基于柔性切削力的薄壁件单工序/多工序加工精度预测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于柔性切削力的薄壁件单工序加工精度预测方法，包括如下步骤：步骤一：构建薄壁件等效刚度模型：步骤二：构建柔性切削力模型：21)构建切削深度模型：22)根据切削力模型在切削深度上的积分，得到柔性切削力模型；步骤三：构建BP神经网络，以柔性切削力模型和等效刚度模型作为模型输入，并输出时变坐标经切削加工后的Z轴坐标；步骤四：以时变坐标经切削加工后的Z轴坐标计算加工精度。本发明专利技术还公开了一种基于柔性切削力的薄壁件多工序加工精度预测方法。考虑低刚度零件加工过程中由挠度引起的轴向误差以创建单工序加工精度预测模型，基于误差传递机制和迭代策略并最终实现多工序铣削加工加工精度预测。终实现多工序铣削加工加工精度预测。终实现多工序铣削加工加工精度预测。

【技术实现步骤摘要】
基于柔性切削力的薄壁件单工序/多工序加工精度预测方法


[0001]本专利技术属于铣削加工
，具体的为一种基于柔性切削力的薄壁件单工序/多工序加工精度预测方法。

技术介绍

[0002]航空发动机的涡扇叶片等非通用性薄壁零件因其质量轻、强度高，在航空航天等领域应用广泛，其加工方式大多是以铣削工艺为主。薄壁零件结构通常较为复杂，零件的制造需经多道工序切削完成，受到多工序耦合传递影响，零件精度波动大，导致零件多工序加工精度预测具有不确定性。因此，分析零件加工误差传递的演变规律，揭示多工序误差耦合传递引起的工艺参数波动对零件加工精度的影响具有重要意义。
[0003]薄壁零件多工序铣削加工过程材料去除率高，成型工件刚度低，容易出现让刀现象，致使工件出现表面形貌偏差，导致加工精度降低。对于薄壁件的加工表面质量控制，研究人员主要从切削力致误差来分析薄壁件变形等误差源对加工表面质量的影响。但是切削力以及刚度时变特性使得铣削加工精度预测难度增大，单工序下切削力致误差主要从研究薄壁件的切削力模型，进而分析切削力与误差之间的关系或者基于数值模拟仿真来预测加工变形。AAgarwal等人在“Modeling of flatness errors in end milling of thin
‑
walled components.(Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part B Journal of Engineering Manufacture)”中研究了端铣加工薄壁件静态形变对加工精度的影响，基于实验研究工件刚度和工件初始厚度对铣削加工加工精度的影响，但在立铣加工中，薄壁件沿刀具轴向方向的厚度较薄，极易发生变形，该文献并未研究刚度以及切削过程中时变切削力对加工精度的影响。
[0004]单工序加工精度预测可作为多工序加工精度的研究基础，但由于多工序加工过程中，各个过程参数对零件精度特性的影响关系错综复杂，误差随着工序的延续不断传递、耦合变化，导致多工序加工精度预测难度大。多工序铣削加工误差传递分析往往是将工件视为刚体或者将工件不同区域视为拥有不同的刚度，但不考虑随切削进程加工刚度的时变特性，在考虑工件变形的情况下只是将上道工序变形转化为当前工序加工特征尺寸偏差和工序基准误差等误差源，建立误差流模型。但是薄壁件切削加工过程中，当前工序切削力会引起本工序时变挠度变化，引起的工艺参数波动和改变工序加工特征尺寸偏差，这使得误差流模型出现而外预测误差。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于柔性切削力的薄壁件单工序/多工序加工精度预测方法，考虑低刚度零件加工过程中由挠度引起的轴向误差以创建单工序加工精度预测模型，并最终实现多工序铣削加工加工精度预测。
[0006]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]本专利技术首先提出了一种基于柔性切削力的薄壁件单工序加工精度预测方法，包括
如下步骤：
[0008]步骤一：构建薄壁件等效刚度模型：
[0009]δ
T
(x,y,z)＝ω(x,y)+δ
e
(x,y,z)
[0010]其中，δ
T
(x,y,z)表示薄壁件的实际变形误差；(x,y)表示单工序切削时变坐标；z表示时变坐标(x,y)处的加工残留高度；ω(x,y)表示薄壁件在时变坐标(x,y)处的扰度；δ
e
(x,y,z)表示单工序内切削材料时变移除对刚度变化的误差；
[0011]步骤二：构建柔性切削力模型：
[0012]21)构建切削深度模型：
[0013]ap
a
(x,y,z)＝ap
n
(x,y,z)+δ
T
(x,y,z)+δ
F
(x,y,z)
[0014]其中，ap
a
(x,y,z)表示实际切削深度；ap
n
(x,y,z)表示标称切削深度；δ
F
(x,y,z)表示由表面形貌确定的切削深度；
[0015]22)根据切削力模型在切削深度上的积分，得到柔性切削力模型；
[0016][0017]其中，分别表示刀具在X方向的切削力、Y方向的切削力和Z方向的切削力；dF
x
,dF
y
,dF
z
分别表示微元切削刃在刀具坐标系中的X方向切削力、Y方向切削力和Z方向切削力；和是第j个齿在实际切削深度作用下的积分上下限。
[0018]步骤三：构建BP神经网络，以柔性切削力模型和等效刚度模型作为模型输入，并输出时变坐标(x,y)经切削加工后的Z轴坐标；
[0019]步骤四：以时变坐标(x,y)经切削加工后的Z轴坐标计算加工精度。
[0020]进一步，所述步骤一中，薄壁件等效刚度模型的构建方法为：
[0021]在均布荷载q作用下，薄壁件挠度ω满足弹性曲面的受力方程：
[0022][0023]其中，为薄壁件的抗弯刚度；E、μ和h分别为薄壁件的弹性模量、泊松比和厚度；表示Hamilton算子；
[0024]将ω和q利用傅里叶级数进行展开：
[0025][0026]其中：
[0027][0028]得到薄壁件受力方程为：
[0029][0030]比较可得：
[0031][0032]求解微分方程得到：
[0033][0034]其中，为特解，且：
[0035][0036][0037]C为任意常数；η表示积分变量；
[0038]均布载荷q＝q0，取特解为：
[0039][0040]得到：
[0041][0042]其中，A
n
、B
n
、C
n
和D
n
均为系数；a表示薄壁件在X方向上的长度；
[0043]结合边界条件y＝
±
b/2，计算分析可得：
[0044][0045]其中：b表示薄壁件在Y方向上的宽度；
[0046][0047]μ表示泊松比；
[0048]因此，构建得到的薄壁件等效刚度模型为：
[0049]δ
T
(x,y,z)＝ω(x,y)+δ
e
(x,y,z)。
[0050]进一步，所述步骤22)中，t
‑
r
‑
a局部坐标系上，微元切削力模型为：
[0051][0052]其中，dF
t
,dF
r
,dF
a
分别表示微元切削刃的切向切削力、径向切削力和和轴向切削力；K
te
,K
re
,K
ae
分别表示微元切削刃的切向、径向和副法向的耕犁力切削系数，K
tc
,K
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于柔性切削力的薄壁件单工序加工精度预测方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一：构建薄壁件等效刚度模型：δ
T
(x,y,z)＝ω(x,y)+δ
e
(x,y,z)其中，δ
T
(x,y,z)表示薄壁件的实际变形误差；(x,y)表示单工序切削时变坐标；z表示时变坐标(x,y)处的加工残留高度；ω(x,y)表示薄壁件在时变坐标(x,y)处的挠度；δ
e
(x,y,z)表示单工序内切削材料时变移除对刚度变化的误差；步骤二：构建柔性切削力模型：21)构建切削深度模型：ap
a
(x,y,z)＝ap
n
(x,y,z)+δ
T
(x,y,z)+δ
F
(x,y,z)其中，ap
a
(x,y,z)表示实际切削深度；ap
n
(x,y,z)表示标称切削深度；δ
F
(x,y,z)表示由表面形貌确定的切削深度；22)根据切削力模型在切削深度上的积分，得到柔性切削力模型：其中，分别表示刀具在X方向的切削力、Y方向的切削力和Z方向的切削力；dF
x
,dF
y
,dF
z
分别表示微元切削刃在刀具坐标系中的X方向切削力、Y方向切削力和Z方向切削力；和是第j个齿在实际切削深度作用下的积分上下限；步骤三：构建BP神经网络，以柔性切削力模型和等效刚度模型作为模型输入，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王四宝，黄强，汤滨瑞，赵增亚，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：