一种铣削工艺参数优化方法技术

本发明专利技术提出了一种铣削工艺参数优化方法，属于切削加工工艺领域。该方法考虑加工设备动态行为与高速铣削过程耦合作用，以随机床主轴转速变化的铣削极限切削深度最大和单个零件加工工时最短为优化目标，建立基于切削稳定性和生产率的铣削工艺参数优化模型，并求取切削状态稳定情况下生产率最大时的铣削工艺参数组合方案作为优选的铣削工艺参数。本发明专利技术能够最大限度地提高铣削时的切削深度，减少走刀次数，获得最大生产率，同时保证切削稳定性，避免颤振；此外，本发明专利技术能够应用于高速铣削过程，完善了目前高速铣削过程不考虑加工设备动态行为与铣削工艺参数交互作用的缺陷，能够获取更优的高速铣削工艺参数。

【技术实现步骤摘要】
一种铣削工艺参数优化方法
本专利技术属于切削加工工艺领域，涉及一种工艺参数优化方法。
技术介绍
在金属切削过程中，当切削深度超过某一数值时，加工设备会发生颤振。颤振使加工表面产生波纹，使切削力发生剧烈变化，颤振会严重制约切削加工的效率，影响零件的加工精度、机床主轴和刀具的使用寿命。切削稳定性图提供了无颤振切削的切削速度及相应的极限切削深度，在目前的铣削工艺参数优化研究中，主要存在的问题是：1)未考虑切削稳定性影响因素，2)将切削稳定性图作为一个在切削过程中不会发生变化的约束条件引入优化模型。在高速切削过程中，由于加工设备与切削过程之间交互产生的附加作用，加工设备动态行为与切削参数互相影响，切削稳定性图通常会随着切削参数的改变而发生变化。将切削稳定性图简化为定值的约束条件或不考虑切削稳定性进行铣削工艺参数优化的方法，难以获得最优的铣削工艺参数。随着高速电主轴及新材料刀具的发展，高速切削加工在工业各部门特别是航空航天、汽车工业和模具加工等行业获得了十分广泛的应用，传统的切削参数优化方法已不能满足高速切削加工的需要。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能够考虑加工设备动态行为与高速铣削过程耦合作用获取最优的铣削工艺参数的方法。为了达到上述目的，本专利技术的解决方案是：一种铣削工艺参数优化方法，考虑加工设备动态行为与切削参数交互影响特性，以随机床主轴转速变化的铣削极限切削深度最大和单个零件加工工时最短为目标，建立基于切削稳定性和生产率的铣削工艺参数优化模型，求取切削状态稳定情况下生产率最大时的铣削工艺参数组合方案；所述铣削工艺参数优化模型满足以下关系：DATA[maxF(X)Ci(X)≤0(i=1,...,n)]]>其中，X为优化变量；F(X)为优化的目标函数，体现切削稳定性和生产率，包含随机床主轴转速变化的最大极限切削深度和单个零件加工工时；Ci(X)≤0为约束条件；n为大于0的整数，表示约束条件的个数。所述目标函数，满足以下关系：其中，w1和w2均是权重系数，表示两个优化目标之间的相对重要程度；alim为最大极限切削深度；Tpt为所述单个零件加工工时。所述随机床主轴转速变化的最大极限切削深度满足如下关系：其中，alim为最大极限切削深度；Kf为切削力系数，大小取决于被加工材料的性质；H(jω)是刀尖频率响应函数；Re{H(jω)}、Im{H(jω)}分别为刀尖点频响函数的实部和虚部，j为虚数，ω为圆频率；k为工件表面产生振动波纹的整数个数；ε为当前刀齿与前一刀齿振痕之间的相位移；fc为颤振频率；N为机床主轴转速；T为刀齿切削周期；Z为刀具齿数；Ψ为频响函数的相位移；A、B、C、D'为待定矩阵，通过子空间辨识法求出；I为单位矩阵。所述单个零件加工工时满足以下关系：其中，Tpt为单个零件加工工时；TA为加工辅助时间；Ta为调整时间；Td为更换一次刀具所需时间，Np为铣削整个切削深度所需走刀次数，D为铣刀直径，Vi为第i次走刀的铣削速度，L为铣削长度，fzi为第i次走刀的每齿进给量，Z为刀具齿数，ai为第i次走刀的切削深度，ar为切削宽度，Bm、Bh、Bp、Bt为校正系数，bv、m、ev、uv、rv、nv、qv为指数，Cv为工艺常数，λs为刃倾角。所述优化变量为：X＝(V,fz,a)T其中，V为铣削速度，fz为每齿进给量，a为切削深度。所述约束条件包括：铣削速度满足机床主轴转速的约束，即满足如下关系：其中，V为铣削速度；Nmax、Nmin分别为机床允许的最大主轴转速和最小主轴转速；D为铣刀直径。所述约束条件包括：每齿进给量在机床允许的范围之内，即满足如下关系：其中，fz为每齿进给量；fmax、fmin分别为机床允许的最大进给速度和最小进给速度；Z为刀具齿数；Nmax、Nmin分别为机床允许的最大主轴转速和最小主轴转速。所述约束条件包括：切削深度位于工件要求范围之内，且小于等于最大极限切削深度；即满足如下关系：C5(X)＝a-at≤0C6(X)＝amin-a≤0C7(X)＝a-alim≤0其中，a为切削深度，amin为工件允许的最小切削深度，at为工件允许的最大切削深度，alim为最大极限切削深度。所述约束条件包括：铣削力小于等于安全铣削力，即满足如下关系：其中，Fc为铣削力；Fs为安全铣削力；Czp为常数；ar为切削宽度；Z是刀具齿数；a是切削深度；fz为每齿进给量；bz、ez、uz是指数；kb为主轴许用弯曲强度；da为主轴直径；La为主轴位于两支撑之间的长度；kt为主轴许用扭曲强度；D为铣刀直径。所述约束条件包括：铣削功率小于等于最大铣削功率，即满足如下关系：其中，Fc为铣削力；V为铣削速度；Pm为机床额定功率；η为功率系数。由于采用上述方案，本专利技术的有益效果是：本专利技术的铣削工艺参数优化方法能够最大限度地提高铣削时的切削深度，减少走刀次数，获得最大生产率，同时保证切削稳定性，避免颤振，保证加工质量。该方法比传统的切削参数优化方法更适用于高速铣削加工，完善了目前高速铣削过程不考虑加工设备动态行为与切削参数交互影响特性的缺陷，能够获取更优的高速铣削工艺参数。附图说明图1是本专利技术实施例中铣削工艺参数优化方法的流程图；图2是本专利技术实施例中主轴转速为21546.78转每分钟时的切削稳定性图。具体实施方式以下结合附图所示实施例对本专利技术作进一步的说明。本专利技术针对现有技术的不足，提出了一种面向航空航天、汽车和模具等领域，基于切削稳定性并适用于高速铣削过程的铣削工艺参数优化方法，该方法首先建立高速铣削工艺参数优化模型，然后根据人工蜂群算法，对所建立的优化模型进行计算，得到无颤振状态(即切削稳定状态)下可获得最大生产率的最优铣削工艺参本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铣削工艺参数优化方法，其特征在于：考虑加工设备动态行为与切削参数交互影响特性，以随机床主轴转速变化的铣削极限切削深度最大和单个零件加工工时最短为优化目标，建立基于切削稳定性和生产率的铣削工艺参数优化模型，求取切削状态稳定情况下生产率最大时的铣削工艺参数组合方案；所述铣削工艺参数优化模型满足以下关系：maxF(X)Ci(X)≤0,(i=1,...,n)]]>其中，X为优化变量；F(X)为优化的目标函数，体现加工设备动态行为与铣削工艺参数交互影响特性，包含随机床主轴转速变化的最大极限切削深度和单个零件加工工时；Ci(X)≤0为约束条件；n为大于0的整数，表示约束条件的个数。

【技术特征摘要】
1.一种铣削工艺参数优化方法，其特征在于：考虑加工设备动态行为与切削参数交互影响特性，以随机床主轴转速变化的铣削极限切削深度最大和单个零件加工工时最短为优化目标，建立基于切削稳定性和生产率的铣削工艺参数优化模型，求取切削状态稳定情况下生产率最大时的铣削工艺参数组合方案；所述铣削工艺参数优化模型满足以下关系：其中，X为优化变量；F(X)为优化的目标函数，体现加工设备动态行为与铣削工艺参数交互影响特性，包含随机床主轴转速变化的最大极限切削深度和单个零件加工工时；Ci(X)≤0为约束条件；n为大于0的整数，表示约束条件的个数；所述目标函数满足以下关系：其中，w1和w2均是权重系数，表示两个优化目标之间的相对重要程度；alim为最大极限切削深度；Tpt为所述单个零件加工工时；所述随机床主轴转速变化的最大极限切削深度满足如下关系：其中，alim为最大极限切削深度；Kf为切削力系数，大小取决于被加工材料的性质；H(jω)是刀尖频率响应函数；Re{H(jω)}、Im{H(jω)}分别为刀尖频率响应函数的实部和虚部，j为虚数，ω为圆频率；k为工件表面产生振动波纹的整数个数；ε为当前刀齿与前一刀齿振痕之间的相位移；fc为颤振频率；N为机床主轴转速；T为刀齿切削周期；Z为刀具齿数；ψ为刀尖频率响应函数的相位移；A、B、C、D'为待定矩阵，通过子空间辨识法求出；I为单位矩阵；所述单个零件加工工时满足以下关系：其中，Tpt为单个零件加工工时；TA为加工辅助时间；Ta为调整时间；Td为更换一次刀具所需时间，Np为铣削整个切削深度所需走刀次数，D为铣刀直径，Vi为第i次走刀的铣削速度，L为铣削长度，fzi为第i次走刀的每齿进给量，Z为...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘雪梅，张正旺，李爱平，徐立云，谭顺利，鲍进，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31