一种螺旋立铣刀正交车铣加工三维稳定性建模方法技术

本发明专利技术公开了一种螺旋立铣刀正交车铣加工三维稳定性建模方法，包括以下步骤：(1)将机床-刀具-工件系统简化为质块-弹簧-阻尼器连接的振动系统，建立坐标系xFyFzF，建立振动系统动力学方程；(2)利用锤击法模态试验分别得到振动系统分别在xF，yF，zF每个方向的频响函数，辨识出振动系统的模态质量、刚度和阻尼，计算振动系统的惯性力、弹簧力、阻尼力；(3)计算螺旋立铣刀的动态切削力；(4)求解振动系统动力学方程得到振动系统的稳定性叶瓣图。本发明专利技术考虑了螺旋立铣刀圆周刃和底刃三维动态切削力，同时考虑了刀具端与工件端的动态特性，使得稳定性建模方法更加准确。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于数控机床加工参数优化方法领域，更具体地，涉及一种螺旋立铣刀正交车铣加工三维稳定性建模方法。
技术介绍
随着装备制造业的不断发展，机床以及主轴性能的不断提升，高速加工在制造业中的应用越来越广泛，特别是在航空制造领域。在高速切削过程中，为了提高加工效率而尽量增大材料去除率，这样同时也带来了加工过程中不稳定的危险。这种不稳定即颤振的发生将会直接导致差的表面质量并且加速刀具、主轴以及机床部件的磨损。避免不稳定现象发生的最有效方法之一是借助稳定性叶瓣图来确定稳定切削参数。稳定性叶瓣图是主轴转速和切深的函数，对螺旋立铣刀正交车铣加工系统进行加工动力学分析，得到系统的动力学方程，求解该动力学方程即可得到稳定性叶瓣图。利用稳定性叶瓣图可以得到优化加工参数，提高加工效率。由于正交车铣的瞬时切削深度和切削厚度，沿刀具轴线方向和回转方向总是变化的，具有变切深、变切厚的特点，应用于普通铣削的稳定性边界预测不一定适用于正交车铣复合加工，因此需要重新建立针对正交车铣复合加工的稳定性预报模型。由于Altintas在铣削过程中发现了球头铣刀、牛鼻铣刀或斜切削刃铣刀铣削工件时，在刀具和工件接触区会产生不均匀的切削厚度分布，从而在每个方向上产生切削力。螺旋立铣刀在正交车铣加工中底刃和圆周刃同时参与切削，所以系统将受到底刃切削和圆周刃切削引起的三个方向的切削力之和，针对螺旋立铣刀正交车铣加工过程可以建立一个三维稳定性模型，从而能够更准确的实现稳定性预报。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种螺旋立铣刀正交车铣加工三维稳定性建模方法，考虑了刀具端和工件端的柔性，同时结合正交车铣加工的变切深变切厚特点，从而获得更准确的稳定性叶瓣图。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种螺旋立铣刀正交车铣加工三维稳定性建模方法，包括以下步骤：(1)将机床-刀具-工件系统简化为质块-弹簧-阻尼器连接的振动系统，建立坐标系xFyFzF，取刀具轴线远离工件的方向为+zF方向，与工件轴线平行且水平向右的方向为+xF方向，由右手螺旋法则得到+yF方向，建立振动系统动力学方程；(2)利用锤击法模态试验分别得到振动系统分别在xF，yF，zF每个方向的频响函数，由频响函数辨识出振动系统的模态质量、刚度和阻尼，计算振动系统在xF，yF，zF每个方向上的惯性力、弹簧力、阻尼力；(3)计算振动系统在xF，yF，zF每个方向上的动态切削力；(4)利用时域法求解振动系统动力学方程，得到振动系统的稳定性叶瓣图。优选地，步骤(1)中，振动系统的动力学方程为 M x · · y · · z · · + C x · y · z · + K x y z = a 11 a 12 a 13 a 21 a 22 a 23 a 31 a 32 a 33 x ( t ) 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种螺旋立铣刀正交车铣加工三维稳定性建模方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)将机床‑刀具‑工件系统简化为质块‑弹簧‑阻尼器连接的振动系统，建立坐标系xFyFzF，取刀具轴线远离工件的方向为+zF方向，与工件轴线平行且水平向右的方向为+xF方向，由右手螺旋法则得到+yF方向，建立振动系统动力学方程；(2)利用锤击法模态试验分别得到振动系统分别在xF，yF，zF每个方向的频响函数，由频响函数辨识出振动系统的模态质量、刚度和阻尼，计算振动系统在xF，yF，zF每个方向上的惯性力、弹簧力、阻尼力；(3)计算振动系统在xF，yF，zF每个方向上的动态切削力；(4)利用时域法求解振动系统动力学方程，得到振动系统的稳定性叶瓣图。

【技术特征摘要】
1.一种螺旋立铣刀正交车铣加工三维稳定性建模方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将机床-刀具-工件系统简化为质块-弹簧-阻尼器连接的振动系统，建立坐标系xFyFzF，取刀具轴线远离工件的方向为+zF方向，与工件轴线平行且水平向右的方向为+xF方向，由右手螺旋法则得到+yF方向，建立振动系统动力学方程；
(2)利用锤击法模态试验分别得到振动系统分别在xF，yF，zF每个方向的频响函数，由频响函数辨识出振动系统的模态质量、刚度和阻尼，计算振动系统在xF，yF，zF每个方向上的惯性力、弹簧力、阻尼力；
(3)计算振动系统在xF，yF，zF每个方向上的动态切削力；
(4)利用时域法求解振动系统动力学方程，得到振动系统的稳定性叶瓣图。
2.根据权利要求1所述的一种螺旋立铣刀正交车铣加工三维稳定性建模方法，其特征在于：步骤(1)中，振动系统的动力学方程为
其中，
x，y，z分别为振动系统在+xF，+yF，+zF每个方向的振动位移， 分别为振动位移x，y，z的一阶导数，分别为振动位移x，y，z的二阶导数；
质量矩阵其中mx，my和mz为振动系统的模态质量；
阻尼矩阵其中cx，cy和cz为振动系统的阻尼；
刚度矩阵其中kx，ky和kz为振动系统的刚度；
x(t)，y(t)，z(t)分别为当前时刻t振动系统沿xF，yF，zF方向的动态位移，x(t-T)，y(t-T)，z(t-T)分别为前一刀齿周期t-T振动系统沿xF，yF，zF方向的动态位移；
a11、a12、a13、a21、a22、a23、a31、a32、a33为总切削力矩阵系数。
3.根据权利要求1所述的一种螺旋立铣刀正交车铣加工三维稳定性建模方法，其特征在于：步骤(2)中振动系统的模态质量、刚度和阻尼的辨识步骤如下：
(3.1)进行锤击法模态试验得到刀尖点频响函数Gxx、Gtyy和工件端频响函数Gwyy、Gzz；所述刀尖点频响函数Gxx、Gtyy通过对机床刀尖点进行锤击法模态试验得到，工件端频响函数Gwyy、Gzz通过对工件进行锤击法模态试验得到；
(3.2)将刀尖点频响函数Gtyy和工件端频响函数Gwyy在频域叠加得到振动系统在yF方向的频响函数Gyy；
(3.3)通过PolyMAX方法对频响函数Gxx、Gyy、Gzz进行拟合得到振动系统的有阻尼固有频率wdx、wdy、wdz，阻尼比ξx、ξy、ξz以及留数Arx、Ary、Arz；
(3.4)通过得到振动系统的模态质量mx，my和mz，其中wdi为i方向有阻尼固有频率，Ari为i方向留数，i＝x，y，z；通过ki＝miwni2得到振动系统的刚度kx，ky和kz，其中wni为振动系统的固 有频率，ξi为i方向阻尼比，i＝x，y，z；通过ci＝2ξiwni得到振动系统的阻尼cx，cy，cz，其中ξi为i方向阻尼比，wni为振动系统的固有频率，i＝x，y，z。
4.根据权利要求2所述的一种螺旋立铣刀正交车铣加工三维稳定性建模方法，其特征在于：其中a11_p、a12_p、a13_p、a21_p、a22_p、a23_p、a31_p、a32_p、a33_p为圆周刃切削力矩阵系数，a11_e、a12_e、a13_e、a21_e、a22_e、a23_e、a31_e、a32_e、a33_e为底刃切削力矩阵系数。
5.根据权利要求2所述的一种螺旋立铣刀正交车铣加工三维稳定性建模方法，其特征在于：其中Fx，Fy，Fz分别为振动系统受到的xF，yF，zF方向的动态切削力，其由螺旋立铣刀圆周刃的动态切削力和底刃的动态切削力相加得到，即其中Fx_p，Fy_p，Fz_p分别为螺旋立铣刀圆周刃受到的xF，yF，zF方向的动态切削力，Fx_e，Fy_e，Fz_e分别螺旋立铣刀底刃受到的xF，yF，zF方向的动态切削力。
6.根据权利要求5所述的一种螺旋立铣刀正交车铣加工三维稳定性建模方法，其特征在于：圆周刃动态切削力Fx_p，Fy_p，Fz_p计算如下：
(a)将螺旋立铣刀圆周刃沿轴向划分n个微元，微元切深为dz，圆周刃微元切向切削力dFt_p、径向切削力dFr_p、轴向切削力dFa_p满足以下条件：
其中Kt_p，Kr_p，Ka_p分别为圆周刃切向切削力系数、径向切削力系数和轴向切削力系数，三者由螺旋立铣刀侧铣加工实验基于机械力学模型标定得到；为圆周刃的第j个刀齿的第i个微元的径向接触角，dz为圆周刃微元切深，为第j个刀齿的第i个微元切削厚度，为判定圆周刃第j个刀齿的第i个微元是否参与切削的单位阶跃函数；
其中为螺旋刃j底部端点的径向接触角，zi为第i个微元的zF向坐标，nT为刀具转速，β为刀具螺旋角，r为铣刀半径，N为刀齿数；
其中为圆周刃切入角， 为圆周刃切出角；螺旋立铣刀圆周刃切入角和切出角的计算分为两种情况：
当时,其中r为螺旋立铣刀半径，R为工件半径，ap为切深；建立局部坐标系xF′yF′zF′，其中轴...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫蓉，彭芳瑜，龚艳红，唐小卫，李鑫，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42