薄壁曲面稳定铣削的极限轴向切深判定方法技术

本发明专利技术薄壁曲面稳定铣削的极限轴向切深判定方法属于薄壁曲面铣削加工技术领域，涉及一种薄壁曲面稳定铣削的极限轴向切深判定方法。该判定方法首先根据薄壁曲面铣削加工工艺参数建立瞬时切削面积计算模型，并求解切削力系数；然后，对不同轴向切深条件下的薄壁曲面零件刚度进行求解，建立轴向切深与薄壁曲面零件刚度间的关联模型；并结合经典稳定域求解公式，获得稳定轴向切深与实际轴向切深间对应关系；最后，求解虑及加工中薄壁件刚度变化的稳定铣削极限轴向切深。该方法适用于各类薄壁件稳定铣削极限轴向切深判定，应用范围广，在保证加工质量的同时，最大限度的提高加工效率，具有较高的实用价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于薄壁曲面铣削加工
，涉及一种薄壁曲面稳定铣削的极限轴向切深判定方法。
技术介绍
薄壁曲面零件广泛应用于航空航天领域，鉴于结构复杂、尺寸大、横截面积小、材料去除量大，加工过程中工艺系统模态具有时变性，易诱发复杂的加工振动。同时，鉴于薄壁曲面零件自身刚度低，铣削加工中时变铣削力容易引起切削颤振现象，成为引发加工不稳定的重要原因。加工工艺参数是影响复杂曲面铣削力的关键因素，工艺参数选取不当将引发严重的切削振动，影响薄壁曲面加工质量，难以满足薄壁曲面零件高质高效加工需求。因此，合理选择薄壁曲面零件加工工艺参数，在保证切削稳定性的前提下提高加工效率至关重要。万敏等人专利公告号CN101653841的“铣削过程稳定域判定方法”，该专利基于刀具离散化思想，根据刀具单元铣削瞬态对应的延时量建立当前时间段与前一时间段的显式表达式，进而得到反映每一延时量和每一时间段影响的转换矩阵，最后求解转换矩阵特征值，以特征值的模小于1作为工艺系统渐近稳定的条件。该方法仅适用于忽略刚度变化的非薄壁件加工过程，难以实现对薄壁曲面稳定铣削的极限轴向切深判定。Janez等人的文献“On stability prediction for milling”，International Journal of Machine Tools&Manufacture，2005，45，769-781，该文章研究了不同径向切深条件下铣削稳定域的变化情况，基于霍夫分叉原理研究了刀具振动随径向切深和主轴转速的变化情况。该方法仅适用于非薄壁件加工中不同加工参数对加工振动的预测，未涉及薄壁曲面零件加工中振动及切削过程中由于工件刚度变化引起的稳定切深改变等。综上，已有研究主要针对非薄壁件开展加工稳定性研究，而对于加工过程中薄壁曲面零件刚度变化的工艺稳定性研究相对较少。若忽略薄壁曲面零件切削过程中刚度的变化而直接进行稳定切深判定，势必牺牲加工效率，因此亟需一种新的薄壁曲面稳定铣削的极限轴向切深判定方法。
技术实现思路
本专利技术针对薄壁曲面铣削极限轴向切深求解过程中忽略刚度变化而引起的加工效率损失问题，专利技术了一种基于薄壁曲面零件刚度变化的稳定铣削极限轴向切深判定方法。该方法基于薄壁件切削过程中的刚度变化规律，结合切削稳定域求解策略，以稳定轴向切深与实际轴向切深间的关系为切入点，在保证加工质量的同时，最大限度的提高加工效率，从而实现了对薄壁曲面零件稳定加工及加工效率最大化的双重保障。本专利技术的技术方案是一种薄壁曲面稳定铣削的极限轴向切深判定方法，其特征在于，该判定方法首先根据薄壁曲面铣削加工工艺参数建立瞬时切削面积计算模型，并求解切削力系数；然后，对不同轴向切深条件下的薄壁曲面零件刚度进行求解，建立轴向切深与薄壁曲面零件刚度间的关联模型；并结合经典稳定域求解公式，获得稳定轴向切深与实际轴向切深间对应关系；最后求解虑及加工中薄壁件刚度变化的稳定铣削极限轴向切深；方法的具体步骤如下：1)瞬时切削面积及切削力系数求解瞬时切削面积的求解是获得切削力系数的前提，利用微分几何方法求得不同曲率半径薄壁件切削过程中对应的瞬时切削面积，在刀具坐标系x-o-y中，曲线1方程为： x = - r s i n Ω t - f · t 60 y = - r c o s Ω t Ω = 2 π n 60 = π n 30 r a d - - - ( 1 ) ]]>其中，r为铣刀半径，Ω为铣刀旋转角速度，f为刀具进给速度，n为主轴转速，相邻两刀齿切削时间间隔为t＝15/n(s)，整理得： x = - r 2 - y 2 - f 2 π n arccos ( - y r ) - - - ( 2 ) ]]>相邻两切削刃切削过程中，刀具走过的距离为因此，曲线2的方程为： x = - r s i n Ω t 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种薄壁曲面稳定铣削的极限轴向切深判定方法，其特征在于，该判定方法首先根据薄壁曲面铣削加工工艺参数建立瞬时切削面积计算模型，并求解切削力系数；然后，对不同轴向切深条件下的薄壁曲面零件刚度进行求解，建立轴向切深与薄壁曲面零件刚度间的关联模型；并结合经典稳定域求解公式，获得稳定轴向切深与实际轴向切深间对应关系；最后，求解虑及加工中薄壁件刚度变化的稳定铣削极限轴向切深；判定方法的具体步骤如下：1)瞬时切削面积及切削力系数求解瞬时切削面积的求解是获得切削力系数的前提，利用微分几何方法求得不同曲率半径薄壁件切削过程中对应的瞬时切削面积，在刀具坐标系x‑o‑y中，曲线1方程为：x=-r sinΩt-f·t60y=-r cosΩtΩ=2πn60=πn30rad---(1)]]>其中，r为铣刀半径，Ω为铣刀旋转角速度，f为刀具进给速度，n为主轴转速，相邻两刀齿切削时间间隔为t＝15/n(s)，整理得：x=-r2-y2-f2πnarccos(-yr)---(2)]]>相邻两切削刃切削过程中，刀具走过的距离为因此，曲线2的方程为：x=-r sinΩt-f·t60-f4ny=-r cosΩtΩ=2πn60=πn30rad---(3)]]>整理得：x=-r2-y2-f2πnarccos(-yr)-f4n---(4)]]>曲线3方程：x2+(y+R+r)2＝(R+ae)2 (5)其中，R为薄壁曲面零件曲率半径，ae为径向切削深度，整理得：x=-(R+ae)2-(y+R+r)2---(6)]]>通过式(4)和式(6)求得交点P1(x1,y1)，联立式(2)和式(6)求得交点P2(x2,y2)，P0(x0,y0)为初始切点，此时，瞬时切削面积S表示为：S=∫y0y1(x1-x2)dy+∫y1y2(x1-x3)dy=∫y0y1f4ndy+∫y1y2[(R+ae)2-(y+R+r)2-r2-y2-f2πnarccos(-yr)]dy---(7)]]>当给定加工工艺参数n、f、ae，铣刀半径r及薄壁件曲率半径R，即可求出瞬时切削面积S；令铣刀轴线的位置角为β，由几何关系得β180=t·fπ(R+r)---(8)]]>其中f表示刀具进给速度，单位为mm/min，N表示铣刀切削刃数，n为主轴转速，单位为rpm，fz表示每齿进给量，单位为mm·z‑1；由坐标变换求得切向切削力Ft及径向切削力Fr：Ft=Fxsinβ-FycosβFr=Fxcosβ+Fysinβ,0≤β≤180---(9)]]>其中，Fx和Fy分别为试验得到的x向和y向切削力，利用经典切削力系数求解公式：Ft=Kt·S·adKr=FrFt---(10)]]>式中，ad为轴向切深，即可求出径向切削力系数Kr及切向切削力系数Kt；2)建立轴向切深与薄壁曲面零件刚度间的关联模型利用ANSYS软件对不同轴向切深条件下的薄壁曲面零件进行建模并模态分析，获得对应的刚度值后进行拟合，建立轴向切深与薄壁曲面零件刚度间的关联模型：k=o1e-((ad-p1)/q1)2+o2e-((ad-p2)/q2)2+o3e-((ad-p3)/q3)2---(11)]]>式中，o1、o2、o3、p1、p2、p3、q1、q2、q3为拟合参数；3)稳定切削条件下的临界轴向切深求解结合经典稳定域求解公式，获得稳定轴向切深ap与实际轴向切深间对应关系为：ap=u1e-((ad-v1)/w1)2+u2e-((ad-v2)/w2)2+u3e-((ad-v3)/w3)2---(12)]]>式中，u1、u2、u3、v1、v2、v3、w1、w2、w3为拟合参数；在稳定轴向切深ap与实际轴向切深ad取值相同的情况下，即满足加工稳定性需求，又实现最高效率的加工，此时求解得到了虑及加工中薄壁件刚度变化的稳定铣削极限轴向切深，实现了薄壁曲面零件高质高效加工。...

【技术特征摘要】
1.一种薄壁曲面稳定铣削的极限轴向切深判定方法，其特征在于，该判定方法首先根据薄壁曲面铣削加工工艺参数建立瞬时切削面积计算模型，并求解切削力系数；然后，对不同轴向切深条件下的薄壁曲面零件刚度进行求解，建立轴向切深与薄壁曲面零件刚度间的关联模型；并结合经典稳定域求解公式，获得稳定轴向切深与实际轴向切深间对应关系；最后，求解虑及加工中薄壁件刚度变化的稳定铣削极限轴向切深；判定方法的具体步骤如下：1)瞬时切削面积及切削力系数求解瞬时切削面积的求解是获得切削力系数的前提，利用微分几何方法求得不同曲率半径薄壁件切削过程中对应的瞬时切削面积，在刀具坐标系x-o-y中，曲线1方程为： x = - r s i n Ω t - f · t 60 y = - r c o s Ω t Ω = 2 π n 60 = π n 30 r a d - - - ( 1 ) ]]>其中，r为铣刀半径，Ω为铣刀旋转角速度，f为刀具进给速度，n为主轴转速，相邻两刀齿切削时间间隔为t＝15/n(s)，整理得： x = - r 2 - y 2 - f 2 π n arccos ( - y r ) - - - ( 2 ) ]]>相邻两切削刃切削过程中，刀具走过的距离为因此，曲线2的方程为： x = - r s i n Ω t - f · t 60 - f 4 n y = - r c o s Ω t Ω = 2 π n 60 = π n 30 r a d - - - ( 3 ) ]]>整理得： x = - r 2 - y 2 - f 2 π n arccos ( - y r ) - f 4 n - - - ( 4 ) ]]>曲线3方程：x2+(y+R+r)2＝(R+ae)2 (5)其中，R为薄壁曲面零件曲率半径，ae为径向切削深度，整理得： x = - ( R + a e ) 2 - ( y + R + r ) 2 - - - ( 6 ) ]]>通过式(4)和式(6)求得交点P1(x1,y1)，联立式(2)和式(6)求得交点P2(x2,y2)，P0(x0,y0)为初始切点，此时，瞬时切削面积S表示为： S = ∫ y 0 y 1 ( x 1 - x 2 ) d y + ∫ y 1 y 2 ( x 1 - x 3 ) d y = ∫ y 0 y 1 f 4 n d y + ∫ y 1 y 2 [ ( R + a e ) 2 - ( ...

【专利技术属性】
技术研发人员：马建伟，高媛媛，贾振元，宋得宁，刘振，张鑫，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21