一种微铣削加工参数的可靠性优化方法、装置及电子设备制造方法及图纸

本发明专利技术公开了微铣削加工技术领域内的一种微铣削加工参数的可靠性优化方法、装置及电子设备。该方法包括以下步骤：分析微铣削加工受力情况，获得刀具瞬时切削厚度表达式，并建立微铣削力学模型；将刀具视为悬臂梁，分析受力弯曲的情况，取得微铣削力和变形位移的关系，并建立刀具变形表达式；建立极限状态方程，对微铣削加工参数进行可靠度分析；建立微铣削加工刀具变形可靠性优化数学模型；应用串行单回路的ISMA法，当目标函数值区域稳定且所有约束达到要求时，迭代终止，完成微铣削加工参数的可靠性优化。该方法将可靠性作为参数优化的约束条件之一，以达到考虑加工参数随机性变化的目的，从而得到更为合适和安全的微铣削加工参数。参数。参数。

【技术实现步骤摘要】
一种微铣削加工参数的可靠性优化方法、装置及电子设备


[0001]本专利技术涉及微铣削加工
，特别涉及一种微铣削加工参数的可靠性优化方法、装置及电子设备。

技术介绍

[0002]微铣削技术用于生产复杂的小型三维部件，广泛应用于生物技术和航空等领域。相比于传统铣削，因微铣削加工系统尺寸变小，加工过程中刀具更易受到切削力影响，进而降低加工精度。因此，微铣削加工参数的优化必须考虑刀具变形这一因素。
[0003]微铣削加工过程中刀具受切削力影响而发生弯曲变形的分析较为广泛。现如今已有许多的国内外学者提出多种方法对刀具受力及变形进行建模分析。此外，针对铣削参数优化的研究也较为丰富。考虑到最小切削厚度与刀具半径的关系，Vogler建立了基于最小切屑厚度的微铣削力模型。通过分析切削力的弹塑性特性和滑移线场理论，Kim采用z
‑
map方法计算了考虑表面倾角影响的铣削力和刀具偏转模型。综合考虑了精密摆线轨迹和刀具跳动，国内部分学者提出了新的微铣削万能微立铣刀切削力和刀具变形预测方法及基于初始刀位的五轴侧铣全局刀轨优化方法。国外部分学者提出了一种优化自适应控制方法，用于优化高性能铣削加工中受质量约束的生产成本，并开发了一种基于布谷鸟优化算法的切削参数优化方法，以在约束条件下找到总生产时间最小的切削参数。
[0004]上述研究为微铣削加工的参数优化和刀具受力变形分析奠定了基础，其基本原理已相当成熟。但是在这些研究中，然而，切削参数被认为是确定的，未考虑由于装配操作不当或加工条件变化而引起的加工参数的随机性变化，因而上述研究并不能很好地适用实际情况。

技术实现思路

[0005]本申请通过提供一种微铣削加工参数的可靠性优化方法、装置及电子设备，解决了现有技术中微铣削加工参数的优化时未考虑加工参数的随机性变化的问题，将可靠性作为参数优化的约束条件之一，以达到考虑加工参数随机性变化的目的，从而得到更为合适和安全的微铣削加工参数。
[0006]第一方面，本申请实施例提供了一种微铣削加工参数的可靠性优化方法，包括以下步骤：
[0007]S1、分析微铣削加工受力情况，获得刀具瞬时切削厚度表达式，并建立微铣削力学模型；
[0008]S2、将刀具视为悬臂梁，分析受力弯曲的情况，取得微铣削力和变形位移的关系，并建立刀具变形表达式；
[0009]S3、建立极限状态方程，对微铣削加工参数进行可靠度分析；
[0010]S4、建立微铣削加工刀具变形可靠性优化数学模型；
[0011]S5、应用串行单回路的ISMA法，当目标函数值区域稳定且所有约束达到要求时，迭
代终止，完成微铣削加工参数的可靠性优化。
[0012]上述实施例有益效果在于：将可靠性作为参数优化的约束条件之一，以达到考虑加工参数随机性变化的目的，从而得到更为合适和安全的微铣削加工参数。
[0013]根据本专利技术实施例的一种具体实现方式，所述步骤S1具体为：
[0014]考虑跳动的影响，建立微铣削力学模型；
[0015]刀尖的实际坐标位置可表示为:
[0016][0017]其中，k为当前切削齿，K为总齿数，R0为刀具的标称半径，ρ是跳动值，γ是跳动角，f是进给速度，ω是主轴角速度，t和t'是加工时间点，
[0018]其中，默认刀具刃呈几何分布，则第k个齿和第k+1个齿之间的旋转半径差可表示为：
[0019][0020]根据式(2)计算，可得到实际跳动参数值；
[0021]刀具在任一位置角处的理论瞬时切削厚度h
n
可以写为：
[0022][0023]基于切削材料弹性恢复的性质，实际切削厚度可表示为：
[0024][0025]其中，P
e
为材料弹性恢复率，h
min
为最小切削厚度；
[0026]第k齿在任意位置角处产生的切削力可以用切向分量dF
tk
和径向分量dF
rk
来描述：
[0027][0028]其中，K
tc0
～K
tcn
和K
rc0
～K
rcn
是切削力系数，可根据实验数据进行最小二乘法拟合得到；根据投影原理，轴向力和径向力可转换为x轴和y轴方向的铣削力，可表示为：
[0029][0030]其中，F
x
和F
y
为刀具在x和y方向所受切削力，θ
k
为刀刃所在位置角。
[0031]上述具体实现方式有益效果在于：微铣削对切削力的计算精度要求较高，因此需要考虑刀具跳动、最小切厚、材料弹性恢复等因素，当瞬时切屑厚度小于最小切屑厚度时不形成切屑，如果形成切屑，被移除材料的一部分发生塑性变形，其余材料弹性恢复。
[0032]根据本专利技术实施例的一种具体实现方式，所述步骤S2具体为：
[0033]刀具被视为悬臂梁，根据截面的变化，将刀具简化为刀架、刀颈和刀刃三个截面进行分析，默认铣刀材料保持线弹性，弯矩与刀具轴向曲率的关系式如下：
[0034][0035]其中，η是刀具偏转，η
’
是偏转角，E和I是杨氏模量和转动惯量，a和b可以根据边界条件得到；刀具各截面的挠度和转角可以表示为：
[0036][0037]其中，R
r
为刀柄半径，L0为刀具总长，L
m
刀颈长度，L
t
为刀刃长度，Z
m
为刀颈上任一点坐标，z为刀刃上任一点坐标，C1～C6为常参数；
[0038]根据式(8)，刀具刃上任意点处的偏转和偏转角可表示为：
[0039][0040]其中，Def为刀刃上任一点出变形量。
[0041]根据本专利技术实施例的一种具体实现方式，所述步骤S3具体为：
[0042]S3.1、提出微铣削加工刀具变形极限状态函数：
[0043]G(X)＝Def(a
p
,f
s
,n,d,r
e
,D,L,L
t
,L
r
,α,β,h
min
,ξ)
‑
Def
min
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0044]其中，Def为实际刀具变形量，Def
min
为规定极限刀具变形量。X为随机参数，X＝[a
p
,f
s
,n,d,r
e
,D,L,L
t
,L
r
,α,β,h
min
,ξ]T
，其中a
p
为切削深度，f
s
为每齿进给量，n为主轴转速，d为刀刃直径，r
e
为刀尖半径，D为刀具直径，L0为刀具总长，α为刀刃前角，β刀具螺旋角，h
min
为发生切屑分离的最小切削本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微铣削加工参数的可靠性优化方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、分析微铣削加工受力情况，获得刀具瞬时切削厚度表达式，并建立微铣削力学模型；S2、将刀具视为悬臂梁，分析受力弯曲的情况，取得微铣削力和变形位移的关系，并建立刀具变形表达式；S3、建立极限状态方程，对微铣削加工参数进行可靠度分析；S4、建立微铣削加工刀具变形可靠性优化数学模型；S5、应用串行单回路的ISMA法，当目标函数值区域稳定且所有约束达到要求时，迭代终止，完成微铣削加工参数的可靠性优化。2.根据权利要求1所述的可靠性优化方法，其特征在于：所述步骤S1具体为：考虑跳动的影响，建立微铣削力学模型；刀尖的实际坐标位置可表示为:其中，k为当前切削齿，K为总齿数，R0为刀具的标称半径，ρ是跳动值，γ是跳动角，f是进给速度，ω是主轴角速度，t和t'是加工时间点，其中，默认刀具刃呈几何分布，则第k个齿和第k+1个齿之间的旋转半径差可表示为：根据式(2)计算，可得到实际跳动参数值；刀具在任一位置角处θ
k
的理论瞬时切削厚度h
n
可以写为：基于切削材料弹性恢复的性质，实际切削厚度可表示为：其中，P
e
为材料弹性恢复率，h
min
为最小切削厚度；第k齿在任意位置角处产生的切削力可以用切向分量dF
tk
和径向分量dF
rk
来描述：其中，K
tc0
～K
tcn
和K
rc0
～K
rcn
是切削力系数，可根据实验数据进行最小二乘法拟合得到；
根据投影原理，轴向力和径向力可转换为x轴和y轴方向的铣削力，可表示为：其中，F
x
和F
y
为刀具在x和y方向所受切削力，θ为刀刃所在位置角。3.根据权利要求2所述的可靠性优化方法，其特征在于：所述步骤S2具体为：刀具被视为悬臂梁，根据截面的变化，将刀具简化为刀架、刀颈和刀刃三个截面进行分析，默认铣刀材料保持线弹性，弯矩与刀具轴向曲率的关系式如下：其中，η是刀具偏转，η
’
是偏转角，E和I是杨氏模量和转动惯量，a和b可以根据边界条件得到；刀具各截面的挠度和转角可以表示为：其中，R
r
为刀柄半径，L0为刀具总长，L
m
刀颈长度，L
t
为刀刃长度，Z
m
为刀颈上任一点坐标，z为刀刃上任一点坐标，C1～C6为常参数；根据式(8)，刀具刃上任意点处的偏转和偏转角表示为：其中，Def为刀刃上任一点出变形量。4.根据权利要求3所述的可靠性优化方法，其特征在于：所述步骤S3具体为：S3.1、提出微铣削加工刀具变形极限状态函数：G(X)＝Def(a
p
,f
s
,n,d,r
e
,D,L,L
t
,L
r
,α,β,h
min
,ξ)
‑
Def
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(10)
其中，Def为实际刀具变形量，Def
min
为规定极限刀具变形量，X为随机参数，X＝[a
p
,f
s
,n,d,r
e
,D,L,L
t
,L
r
,α,β,h
min
,ξ]
T
，其中a
p
为切削深度，f
s
为每齿进给量，n为主轴转速，d为刀刃直径，r
e
为刀尖半径，D为刀具直径，L0为刀具总长，α为刀刃前角，β为刀具螺旋角，h
min
为发生切屑分离的最小切削厚度，ξ为刀刃后角；G(X)<0表示微铣削刀具变形量小于极限值，处于安全工作状态，G(X)＝0表示处于极限切削状态；S3.2、首先采用ISMA法进行初始优化分析，得到第一层优化样本点，再应用改进一次二阶矩法计算微铣削刀具变形的可靠度，将随机变量转换为标准正态形式：v＝(X
‑
μ)/σ
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(11)其中，μ和σ分别为X的均值和方差，X为随机参数，经过正交变换，并且X空间中的失效曲面G(X)＝0转换到V空间中对应的失效曲面G(v)＝0；S3.3、根据所设定的可靠度值R0求得可靠度指数β，对应G(v)的最可能失效点通过求解以下优化问题得到：求得满足上式的参数点，重复S3.2至S3.3直到完成ISMA优化，求得对应可靠度P
r
；S3.4、通过引入权系数和罚函数来求解多目标多约束优化问题，罚函数可以表示为：其中，l
i
和s
j
是罚函数系数...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄贤振，张海滨，丁鹏飞，
申请(专利权)人：扬州力创机床有限公司，
类型：发明
国别省市：