一种考虑多模态振动与工件加工响应的稳定性预测方法技术

本发明专利技术涉及机械加工中的金属切削领域，具体涉及一种考虑刀具‑工件多阶模态振动与工件实时加工频率响应的稳定性预测方法。本发明专利技术所述加工测量系统包括工件、力锤、电容传感器、阻尼杆、磁力表座、第一夹具、第二夹具、电荷放大器、PC机和刀具；所述第一夹具和第二夹具设置在工件下端，所述第一夹具和第二夹具上均设有标尺，所述电容传感器设置在阻尼杆上，所述阻尼杆设置在磁力表座上；本发明专利技术构建了刀具‑工件四自由度铣削模型同时考虑到刀具螺旋角滞后效应，并基于此引入便于计算侵入体积的过程阻尼模型，本发明专利技术利用等效三角截面积能快速确定过程阻尼，进一步提升稳定性边界预测的准确性。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑多模态振动与工件加工响应的稳定性预测方法
本专利技术涉及机械加工中的金属切削领域，具体涉及一种考虑刀具-工件多阶模态振动与工件实时加工频率响应的稳定性预测方法。
技术介绍
由于轻量化设计的日益普及，薄壁工件在航空航天、通信等领域得到了广泛的应用。薄壁工件具有复杂几何拓扑结构和刚性差的特点，给铣削加工带来了很大的挑战。其切削过程涉及到机床、铣刀、工件和夹具的协同配合，最大限度地提高机床的性能，提高加工效率，使整个过程稳定可控具有重要意义。国际著名期刊《JournalofManufacturingScienceandEngineering》于2012年发表了“Discrete-TimePredictionofChatterStability,CuttingForcesandSurfaceLocationErrorsinFlexibleMillingSystems”首次提出采用刀具-工件微元模态阵型的方式分别对每一个轴向切深进行判定，进而得出稳定性图。但是文中只考虑了刀具-工件系统的二自由度，并未深入考虑材料去除过程中的工件实时频率响应，即只能得到静态的叶瓣图，不能得到反映加工全过本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑多模态振动与工件加工响应的稳定性预测方法，其特征在于步骤如下：①构建机床直角坐标系X‑Y‑Z，并建立同时考虑系统多模态振动的四自由度加工测量系统；所述加工测量系统包括工件(1)、力锤(2)、电容传感器(3)、阻尼杆(4)、磁力表座(5)、第一夹具(7‑1)、第二夹具(7‑2)、电荷放大器(8)、PC机(9)和刀具(10)；所述第一夹具(7‑1)和第二夹具(7‑2)设置在工件(1)下端，所述第一夹具(7‑1)和第二夹具(7‑2)上均设有标尺(6)，所述电容传感器(3)设置在阻尼杆(4)上，所述阻尼杆(4)设置在磁力表座(5)上，所述磁力表座(5)设置在第二夹具(7‑2)上，所述力锤(...

【技术特征摘要】
1.一种考虑多模态振动与工件加工响应的稳定性预测方法，其特征在于步骤如下：①构建机床直角坐标系X-Y-Z，并建立同时考虑系统多模态振动的四自由度加工测量系统；所述加工测量系统包括工件(1)、力锤(2)、电容传感器(3)、阻尼杆(4)、磁力表座(5)、第一夹具(7-1)、第二夹具(7-2)、电荷放大器(8)、PC机(9)和刀具(10)；所述第一夹具(7-1)和第二夹具(7-2)设置在工件(1)下端，所述第一夹具(7-1)和第二夹具(7-2)上均设有标尺(6)，所述电容传感器(3)设置在阻尼杆(4)上，所述阻尼杆(4)设置在磁力表座(5)上，所述磁力表座(5)设置在第二夹具(7-2)上，所述力锤(2)和电容传感器(3)输出端经电荷放大器(8)与PC机(9)连通；②建立柔性系统切削力模型与加工动力学方程；③确定工件(1)在材料去除过程中，加工频率响应与模态阵型；④基于步骤①和步骤②绘制综合三维稳定性图并选取参数；401沿着刀具(10)加工路径定义刀位点为steps(i＝1,2,…steps)，并沿刀轴方向离散刀具(10)微元，即确定刀触位置为sty(k＝1,2,…sty)；402将主轴转速离散为stx份，并将相邻刀齿间的迟滞时间离散为m份,并存储至元胞数组{i,sty,stx,m}；403用有限元软件分析工件(1)的初始振动模态，获取单元质量矩阵和单元刚度矩阵；404在第i个刀位点第k个轴向切深处确定要去除的质量单元，将其组装成质量和刚度变化矩阵：△Mw和△Kw；405在刀具(10)和工件(1)接触区内，被离散的刀具(10)微元节点会映射在加工工件(1)上，在工件(1)上确定距离刀具(10)映射点处最近的节点，并提取该节点位置处的模态阵型和频率；406迭代元胞数组{i,sty,stx,m}中的每一个元素，并利用改进的全离散方法确定综合考虑多模态振动和过程阻尼的稳定性叶瓣图。2.根据权利要求1所述的一种考虑多模态振动与工件加工响应的稳定性预测方法，其特征在于，所述步骤②包括：201将刀具(10)按照轴向切深最大值离散成sty个高度为△b的切削微元，确定第j齿的相对瞬时未切厚度表达式：hj(t)＝fzsin(φj)+[((ηt(t)-ηt(t-τ))-((ηw(t)-ηw(t-τ))](一)其中式(一)中fz为每齿进给量，t为时间，φ为齿位角，j为刀齿序数，xt(t),yt(t)为刀具(10)位移坐标，xw(t),yw(t)为工件(1)位移坐标，τ为相邻两刀齿之间的迟滞，进而式(一)演变为：hj(t)＝fzsin(φj)+[sin(φj),cos(φj)]((qt(t)-qt(t-τ))-(qw(t)-qw(t-τ)))(二)其中刀具(10)和工件(1)的多阶振动模态定义为：202确定考虑刀具(10)后刀面侵入已加工表面的过程阻尼模型为：其中Kpd为侵入系数,μ为摩擦系数，dVj为刀具第jth齿的侵入体积增量；计算刀具(...

【专利技术属性】
技术研发人员：王西彬，王东前，焦黎，刘志兵，黄涛，王永，刘书尧，籍永建，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11