一种铣削加工稳定性预测方法、系统及存储介质技术方案

本发明专利技术涉及一种铣削加工稳定性预测方法、系统及存储介质，其包括：建立单自由度铣削动力学模型；对铣削状态方程进行积分求解；通过积分求解后的铣削状态方程获取状态转移矩阵；获取铣削系统稳定性叶瓣图，完成稳定性预测。本发明专利技术能够准确获得铣削过程的稳定性叶瓣图，利用该稳定性图选取稳定加工参数。本发明专利技术可以广泛在机械加工中的铣削加工稳定性预测领域中应用。中应用。中应用。

【技术实现步骤摘要】
一种铣削加工稳定性预测方法、系统及存储介质


[0001]本专利技术涉及一种机械加工中的铣削加工稳定性预测领域，特别是关于一种铣削加工稳定性预测方法、系统及存储介质。

技术介绍

[0002]由于具有广泛的可达性与灵活的刀具路径，铣削加工在发动机叶轮、燃气轮机叶片等复杂曲面零件的生产制造中具有广泛应用。铣刀具有较大的长径比、装夹后悬伸量较大、工艺系统振动形式复杂，因此铣削过程极易产生失稳颤振。颤振会降低工件表面质量、增大工件尺寸误差、造成刀具磨损甚至破坏机床加工性能。无颤振铣削在工业生产中具有十分重要的意义。铣削颤振与传统的机械故障不同，此类振动大多由于切削参数的不合理选取造成。通过选取合理的切削参数能够有效避免颤振的产生。实际生产中，为避免颤振，操作人员通常通过生产经验选择切削参数，此类选取方法一方面缺乏理论依据，无法有效避免颤振；另一方面切削参数选取比较保守，无法充分发挥机床的加工性能，降低了生产效率。
[0003]稳定性叶瓣图是合理选取加工参数有效工具。我国学者提出了采用全离散方法求解铣削动力学方程，进而获得稳定性叶瓣图的方法，该方法将等距离散的时间周期T分成多个区间，在每一个区间内对相关项进行插值逼近，对铣削动力学方程进行求解，采用弗洛凯定理确定稳定性边界。上述研究成果为铣削稳定性叶瓣图求解方法提供了新思路。计算效率与计算精度是保证算法实用性的关键指标，如何实现稳定性叶瓣图高效、高精度计算是现有铣削稳定性预测领域亟需解决的关键问题之一。刀尖模态参数对铣削系统切削性能具有重要影响，获得精确的模态参数是保证预测准确度的重要前提，目前刀尖模态参数的获取方法通常将加速度传感器安装在刀尖，采用力锤进行锤击试验，此类方法的缺点是传感器与刀尖直接接触，影响刀尖的动力学响应，导致得到的模态参数与实际值之间存在一定误差，致使获得的稳定性叶瓣图预测精度降低。
[0004]综上所述，高效的稳定性叶瓣图计算与精准的刀尖动力学参数获取是保证加工稳定性、提高产品生产效率的关键。

技术实现思路

[0005]针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种铣削加工稳定性预测方法、系统及存储介质，其能够准确获得铣削过程的稳定性叶瓣图，利用该稳定性图选取稳定加工参数。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：一种铣削加工稳定性预测方法，其包括以下步骤：1)建立单自由度铣削动力学模型；2)对铣削状态方程进行积分求解；3)通过积分求解后的铣削状态方程获取状态转移矩阵；4)获取铣削系统稳定性叶瓣图，完成稳定性预测。
[0007]进一步，所述单自由度铣削动力学模型的建立方法包括以下步骤：
[0008]1.1)构建机床坐标系X-Y-Z，建立包含刀具-工件交互作用的单自由度铣削系统；
[0009]1.2)基于再生效应，构建单自由度铣削动力学模型；
[0010]1.3)将单自由度铣削动力学模型采用状态空间方程表示；
[0011]1.4)采用平均切削力模型方法标定切向切削力系数K
t
与径向切削力系数K
n
；
[0012]1.5)采用非接触式锤击试验方法获取刀尖的模态质量、固有频率与相对阻尼比。
[0013]进一步，所述单自由度铣削动力学模型为：
[0014][0015]式中，代表加速度，代表速度，x(t)代表位移，ζ代表相对阻尼，ω代表固有频率频率，m代表模态质量，a
p
代表轴向切深，t代表时间，τ代表时滞周期，h(t)为：
[0016][0017]式中，K
t
为切向切削力系数，K
n
为径向切削力系数，为铣刀第j个齿的角位置，为窗函数。
[0018]进一步，所述状态空间方程为：
[0019][0020]其中，A为常系数矩阵，B(t)为随时间周期变化的系数矩阵，满足B(t)＝B(t-T)，其中时间延迟τ等于刀齿通过周期T，x(t)为状态项，x(t-τ)为时滞项。
[0021]进一步，所述步骤2)中，求解方法包括以下步骤：
[0022]2.1)将时间周期τ均分为n等份的时间小区间，则时间步长其中任意时间小区间表示为[t
i
,t
i+1
],i＝1,2,3,
…
n；
[0023]2.2)将铣削动力学模型的状态空间方程在时间小区间[t
i
,t
i+1
]上进行积分：
[0024][0025]进一步，所述步骤3)中，分别采用三阶埃尔米特插值多项式、三阶正交多项式与线性插值多项式对积分求解后的铣削状态方程中的状态项x(t)、时滞项X(t-τ)、周期系数项B(t)进行近似逼近，获取状态转移矩阵。
[0026]进一步，所述状态转移矩阵获取方法包括以下步骤：
[0027]3.1)采用三阶埃尔米特多项式逼近铣削动力学方程的状态项x(t)，得到状态项x(t)在时间区间[t
i
,t
i+1
]上的近似表达式；
[0028]3.2)采用三阶正交多项式插值方法逼近铣削动力学方程的时滞项X(t-τ)，得到时滞项X(t-τ)在时间区间[t
i
,t
i+1
]上的近似表达式；
[0029]3.3)采用一阶牛顿插值多项式逼近铣削动力学方程的周期系数项B(t)，得到周期
系数项B(t)在时间区间[t
i
,t
i+1
]上的近似表达式；
[0030]3.4)将状态项x(t)在时间区间[t
i
,t
i+1
]上的近似表达式、时滞项X(t-τ)在时间区间[t
i
,t
i+1
]上的近似表达式和周期系数项B(t)在时间区间[t
i
,t
i+1
]上的近似表达式代入积分求解后的铣削状态方程，得到矩阵方程X
i+1
；
[0031]3.5)根据步骤3.4)得到的矩阵方程，推导出铣削系统在一个周期T内的状态转移矩阵ψ；
[0032]3.6)根据弗洛凯定理确定铣削系统的稳定边界：计算系统的状态转移矩阵Ψ的特征值λ(ψ)，通过特征值模的大小来判定系统的稳定性。
[0033]进一步，通过所述特征值模的大小判定系统稳定性的判定准则为：
[0034][0035]一种铣削加工稳定性预测系统，其包括：模型建立模块、积分求解模块、状态转移矩阵获取模块和稳定性叶瓣图获取模块；
[0036]所述模型建立模块建立单自由度铣削动力学模型；
[0037]所述积分求解模块对铣削状态方程进行积分求解；
[0038]所述状态转移矩阵获取模块通过积分求解后的铣削状态方程获取状态转移矩阵；
[0039]所述稳定性叶瓣图获取模块获取铣削系统稳定性叶瓣图，完成稳定性预测。
[0040]一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铣削加工稳定性预测方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建立单自由度铣削动力学模型；2)对铣削状态方程进行积分求解；3)通过积分求解后的铣削状态方程获取状态转移矩阵；4)获取铣削系统稳定性叶瓣图，完成稳定性预测。2.如权利要求1所述预测方法，其特征在于，所述单自由度铣削动力学模型的建立方法包括以下步骤：1.1)构建机床坐标系X-Y-Z，建立包含刀具-工件交互作用的单自由度铣削系统；1.2)基于再生效应，构建单自由度铣削动力学模型；1.3)将单自由度铣削动力学模型采用状态空间方程表示；1.4)采用平均切削力模型方法标定切向切削力系数K
t
与径向切削力系数K
n
；1.5)采用非接触式锤击试验方法获取刀尖的模态质量、固有频率与相对阻尼比。3.如权利要求2所述预测方法，其特征在于，所述单自由度铣削动力学模型为：式中，代表加速度，代表速度，x(t)代表位移，ζ代表相对阻尼，ω代表固有频率频率，m代表模态质量，a
p
代表轴向切深，t代表时间，τ代表时滞周期，h(t)为：式中，K
t
为切向切削力系数，K
n
为径向切削力系数，为铣刀第j个齿的角位置，为窗函数。4.如权利要求2所述预测方法，其特征在于，所述状态空间方程为：其中，A为常系数矩阵，B(t)为随时间周期变化的系数矩阵，满足B(t)＝B(t-T)，其中时间延迟τ等于刀齿通过周期T，x(t)为状态项，x(t-τ)为时滞项。5.如权利要求1所述预测方法，其特征在于，所述步骤2)中，求解方法包括以下步骤：2.1)将时间周期τ均分为n等份的时间小区间，则时间步长其中任意时间小区间表示为[t
i
,t
i+1
],i＝1,2,3,
…
n；2.2)将铣削动力学模型的状态空间方程在时间小区间[t
i
,t
i+1
]上进行积分：
6.如权利要求1所述预测方法，其特征在于，所述步骤3)中，分别采用三阶埃尔米特插值多项式、三阶正交多项式与线性插值多项式对积分求解后的铣削状态方程中的状态项x(t)、时滞项X(t-τ)、周期系数项B(t)进...

【专利技术属性】
技术研发人员：籍永建，王红军，王立勇，韩凤霞，孙鹏，
申请(专利权)人：北京信息科技大学，
类型：发明
国别省市：