一种预测模具型腔数控铣削中颤振的方法技术

一种预测模具型腔数控铣削中颤振的方法，本发明专利技术涉及预测模具型腔数控铣削中颤振的方法。本发明专利技术的目的是为了解决现有单一刀具路径的铣削稳定性预测方法适用性低，导致铣削颤振预测准确度低，加快刀具失效，影响模具型腔的加工质量的问题。一种预测模具型腔数控铣削中颤振的方法具体过程为：步骤一.建立刀具‑工件系统的相对传递函数；步骤二.将步骤一获得的刀具‑工件系统的相对传递函数引入三维铣削稳定性模型中，得到铣刀铣削颤振频率处的临界轴向切削深度；步骤三、基于步骤二得到的临界轴向切削深度判断模具型腔数控铣削是否发生颤振。本发明专利技术用于模具型腔数控铣削领域。

A method for predicting chattering in NC milling of mold cavity

The invention relates to a method for predicting chatter in NC milling of die cavity, and relates to a method for predicting chatter in NC milling of die cavity. The aim of the present invention is to solve the problems of low applicability of the existing single tool path prediction method for milling stability, low accuracy of milling chatter prediction, accelerating tool failure and affecting the processing quality of die cavity. A method for predicting chatter in NC milling of die cavity is as follows: step 1. Establishing the relative transfer function of tool-workpiece system; step 2. Introducing the relative transfer function of tool-workpiece system obtained in step 1 into the three-dimensional milling stability model to obtain the critical axial cutting at the chatter frequency of milling cutter. Depth; Step 3. Based on the critical axial cutting depth obtained in Step 2, judging whether chatter occurs in NC milling of die cavity. The invention is applied to the field of numerical control milling of mold cavity.

【技术实现步骤摘要】
一种预测模具型腔数控铣削中颤振的方法
本专利技术涉及预测模具型腔数控铣削中颤振的方法。
技术介绍
复杂型腔模具广泛应用在汽车、航空航天、船舶和家电等行业，其一般要求有较高的加工精度和表面质量。通常在模具型腔中形状特征多变，具有不规则的尖角、圆角或钝角等大小角度不同的过渡连接和复杂变曲率型腔结构，计算机数控(CNC)铣削加工技术是这类工件的重要加工方式之一。目前计算机数控(CNC)铣削加工技术得到了很好的发展，具有金属切除率高、工件表面质量好和效率高等优点，但对于新产品或部件加工系统仍然需要长时间的试验来获取最佳加工工艺。根据生产阶段的加工条件，仍然存在着对加工结果未知的风险。此外，自适应加工误差控制和补偿系统尚未完全纳入通用数控系统，对于数控加工中心的操作仍依赖于工程师的经验和技术。目前数控铣削加工常用的一些商业软件(例如UG、MasterCAM、PowerMill等)可以进行数控编程，提供加工过程的仿真，但主要限于几何仿真。而模具型腔由于多样化的形状特征，当应用不同的刀具和不同的铣削参数时，其铣削过程刀具与工件接触特性实时变化，铣削力变化大，易发生颤振，导致工件加工质量恶化。颤振一直是数控加工过程中的一个难题，尤其是低刚度铣刀铣削加工高硬度的模具零件，在数控加工企业中很多时候仍然依赖于试切法来确定最佳铣削条件和合适的刀具，这导致企业增加了生产成本，降低了生产效率。尽管有大量学者进行铣削稳定性研究，提出多种铣削稳定性模型，但主要研究集中在单一刀具路径的铣削稳定域生成，实际应用局限于单一刀具轨迹仿真。对于复杂变曲率型腔模具这类铣削条件连续变化的工件而言，单一刀具路径的铣削稳定性预测方法适用性低，导致铣削颤振预测准确度低，加快刀具失效，影响模具型腔的加工质量。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有单一刀具路径的铣削稳定性预测方法适用性低，导致铣削颤振预测准确度低，加快刀具失效，影响模具型腔的加工质量的问题，而提出一种预测模具型腔数控铣削中颤振的方法。一种预测模具型腔数控铣削中颤振的方法具体过程为：步骤一.建立刀具-工件系统的相对传递函数；分别获取刀具子系统和工件子系统的传递函数Gci(jω)＝Xci(jω)/[Fci(jω)](1)Gwi(jω)＝Xwi(jω)/[Fwi(jω)](2)式中：Fci(jω)和Fwi(jω)分别为刀具子系统刀尖点和工件子系统工件表面铣削点所受的力，由于刀具和工件之间的作用力大小相等、方向相反，即Fci(jω)＝-Fwi(jω)；Xci(jω)和Xwi(jω)分别为在Fci(jω)和Fwi(jω)作用下产生的位移；i＝1，2，3分别表示遵循右手笛卡尔直角坐标系建立的直角坐标系的X方向、Y方向、Z方向；由式(1)和(2)，推导出刀具-工件系统的相对传递函数：步骤二.将步骤一获得的刀具-工件系统的相对传递函数引入三维铣削稳定性模型中，得到铣刀铣削颤振频率处的临界轴向切削深度；步骤三、基于步骤二得到的临界轴向切削深度判断模具型腔数控铣削是否发生颤振。本专利技术的有益效果为：本专利技术提出了一种用于复杂变曲率模具型腔数控铣削加工中颤振预测的方法，可以达到的效果如下：1.本专利技术可以进行复杂变曲率模具型腔铣削加工过程颤振预测，针对不同曲率变化的模具型腔，采用不同材质和直径的刀具，选用不同铣削参数(径向切深、主轴转速、轴向切深等)等情况均可进行颤振预测。2.本专利技术基于相对传递函数综合考虑刀具子系统和工件子系统的动力学特性，同时考虑了横向振动和轴向振动对动态切屑厚度的影响，使颤振预测更加准确。3.本专利技术在不同曲率形状特征模具型腔的数控几何仿真中，避免了当铣削条件变化时重复生成铣削稳定性叶瓣的必要性，预测过程方便快捷，可以实现铣削颤振快速预测，提高了效率,延长刀具是用寿命，保证了模具型腔的加工质量。解决了现有单一刀具路径的铣削稳定性预测方法适用性低，导致铣削颤振预测准确度低，加快刀具失效，影响模具型腔的加工质量的问题。在普通铣削工程中，判断是否发生颤振，需要借助电脑，通过对公式的编辑运行，得到计算结果，整个过程大约需要耗费30秒，才能得出结果，并且做出相应的调整。而运用铣削稳定性叶瓣阵列的方法在铣削过程中进行预判，比对仅仅需要1秒的时间，缩短了30倍的时间，并且铣削稳定性叶瓣阵列得到之后可以永久使用，省时便利，极大的提高了铣削过程的效率。附图说明图1为模具型腔铣削不同曲率时刀具-工件接触情况示意图；图2为不同直径刀具铣削时刀具-工件接触情况示意图；图3为不同径向切深下铣削时刀具-工件接触情况示意图，ae1、ae2、ae3为不同的径向切深；图4为模具型腔数控铣削中颤振预测流程示意图；图5为模具型腔铣削加工的刀具路径示意图；图6为实施例获得的传递函数示意图；图7为实施例模具型腔铣削加工的刀具路径示意图；图8为刀具由位置1加工到位置2的切入角和切出角变化示意图；图9为不同主轴转速和切入角时临界轴向切深aplim的变化示意图。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式的一种预测模具型腔数控铣削中颤振的方法具体过程为：步骤一.建立刀具-工件系统的相对传递函数；获取刀具-工件系统的动力学特性，即传递函数矩阵，是进行铣削加工过程稳定性预测的重要前提。以往的研究大多只考虑刀具系统的动力学特性，而忽略了工件系统对整体加工系统动力学特性的影响，本专利技术综合考虑了刀具子系统和工件子系统的动力学特性，基于相对传递函数建立刀具-工件系统整体动力学模型。分别获取刀具子系统和工件子系统的传递函数Gci(jω)＝Xci(jω)/[Fci(jω)](1)Gwi(jω)＝Xwi(jω)/[Fwi(jω)](2)式中：Fci(jω)和Fwi(jω)分别为刀具子系统刀尖点和工件子系统工件表面铣削点所受的力，由于刀具和工件之间的作用力大小相等、方向相反，即Fci(jω)＝-Fwi(jω)；Xci(jω)和Xwi(jω)分别为在Fci(jω)和Fwi(jω)作用下产生的位移；i＝1，2，3分别表示遵循右手笛卡尔直角坐标系建立的直角坐标系的X方向、Y方向、Z方向；由式(1)和(2)，推导出刀具-工件系统的相对传递函数：步骤二.将步骤一获得的刀具-工件系统的相对传递函数引入三维铣削稳定性模型中，得到铣刀铣削颤振频率处的临界轴向切削深度；步骤三、基于步骤二得到的临界轴向切削深度判断模具型腔数控铣削是否发生颤振。具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤二中将步骤一获得的刀具-工件系统的相对传递函数引入三维铣削稳定性模型中，得到铣刀铣削颤振频率处的临界轴向切削深度；具体过程为：基于频域法的三维铣削稳定性模型铣刀铣削模具凹槽型腔侧面的过程中，切向力Ft沿铣刀铣削刃铣削速度方向分布，径向力Fr是铣刀进给的径向方向，轴向力Fa沿铣刀轴向作用；为了考虑一般情况，在铣削刃线中，铣削刃被分成有限数量的小的微分单元。对每个边缘单元的三个方向切屑载荷和相应的微分载荷进行了评估，并用数字积分法分别预测了三个方向的总力。在铣削刃线中，铣削刃被分成M个微分单元，M取值为正整数；对每个边缘微分单元的三个方向切屑载荷和相应的微分载荷进行了评估，并用数字积分法分别预测了三个方向的总力；三个方向即切向力Ft、径向力Fr和轴向力Fa；设第j个铣削刃上第k个微分单本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种预测模具型腔数控铣削中颤振的方法，其特征在于：所述方法具体过程为：步骤一.建立刀具‑工件系统的相对传递函数；具体过程为：分别获取刀具子系统和工件子系统的传递函数Gci(jω)＝Xci(jω)/[Fci(jω)]  (1)Gwi(jω)＝Xwi(jω)/[Fwi(jω)]  (2)式中：Fci(jω)和Fwi(jω)分别为刀具子系统刀尖点和工件子系统工件表面铣削点所受的力，由于刀具和工件之间的作用力大小相等、方向相反，即Fci(jω)＝‑Fwi(jω)；Xci(jω)和Xwi(jω)分别为在Fci(jω)和Fwi(jω)作用下产生的位移；i＝1，2，3分别表示遵循右手笛卡尔直角坐标系建立的直角坐标系的X方向、Y方向、Z方向；由式(1)和(2)，推导出刀具‑工件系统的相对传递函数：

【技术特征摘要】
1.一种预测模具型腔数控铣削中颤振的方法，其特征在于：所述方法具体过程为：步骤一.建立刀具-工件系统的相对传递函数；具体过程为：分别获取刀具子系统和工件子系统的传递函数Gci(jω)＝Xci(jω)/[Fci(jω)](1)Gwi(jω)＝Xwi(jω)/[Fwi(jω)](2)式中：Fci(jω)和Fwi(jω)分别为刀具子系统刀尖点和工件子系统工件表面铣削点所受的力，由于刀具和工件之间的作用力大小相等、方向相反，即Fci(jω)＝-Fwi(jω)；Xci(jω)和Xwi(jω)分别为在Fci(jω)和Fwi(jω)作用下产生的位移；i＝1，2，3分别表示遵循右手笛卡尔直角坐标系建立的直角坐标系的X方向、Y方向、Z方向；由式(1)和(2)，推导出刀具-工件系统的相对传递函数：步骤二.将步骤一获得的刀具-工件系统的相对传递函数引入三维铣削稳定性模型中，得到铣刀铣削颤振频率处的临界轴向切削深度；步骤三、基于步骤二得到的临界轴向切削深度判断模具型腔数控铣削是否发生颤振。2.根据权利要求1所述一种预测模具型腔数控铣削中颤振的方法，其特征在于：所述步骤二中将步骤一获得的刀具-工件系统的相对传递函数引入三维铣削稳定性模型中，得到铣刀铣削颤振频率处的临界轴向切削深度；具体过程为：基于频域法的三维铣削稳定性模型铣刀铣削模具凹槽型腔侧面的过程中，切向力Ft沿铣刀铣削刃铣削速度方向分布，径向力Fr是铣刀进给的径向方向，轴向力Fa沿铣刀轴向作用；在铣削刃线中，铣削刃被分成M个微分单元，M取值为正整数；设第j个铣削刃上第k个微分单元的转角量表达式为：其中：转角量为第j个铣削刃上第k个微分单元的转角量，θr(k,t)是铣削刃第k个微分单元在笛卡尔坐标Y轴方向测量的旋转角度，0≤k≤M；Nf表示球头铣刀所含有的刀齿数量，n表示刀具的转速，t为时间；j取值为正整数；微分单元区域瞬态铣削层面积其中：是瞬态切屑厚度，Δa是一个微分单元的长度；切向力Ft、径向力Fr、轴向力Fa在铣刀铣刃上的微分单元是dFt＝KtcdAcdFr＝KrcdAcdFa＝KacdAc(5)式中Ktc为切向力的铣削力系数，Krc为径向力的铣削力系数，Kac为轴向力的铣削力系数；切向力Ft、径向力Fr和轴向力Fa转化为刀具笛卡尔坐标下的三个方向的动态铣削力：式中为笛卡尔坐标X轴方向的动态铣削力，为笛卡尔坐标Y轴方向的动态铣削力，为笛卡尔坐标Z轴方向的动态铣削力，ap为刀具轴向切削深度，为转角量，Kr为径向力的铣削力系数与切向力的铣削力系数之比，Kr＝Krc/Ktc；Ka为轴向力的铣削力系数与切向力的铣削力系数之比，Ka＝Kac/Ktc；Δxj＝(xc(t)-xc(t-T))-(xw(t)-xw(t-T))，Δyj＝(yc(t)-yc(t-T))-(yw(t)-yw(t-T))，Δzj＝(zc(t)-zc(t-T))-(zw(t)-zw(t-T))，Δxj、Δyj、Δzj均为再生效应振动；其中xc(t)为铣刀当前刀齿的X方向动态位移，xc(t-T)为铣刀前一个刀齿周期的X方向动态位移，xw(t)为工件在当前刀齿铣削下的X方向动态位移，xw(t-T)为工件在前一个刀齿周期铣削下的X方向动态位移；yc(t)为铣刀当前刀齿的Y方向动态位移，yc(t-T)为铣刀前一个刀齿周期的Y方向动态位移，yw(t)为工件在当前刀齿铣削下的Y方向动态位移，yw(t-T)为工件在前一个刀齿周期铣削下的Y方向动态位移；zc(t)为铣刀当前刀齿的Z方向动态位移，zc(t-T)为铣刀前一个刀齿周期的Z方向动态位移，zw(t)为工件在当前刀齿铣削下的Z方向动态位移，zw(t-T)为工件在前一个刀齿周期铣削下的Z方向动态位移；T为周期；[F(t)]＝apKtc[A(t)]{Δr}(7)其中：F(t)为以为元素的列向量，{Δr}为以Δxj、Δyj、Δzj为元素的列向量，动态铣削力方向系数矩阵[A(t)]是角频率为ω，周期为T的周期函数；ω＝NfΩ，T＝2π/ω；Ω为刀具主轴转动角速度，单位为rad/s；将[A(t)]进行傅里叶级数展开，得到平均方向系数矩阵：式中，Nf表示球头铣刀所含有的刀齿数量，为刀具刀齿的切入角，为刀具刀齿的切出角，为系数矩阵，为转角量；由式(8)，将时变动态铣削方程[F(t)]转换为不随时间变化但与刀具-工件接触状态相关的形式：[F(t)]＝apKtc[A(0)]{Δr}(9)其中，{Δr}＝{rc(t)}-{rc(t-T)}-({rw(t)}-{rw(t-T)})式中，rc(t)为铣刀当前刀齿的X方向、Y方向、Z方向的动态位移列向量，rc(t-T)为铣刀前一个刀齿周期的X方向、Y方向、Z方向的动态位移列向量；rw(t)为工件在当前刀齿铣削下的X方向、Y方向、Z方向的动态位移列向量，rw(t-T)为工件在前一个刀齿周期铣削下的X方向、Y方向、Z方向的动态位移列向量；变曲率模具型腔曲线(x(u)、y(u))的曲率表达式为式中，u为变曲率模具型腔曲线参数方程中的参数变量，ρ(u)为参数u对应点的曲率，变曲率曲线的弯曲方向通过曲线曲率的正负来表示，负数曲率代表的是凹曲线，正数曲率代表的是凸曲...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜彦翠，仇焱，刘献礼，崔健，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23