，并且对切削深度分别为0mm、5mm、10mm处提取特征点，利用spss软件进行分析，如果特征点的分布都是正态分布，说明加工质量好。

综合上述方法，给出评判指标如下式所示。

式中，M_amax是实际加工表面误差最大值；[M_amax]是设计基准表面误差最大值

为实际加工表面误差平均值；

是设计基准表面误差平均值；M_amin是实际加工表面误差最小值；[M_amin]是设计基准表面误差最小值。

最后得到铣削侧立面加工误差一致性的设计目标，如图6所示。

所述步骤S2具体包括以下步骤：

S201、主要设计变量识别方法：

在铣削加工过程中存在多种设计变量影响甚至交互作用的情况，考虑各个设计变量对加工误差一致性的影响，对各个变量进行识别及分析。

在加工过程中，对加工表面有着直接影响作用有振动、刀齿误差、每齿进给量等设计变量，为了更加全面的识别有直接影响作用的设计变量，根距图1选取加工表面误差主要设计变量为铣刀主轴转速、每齿进给量、切削深度以及切削宽度、刀齿误差分布、铣削振动、铣刀直径、刀刃长度和螺旋角，根据刀工关系图给出变量集合式如下式所示。

Q＝{n，f_z，a_p，a_e，M，a，d,l,β} (7)

为了识别出对加工表面有直接影响的设计变量，对以上设计变量进行单因素方差分析，单因素方差实验中得到F值为两个设计变量均方的比值，Fcrit为F值相应显著水平下的临界值，F值大于Fcrit，则表明影响显著；P-value为相应F值的置信概率，通常小于0.05为二者存在显著影响，小于0.001为高度显著影响。根据方差值分析，对各设计变量的影响程度由大到小排序，铣削振动>刀齿误差>每齿进给量>切削宽度>切削深度>铣刀主轴转速>铣刀直径>刀刃长度>螺旋角，其中铣刀直径、刀刃长度、螺旋角影响因素对加工表面精度的一致性的影响程度小，因此确定设计变量为主轴转速、每齿进给量、铣削深度、铣削宽度、铣削振动和刀齿误差分布。

S202、设计变量影响程度的识别方法：

各个影响因素对加工表面的影响程度有差异，为了提高加工表面精度的一致性，对各个因素进行影响程度分析，为此提出铣削侧立面加工误差一致性的影响因素分析方法如图7所示。

如图7所示，首先对设计变量n、f_z、a_p、a_e、M、a分别进行表面形貌仿真，然后通过误差计算方法解算得到位置误差的误差平均值

误差最大值M_amax；误差最小值M_amin；然后通过上诉提出的评判方法评判各个设计变量的一致性程度。

S203、设计变量耦合作用的识别方法：

各个设计变量存在耦合作用，先进行响应面分析，然后对响应面模型进行响应面显著性分析，得到影响因素之间存在交互作用，最后进行多因素方差分析，得到影响因素间的耦合作用，再进行响应面分析前提出中心实验设计方案，然后根据中心试验设计方案和之前设计变量的仿真结果构建响应面模型，因此，为解析加工表面误差对铣削工艺设计变量的响应特性，构建二阶表达式如式(8)所示。

式中，y₀为初始待定值，p_i为x_i的影响系数，p_ij为x_i和x_j交互作用影响系数，Q为拟合误差及噪声影响，在此模型中服从正态分布。

最后得到铣削侧立面加工误差一致性的影响因素耦合作用方法如图8所示。

所述步骤S3中，设计模型综合运用优化设计和协同设计，考虑加工误差和铣削振动对加工的影响，提高加工精度一致性水平，将加工误差整体水平及其分布的一致性作为设计目标，以加工精度一致性作为约束条件，考虑各个设计变量的影响程度，建立新的铣削侧立面加工误差一致性的设计模型如图9所示。

如图9所示，铣削侧立面加工误差一致性的设计模型从提高加工精度一致性出发，从研究铣刀特征参数入手，通过铣削加工工艺方法及机床来研究铣刀的特征参数，得到各个影响因素，然后将各个影响因素进行表面形貌仿真得到加工表面误差和角度误差，分别从进给速度方向和切削深度方向对其进行加工表面误差解算，通过铣削侧立面加工误差一致性的设计目标对解算结果进行加工表面精度整体水平和一致性程度进行评判，如果评判不合格，则通过加工表面精度整体水平影响因素辨识再对各个设计变量调整规划，提出新的加工精度一致性工艺方案，重新对其解算。如果评判合格，则进行铣削实验验证，如果实验验证了加工精度一致性水平提高，则说明该工艺设计方案的一致性和可行性，如果实验验证没有通过，则重新设计实验方案进行评判。

所述步骤S4中，为了检验加工误差一致性的设计模型准确性，特提出铣削侧立面加工误差一致性的设计流程的验证方法如图10所示。

该验证方法，主要通过将新工艺方案分别和旧工艺方案、实验方案进行对比验证铣削侧立面加工误差一致性的设计模型的加工精度一致性。首先分别按照铣削侧立面加工误差一致性的设计目标分别从新工艺方案、旧工艺方案和实验方案中的实际加工表面和设计基准表面沿着进给速度方向和切削深度方向按照1/2铣刀半径的间距取n_xi和n_γi个点，采用误差计算方法分别计算这些点对应进给速度方向和切削深度方向的加工表面误差分布曲线，按照评判方法分析加工表面特征点位置误差和角度误差的平均值

最大值M_amax和最小值M_amin，然后新工艺方案和旧工艺方案进行灰色关联度分析计算，按照评判标准评判其一致性的好坏，并且按照评判标准将新工艺方案和旧工艺方案进行对比，如果新工艺方案的关联度都比旧工艺方案的关联度高时，则说明新工艺方案一致性程度高，而新工艺方案和实验方案通过比较误差最大值和最小值与平均值的接近程度，如果新工艺方案比实验方案误差最大值和最小值更接近于误差平均值，则说明新工艺方案的精度高，误差小，从而验证了设计模型的加工精度一致性。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明提出的立铣刀铣削侧立面加工误差一致性的设计目标，对加工表面误差的分布特性做出解析，利用特征点提取方法，得到角度误差和位置误差，利用误差解算方法进行解算，最后用关联度分析方法评判加工误差一致性，从而提高加工精度的一致性水平；

2、本发明给出的立铣刀铣削侧立面加工误差一致性的设计变量，将各个变量重新整合规划，析出有关的影响因素，并利用单因素方差分析方法，得到影响因素的影响程度，最后利用多因素方差分析方法得到影响因素之间的交互作用影响程度，从而更好的控制影响因素，提高加工精度一致性；

3、本发明提出的立铣刀铣削侧立面加工误差一致性的设计模型，获得加工精度一致性水平较高且加工精度整体水平符合加工技术要求的工艺方案及其精度水平和一致性水平；

4、本发明提出的立铣刀铣削侧立面加工误差一致性的设计流程的验证方法，利用评判方法通过实验对比，从而验证工艺方案的可行性和一致性水平。

附图说明

图1为本发明铣削加工的影响因素示意图；

图2为本发明特征点提取方法示意图；

图3为本发明进给速度方向加工表面误差分布图；

图4为本发明切削深度方向加工表面误差分布图；

图5为本发明角度误差模型示意图；

图6为本发明铣削侧立面加工误差一致性的设计目标流程图；

图7为本发明铣削侧立面加工误差一致性的影响因素分析方法流程图；

图8为本发明铣削侧立面加工误差一致性的影响因素耦合作用分析方法流程图；

图9为本发明铣削侧立面加工误差一致性的设计模型流程图；

图10为本发明铣削侧立面加工误差一致性的设计流程的验证方法流程图；

图11为本发明切深z＝0的分布趋势图；

图12为本发明切深z＝5的分布趋势图；

图13为本发明切深z＝10的分布趋势图；

图14为本发明加工表面位置误差变化特性影响因素的显著分析柱状图；

图15为本发明切平面与xoz面角度误差变化特性影响因素的显著分析柱状图；

图16为本发明切平面与yoz面角度误差变化特性影响因素的显著分析柱状图；

图17为本发明新工艺方案的实验加工表面仿真图；

图18为本发明新工艺方案位置误差基准点折线图；

图19为本发明新工艺方案位置点的切平面与xoz之间的角度误差折线图；

图20为本发明新工艺方案位置点的切平面与yoz之间的角度误差折线图；

图21为本发明新工艺方案的加工表面仿真结果图；

图22为本发明新工艺方案仿真位置误差基准点折线图；

图23为本发明新工艺方案仿真位置点的切平面与xoz之间的角度误差折线图；

图24为本发明新工艺方案仿真位置点的切平面与yoz之间的角度误差折线图；

图25为本发明仅刀齿误差作用下的加工表面仿真图；

图26为本发明仅铣削振动作用下的加工表面仿真图；

图27为本发明振动作用下的位置误差曲线分布折线图；

图28为本发明振动作用下位置点的切平面与yoz面角度误差折线图；

图29为本发明振动作用下位置点的切平面与xoz面角度误差折线图；

图30为本发明新旧实验表面误差关联度柱状图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种技术方案：一种铣削加工表面精度分布一致性的工艺设计与验证方法，具体包括以下步骤：

S1、立铣刀铣削侧立面加工误差一致性的设计目标：

通过评判方法对不同切深条件下对特征点的选取，利用统计学分析软件SPSS对特征点进行分析。

p-p图作为分析变量分布形式的一种常用手段，主要反应选取特征点变量的累积比例与指定分布的累积比例的趋势关系，因此，可以很直观的反映出特征点的分布形势。本次特征点在z＝0、z＝5、z＝10三个切深处进行选取检验是否服从正态分布。如图11-图13所示：

由图11-图13所示可以看出实际累积概率与预期累积概率近似在一条直线上，因此可以得出实际加工表面特征点在不同切深条件下近似服从正态分布。

根据加工表面误差解算方法在切深为z＝0mm，z＝5mm，z＝10mm处对加工表面误差解算，构建两类误差的三处切深误差曲线对应的误差序列，并利用灰色关联分析方法分析变化趋势，一致性分析结果如表1所示。

表1加工精度一致性分析

如表1所示，加工表面误差最大值在三个不同的切削深度处较小，符合加工表面精度技术要求；而且多处的加工误差关联度都高于0.8，说明其精度一致性情况较好。为综合评判切削深度方向加工表面精度，采用其各个切削深度加工误差关联度的平均值作为评判指标，误差关联度平均值高于0.8，表明加工精度一致性水平好。

S2、立铣刀铣削侧立面加工误差一致性的设计变量识别分析方法：

利用铣削侧立面加工误差一致性的设计变量筛选出的加工表面误差设计变量中，主轴转速与每齿进给量不仅会对振动直接产生影响也会对振动周期、刀齿误差产生影响，所以以主轴转速、每齿进给量、刀齿误差及铣削振动作为加工表面误差的影响因素，通过单因素分析并解算其加工表面误差，对其进行初步的设计变量方差分析。

实验铣刀选用瓦尔特公司制造的整体硬质合金立铣刀(MC122-20.0A5B-WJ30TF)，五齿等齿距，直径20mm，刀长104mm，螺旋角50°；机床选用三轴铣削加工中心，工作台长1050mm，宽560mm。铣削方式为顺铣、干式铣削，铣削钛合金牌号为TC4。

采用铣刀主轴转速1144rpm，每齿进给量0.145mm/z，切深0.5mm，切宽15mm为基础值，来进行单因素实验，单因素实验方案结果及测量振动加速度信号结果如表2所示。

表2单因素实验方案变量参数表

根据表2所示单因素实验方案的振动测试结果，利用三个方向振动加速度最大值作为振动特征，并且采用方差分析来解算铣刀主轴转速、每齿进给量、切削深度、切削宽度对铣削振动的影响程度。

结合铣削振动在铣削实验的实际情况，并使用5次铣削实验的三个方向振动加速度最大值的信号数据，信号数据分别为a₁＝(0.95，2.18，1.77)；a₂＝(1.05，5.41，1.24)；a₃＝(1.13，2.22，1.84)；a₄＝(1.52,5.91，3.21)；a₅＝(1.68，5.75，2.55)(单位：m/s²)。

其中n＝1718rpm、f_z＝0.05mm、M₁(轴向误差0.045，0.008，0.016，0.037，0.029；径向误差0.027，0.055，0.017，0.027，0.018)作为基础参数，从而进行加工表面误差分布特性设计变量的方差分析，分析结果如表3所示。

表3加工误差方差分析结果

如表3所示，铣刀主轴转速、刀齿误差、每齿进给量及铣削振动的F值大于Fcrit，而且P-value小于0.05，这说明各项影响因素对加工误差的分布特性有显著影响。分析方差值可知，加工表面位置误差的影响因素的影响程度：刀齿误差>每齿进给量>铣削振动＝铣刀主轴转速；切平面与xoz面角度误差的影响因素的影响程度：刀齿误差>铣刀主轴转速>铣削振动>每齿进给量；切平面与yoz面角度误差的影响因素的影响程度：铣削振动>每齿进给量>刀齿误差>铣刀主轴转速。

为了获取各个影响因素对加工表面误差的影响程度，对加工误差分布响应面模型进行显著性分析，从而获取铣刀主轴转速、刀齿误差、每齿进给量以及铣削振动的影响显著性水平。如果自身变化引起的加工表面误差变化大于其随机误差引起的变化，那么认为该影响因素对加工表面误差影响明显，则加工表面位置误差变化的影响显著项水平(P)如图14所示。

如图14所示，按照P值观察，将加工表面位置误差影响的显著程度由大到小排列为：

n＞a＞M＞n×a＞f_z×a＞n×f_z＞f_z (9)

式中，n×a为主轴转速与铣削振动的交互作用；f_z×a为每齿进给量与铣削振动的交互作用；n×f_z为每齿进给量与主轴转速的交互作用。

在加工表面位置误差变化特性设计变量中，铣刀主轴转速、刀齿误差以及铣削振动的影响概率水平小于0.01，为高度影响；每齿进给量影响程度相对较弱，但对加工表面位置误差影响仍小于0.05，影响显著。在各变量交互作用中，主轴转速与铣削振动的交互作用影响最为显著，每齿进给量与铣削振动次之，主轴转速与每齿进给量影响较弱，但仍影响显著，其他交互作用显著项概率水平均大于0.05，表明其交互作用较弱或不存在交互作用，对加工表面位置误差变化特性产生的影响不显著。

加工表面形状误差中的切平面与xoz面角度误差变化特性影响因素显著项的概率水平值如图15所示。

由图15可知，加工表面形状误差中的切平面与xoz面角度误差分布特性的设计变量中，其影响的显著程度由大到小排序为：

f_z＞f_z×a＞n×a＞n＞M＞M×a＞a＞f_z×M＞n×M (10)

式中，M×a为刀齿误差与铣削振动的交互作用；f_z×M为每齿进给量与刀齿误差的交互作用；n×M为主轴转速与刀齿误差的交互作用。

在切平面与xoz面角度误差分布特性的影响因素中，铣削振动、每齿进给量与主轴转速以及与每齿进给量交互作用影响显著项概率水平小于0.01，影响显著；在其它影响因素显著项中，铣刀刀齿误差与主轴转速影响程度较高，铣削振动的显著影响程度相对较低。在各项影响因素的交互作用中，刀齿误差与其他三项影响因素的交互作用也较显著，这表明切平面与xoz面角度误差分布特性主要受铣削振动与刀齿误差与其他变量的交互作用影响。其他影响因素间的交互作用影响较弱或不存在交互作用。

加工表面形状误差中的切平面与yoz面角度误差影响因素显著项的概率水平值如图16所示。

由图16可知，加工表面形状误差中的切平面与yoz面角度误差的影响因素中，影响因素的影响显著程度由大到小排列为：

M＞f_z＞n×a＞n＞a＞f_z×M (11)

每齿进给量与刀齿误差对切平面与yoz面角度误差的影响概率水平小于0.01，影响程度显著；其他影响因素显著项中，铣刀主轴转速及其刀齿误差的交互作用影响较为显著，每齿进给量与刀齿误差的交互作用也较为显著。其他影响因素及交互作用影响程度不显著或不存在交互作用。

S3、立铣刀铣削侧立面加工误差一致性的设计模型：

由于新工艺方案与已有方案相比较加工表面误差分布特性有了明显改善，所以使用实验方案中的铣削参数进行铣削仿真实验，提取加工表面特征点拟合加工曲面结果如图17所示。

通过铣削侧立面加工误差一致性的设计目标和铣削加工误差位置点误差解算方法对仿真结果进行解算，根据振动信号特征，按照一样的方法把实验方案分为5个切削时段，并分别构建对应表面的加工表面方程，然后验证加工表面方程拟合程度符合预期结果后，最后进行加工表面误差解算，实验加工表面误差分布曲线如图18-图20所示。

如图18-图20所示，新工艺方案加工表面的误差与仿真误差曲线相比有一定程度的相似，这初步表明了仿真结果的准确与可靠性。但仍然需要对比验证新工艺方案与旧实验方案的误差结果。

通过对新工艺方案的实验结果与仿真模型进行验证，得到加工表面误差评价指标对比如表4所示，评价指标的相对误差如表5所示。

表4解算模型的准确性评价指标对比

表5解算模型的准确性评价指标的相对误差

如表4、表5所示，实验方案的加工表面误差评价指标数据中，相对误差最大为19.85％，最小为1.28％，这都低于20％，充分说明仿真模型与实验值的加工表面误差平均值的相对误差较小，仿真误差值与实验误差值在数值大小十分相近，说明这在数值上验证了仿真方法的可靠性与准确性。

表6新方案的仿真与实验加工误差关联度

通过加工表面误差特征点提取方法构建实验方案的铣削加工误差特征序列，利用灰色关联分析方法解算新工艺方案仿真与实验的误差的关联度情况如表6所示。加工误差关联度都大于0.8，这表明新工艺方案的仿真表面与实验表面的误差变化相似。结合表4、表5对误差数值的验证，这说明仿真结果可以准确表征实验表面。

S4、立铣刀铣削侧立面加工误差一致性的设计流程的验证方法：

为了验证新工艺方案的加工误差分布情况，实验铣刀选用瓦尔特公司制造的整体硬质合金立铣刀(MC122-20.0A5B-WJ30TF)，五齿等齿距，直径20mm，刀长104mm，螺旋角50°；机床选用三轴铣削加工中心，工作台长1050mm，宽560mm。铣削方式为顺铣、干式铣削，铣削钛合金牌号为TC4。

在铣削加工中，切削参数的合理选择能够提高加工效率，减小生产损耗，在铣刀、加工机床、铣削工件已选定后，切削参数的选取存在一定的范围。切削效率是衡量加工生产优劣的重要指标，因此在保证铣削效率范围为300cm³/min-380cm³/min的前提下，选取铣刀转速n为1719r/min，进给速度v_f为573mm/min，切削深度a_p为10mm，切削宽度a_e为0.5mm。

并对新工艺方案进行加工误差解算模型的构建，然后对构建出的加工表面使用加工误差解算方法进行计算，仿真表面结果如图21所示，仿真表面误差计算结果如图22-图24所示。

如图22-图24所示，新工艺方案的3项加工表面误差的参数中，各个切深处的误差变化程度与旧实验方案相比比较接近，所以可以初步认为新工艺方案的加工表面一致性有所提高，但仍然需要进一步验证。

为了获取铣削振动、刀齿误差对加工误差的影响程度，通过上面构建的解算模型和加工表面误差计算结果，对新实验方案的铣削条件下仅振动作用和刀齿误差作用两种情形进行仿真和加工误差表征，结果如图25-图26所示。

通过利用铣削加工误差形成过程解算方法计算，仅刀齿误差作用下各个地方切深的误差相同，其中加工表面位置误差为0.010，两种角度误差为0，即θ₁、θ₂为0，Δy为0.008。因为铣削振动对刀工接触关系有一定程度的影响，而且对加工误差的影响需要误差解算才能揭示，所以仅振动作用下的加工表面误差点解算如图27-图29所示。

如图27-图29所示，综合作用下的加工表面误差与振动作用下的加工表面误差有明显的不同，这说明刀齿误差、每齿进给量等因素对铣削振动存在一定程度的影响，而且和综合作用下的误差相比较，三个地方的切深的误差分布曲线变化程度较为一致。

为揭示新工艺方案下的刀齿误差与铣削振动对加工表面形成过程的影响程度特性，特使用灰色关联分析方法解算以上两种单因素作用下误差分布与仿真加工表面误差分布的关联度，分析结果如表7所示。

表7加工表面误差关联度

如表7所示，仅是刀齿误差作用下的加工误差与实验误差的关联度都在0.6左右，铣削振动的关联度在0.75-0.81左右，这表明铣削振动在铣削加工误差的形成过程中起主要影响作用。

根据加工误差形成过程计算结果，对比3个地方切深的加工表面误差整体水平情况，解算新工艺方案与旧工艺方案仿真结果的差值，如表8所示。

表8新旧工艺方案的加工表面误差整体水平差值

如表8所示，新旧方案整体误差水平相差较小，通过解算各项误差的整体变动水平为：新工艺方案的位置误差较旧工艺方案降低0.13％，切平面与xoz面夹角误差提高0.09％，切平面与yoz面夹角误差提高0.05％，说明两工艺方案误差整体水平变化较小。

通过铣削侧立面加工误差一致性的设计目标，结合构建出的加工误差的单因素影响作用分析，对仿真加工表面的加工精度一致性进行解算分析，分析结果如表9所示。

表9铣削加工精度一致性分析

对比原方案与新方案仿真表面精度一致性分析结果，通过使用各个加工误差关联度的均值作为加工精度一致性的综合评判结果，如图30所示。

如图30所示，新方案加工表面一致性结果与旧方案相比有明显的提高。因为关联度小于0.5为不关联，因此在计算关联程度提高时，不关联情况不考虑在内。经计算，加工表面位置误差分布一致性提高了11.96％，切平面与xoz面夹角误差分布一致性提高了11.5％，切平面与yoz面夹角误差分布一致性提高了17.48％。

新工艺方案与原工艺方案相比，加工表面误差整体情况在保持原有水平的同时，加工表面精度一致性水平得到有效提高，综上所述，新的铣削侧立面加工误差一致性的设计模型能够使加工表面精度在整体程度保持原有水平的同时，还可以提高加工表面精度的一致性和可靠性。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.一种铣削加工表面精度分布一致性的工艺设计与验证方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

S1、立铣刀铣削侧立面加工误差一致性的设计目标：

提出立铣刀铣削侧立面加工误差一致性的设计目标，并利用设计目标对加工表面精度一致性进行评判；

其中所述加工表面形成时，所述加工表面误差受各个因素的影响程度存在差异，所述加工表面精度一致性是加工表面精度沿进给速度方向和切深方向的分布呈现的变化特性，为了评判加工表面精度一致性，提出立铣刀铣削侧立面加工误差一致性的设计目标，根据多个影响因素汇总得到变量集合为Q＝{n，f_z，a_p，a_e，M，a，d,l,β，θ，Δy}，式中n为主轴转速；f_z为每齿进给量；a_p为铣削深度；a_e为铣削宽度；M为铣削振动；a为刀齿误差分布；d为铣刀直径；l为刀刃长度；β为螺旋角；θ为角度误差；Δy为位置误差；

所述位置误差计算公式为：Δy＝y_g-y_g(0)；

S2、立铣刀铣削侧立面加工误差一致性的设计变量识别分析方法：

对所述加工表面精度的设计变量进行重新设计规划，给出立铣刀铣削侧立面加工误差一致性的设计变量识别分析方法，分析影响因素的影响程度以及其存在的交互作用，从而控制设计变量；

其中具体包括以下步骤：

S201、主要设计变量识别方法；

在铣削加工过程中存在多种设计变量影响甚至交互作用的情况，考虑各个设计变量对加工误差一致性的影响，对各个变量进行识别及分析，选取加工表面误差主要设计变量为铣刀主轴转速、每齿进给量、切削深度以及切削宽度、刀齿误差分布、铣削振动、铣刀直径、刀刃长度和螺旋角，为了识别出对加工表面有直接影响的设计变量，对以上设计变量进行单因素方差分析，单因素方差实验中得到F值为两个设计变量均方的比值，Fcrit为F值相应显著水平下的临界值，F值大于Fcrit，则表明影响显著；P-value为相应F值的置信概率，通常小于0.05为二者存在显著影响，小于0.001为高度显著影响；根据方差值分析，对各设计变量的影响程度由大到小排序，铣削振动>刀齿误差>每齿进给量>切削宽度>切削深度>铣刀主轴转速>铣刀直径>刀刃长度>螺旋角，其中铣刀直径、刀刃长度、螺旋角影响因素对加工表面精度的一致性的影响程度小，因此确定设计变量为主轴转速、每齿进给量、铣削深度、铣削宽度、铣削振动和刀齿误差分布；

S202、设计变量影响程度的识别方法；

首先对设计变量n、f_z、a_p、a_e、M、a分别进行表面形貌仿真，然后通过误差计算方法解算得到位置误差的误差平均值

误差最大值M_amax；误差最小值M_amin；然后通过上诉提出的评判方法评判各个设计变量的一致性程度；

S203、设计变量耦合作用的识别方法；

各个设计变量存在耦合作用，先进行响应面分析，然后对响应面模型进行响应面显著性分析，得到影响因素之间存在交互作用，最后进行多因素方差分析，得到影响因素间的耦合作用，再进行响应面分析前提出中心实验设计方案，然后根据中心试验设计方案和之前设计变量的仿真结果构建响应面模型，因此，为解析加工表面误差对铣削工艺设计变量的响应特性，构建二阶表达式

式中，y₀为初始待定值，p_i为x_i的影响系数，p_ij为x_i和x_j交互作用影响系数，Q为拟合误差及噪声影响，在此模型中服从正态分布；

S3、立铣刀铣削侧立面加工误差一致性的设计模型：

通过设计目标及设计变量，对已有的工艺设计方法进行优化，提出新的立铣刀铣削侧立面加工误差一致性的设计模型；

所述立铣刀铣削侧立面加工误差一致性的设计模型从提高加工精度一致性出发，从研究铣刀特征参数入手，通过铣削加工工艺方法及机床来研究铣刀的特征参数，得到各个影响因素，然后将各个影响因素进行表面形貌仿真得到加工表面误差和角度误差，分别从进给速度方向和切削深度方向对其进行加工表面误差解算，通过铣削侧立面加工误差一致性的设计目标对解算结果进行加工表面精度整体水平和一致性程度进行评判，如果评判不合格，则通过加工表面精度整体水平影响因素辨识再对各个设计变量调整规划，提出新的加工精度一致性工艺方案，重新对其解算；如果评判合格，则进行铣削实验验证，如果实验验证了加工精度一致性水平提高，则说明该工艺设计方案的一致性和可行性，如果实验验证没有通过，则重新设计实验方案进行评判；

S4、立铣刀铣削侧立面加工误差一致性的设计流程的验证方法：

提出立铣刀铣削侧立面加工误差一致性的设计流程的验证方法，所述验证方法，主要通过将新工艺方案分别和旧工艺方案、实验方案进行对比验证铣削侧立面加工误差一致性的设计模型的加工精度一致性；首先分别按照铣削侧立面加工误差一致性的设计目标分别从新工艺方案、旧工艺方案和实验方案中的实际加工表面和设计基准表面沿着进给速度方向和切削深度方向按照1/2铣刀半径的间距取n_xi和n_γi个点，采用误差计算方法分别计算这些点对应进给速度方向和切削深度方向的加工表面误差分布曲线，按照评判方法分析加工表面特征点位置误差和角度误差的平均值

最大值M_amax和最小值M_amin，然后新工艺方案和旧工艺方案进行灰色关联度分析计算，按照评判标准评判其一致性的好坏，并且按照评判标准将新工艺方案和旧工艺方案进行对比，如果新工艺方案的关联度都比旧工艺方案的关联度高时，则说明新工艺方案一致性程度高，而新工艺方案和实验方案通过比较误差最大值和最小值与平均值的接近程度，如果新工艺方案比实验方案误差最大值和最小值更接近于误差平均值，则说明新工艺方案的精度高，误差小，从而验证了设计模型的加工精度和一致性水平。

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