專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于動(dòng)力學(xué)模型的高速銑削工藝參數(shù)優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)械加工領(lǐng)域，涉及一種銑削工藝參數(shù)優(yōu)化方法，特別涉及一種基于動(dòng)力學(xué)模型的高速銑削工藝參數(shù)優(yōu)化方法。
背景技術(shù)：
高速切削技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，已經(jīng)成為提高加工效率和加工質(zhì)量、降低成本的重要途徑。目前，高速切削參數(shù)的合理選擇仍然是困擾企業(yè)的一個(gè)難題，多數(shù)企業(yè)仍憑借試切法來(lái)確定加工時(shí)的切削用量，往往無(wú)法得到最優(yōu)切削參數(shù)組合，過(guò)于保守的切削用量限制了高速機(jī)床性能的發(fā)揮和生產(chǎn)效率的提高。如國(guó)內(nèi)某軍工廠，盡管購(gòu)置了國(guó)外先進(jìn)的高速機(jī)床加工整體葉輪，但是他們選擇的切削用量過(guò)于保守，加工葉輪所需的時(shí)間仍然要比國(guó)外長(zhǎng)很多。不僅如此，今天高速加工主要用在航空航天精密零件制造中，往往因 試切參數(shù)選擇不合適導(dǎo)致高附加值零件報(bào)廢。因此，在高速機(jī)床裝備性能已確定的條件下，如何合理選擇切削參數(shù)，對(duì)于提高生產(chǎn)效率、減少零件報(bào)廢率等具有重要的意義。國(guó)內(nèi)外對(duì)銑削加工工藝參數(shù)優(yōu)化的研究非常重視，多數(shù)研究都是從加工過(guò)程切削穩(wěn)定性的角度出發(fā)，建立銑削動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算顫振穩(wěn)定曲線并優(yōu)化工藝參數(shù)。土耳其的 BUDAK 等(Budak E,Tekeli A. Maximizing chatter free material removal rate inmilling through optimal selection of axial and radial depth of cut pairs[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology, 2005, 54 (I) : 353-356.)基于顫振理論研究了銑削加工中軸向切深和徑向切深的選擇方法，從而達(dá)到最大材料去除率。加拿大的Merdol 等(Merdol SD, AltintasY. Virtual Simulation and Optimization of MillingApplications-Part 11: Optimization and Feedrate Scheduling[J]. Journal ofManufacturing Science and Engineering-Transactions of the ASME, 2008, 130(5):0510051-05100510)綜合考慮了切削過(guò)程中切削力、切屑厚度、主軸功率、工件尺寸誤差及加工穩(wěn)定性等約束條件，提出了一個(gè)通用的切削參數(shù)優(yōu)化策略。申請(qǐng)?zhí)枮?00910046725. 3的發(fā)明專(zhuān)利公開(kāi)了一種刀具模態(tài)參數(shù)不確定的曲面五軸數(shù)控工藝參數(shù)優(yōu)化方法，其特點(diǎn)在于將刀具系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)的不確定性引入工藝參數(shù)規(guī)劃中，以此計(jì)算顫振穩(wěn)定曲線，更能反映真實(shí)的加工工況。申請(qǐng)專(zhuān)利號(hào)為201110183747. I的發(fā)明專(zhuān)利公開(kāi)了一種薄壁復(fù)雜曲面銑削加工時(shí)機(jī)床極限穩(wěn)定工藝參數(shù)的確定方法，其特點(diǎn)在于利用實(shí)驗(yàn)法獲得切削力和工件模態(tài)參數(shù)，計(jì)算不同階段機(jī)床極限穩(wěn)定工藝參數(shù)。從現(xiàn)有檢索文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有研究多沒(méi)有考慮到高速銑削中的高速效應(yīng)，即離心力和陀螺力矩效應(yīng)。在建立銑削動(dòng)力學(xué)模型時(shí)沒(méi)有計(jì)入高速主軸動(dòng)態(tài)特性隨轉(zhuǎn)速的變化，往往利用靜態(tài)下測(cè)試的主軸-刀具系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，計(jì)算顫振穩(wěn)定曲線，并以此作為工藝參數(shù)優(yōu)化的約束條件。因此并不能反映高速銑削的真實(shí)工況。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于為高速銑削加工提供一種準(zhǔn)確可靠的基于動(dòng)力學(xué)模型的高速銑削工藝參數(shù)優(yōu)化方法；該方法考慮了高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下主軸-刀具系統(tǒng)的離心力和陀螺力矩效應(yīng)，更加接近實(shí)際工況，提高了穩(wěn)定性預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，為高速銑削工藝參數(shù)優(yōu)化提供了又一有效技術(shù)。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)上述目的一種基于動(dòng)力學(xué)模型的高速銑削工藝參數(shù)優(yōu)化方法，該方法包括以下步驟I)輸入主軸-刀具系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和初始切削條件，為高速主軸系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模和切削過(guò)程建模提供數(shù)據(jù)支持；2)考慮離心力和陀螺力矩效應(yīng)，建立主軸-刀具系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，據(jù)此計(jì)算刀尖處的頻率響應(yīng)函數(shù)；同時(shí)根據(jù)輸入的切削條件，利用試驗(yàn)法確定切削力系數(shù)；3)建立高速主軸-刀具動(dòng)態(tài)特性與銑削交互過(guò)程模型，得到閉環(huán)動(dòng)態(tài)銑削系統(tǒng)的 特征方程；4)利用奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)，求解閉環(huán)動(dòng)態(tài)銑削系統(tǒng)的特征方程，計(jì)算高速銑削加工顫振穩(wěn)定性葉瓣圖；5)以高速銑削加工顫振穩(wěn)定性葉瓣圖下界曲線為約束條件，以最大材料去除率為優(yōu)化目標(biāo)，選取機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速和切削深度，實(shí)現(xiàn)高速銑削參數(shù)優(yōu)化。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于所述步驟I)中，主軸-刀具系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括各子部件的幾何尺寸、材料特性參數(shù)；所述材料特性參數(shù)包括楊氏模量、泊松比和密度；初始切削條件包括工件材料、刀具材料、刀刃數(shù)和徑向切削深度。3、根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于動(dòng)力學(xué)模型的高速銑削工藝參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟2)中，高速主軸-刀具系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型為/fix + cx + kx = F(I)式中，又、i:和X分別為系統(tǒng)的加速度、速度和位移振動(dòng)響應(yīng)，F(xiàn)為外力矢量;m、c和k分別為主軸系統(tǒng)的質(zhì)量、阻尼和剛度矩陣；其中m = msc=cD- Ω G(2)k=ks+kB- Ω 2mc式中，ms為主軸部件的質(zhì)量矩陣；cD為結(jié)構(gòu)阻尼，可以利用實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試得到，Ω為主軸轉(zhuǎn)速，G為主軸轉(zhuǎn)子的陀螺矩陣；ks為主軸部件的剛度矩陣，4為主軸軸承剛度矩陣，mc為離心力引起的等效質(zhì)量矩陣；利用式(I)，計(jì)算刀尖處的頻率響應(yīng)函數(shù)；所述步驟2)中，利用試驗(yàn)法確定切削力系數(shù)，是指全齒銑削實(shí)驗(yàn)平均切削力法。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于所述步驟2)中，高速主軸-刀具系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的建立過(guò)程如下首先，將高速主軸系統(tǒng)分為兩個(gè)子系統(tǒng)，即主軸部件子系統(tǒng)和軸承部件子系統(tǒng)；主軸部件子系統(tǒng)由具有軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的零部件轉(zhuǎn)子、電機(jī)、帶輪、拉刀桿、刀具、套筒及主軸箱體組成；利用Timoshenko梁?jiǎn)卧獙?duì)梁類(lèi)結(jié)構(gòu)的主軸轉(zhuǎn)子、拉刀桿、刀具和主軸箱進(jìn)行有限元建模；利用轉(zhuǎn)盤(pán)單元對(duì)盤(pán)類(lèi)結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)、帶輪和套筒進(jìn)行建模；對(duì)于軸承，考慮離心力、陀螺力矩和熱變形，利用Jones提出的軸承模型進(jìn)行建模；最后，將主軸與軸承部件的理論模型進(jìn)行集成，得到整個(gè)主軸系統(tǒng)的高速主軸-刀具系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于步驟3)中閉環(huán)動(dòng)態(tài)銑削系統(tǒng)的特征方程
權(quán)利要求
1.一種基于動(dòng)力學(xué)模型的高速銑削工藝參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，該方法包括以下步驟 1)輸入主軸-刀具系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和初始切削條件，為高速主軸系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模和切削過(guò)程建模提供數(shù)據(jù)支持； 2)考慮離心力和陀螺力矩效應(yīng)，建立主軸-刀具系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，據(jù)此計(jì)算刀尖處的頻率響應(yīng)函數(shù)；同時(shí)根據(jù)輸入的切削條件，利用試驗(yàn)法確定切削力系數(shù)； 3)建立高速主軸-刀具動(dòng)態(tài)特性與銑削交互過(guò)程模型，得到閉環(huán)動(dòng)態(tài)銑削系統(tǒng)的特征方程； 4)利用奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)，求解閉環(huán)動(dòng)態(tài)銑削系統(tǒng)的特征方程，計(jì)算高速銑削加工顫振穩(wěn)定性葉瓣圖； 5)以高速銑削加工顫振穩(wěn)定性葉瓣圖下界曲線為約束條件，以最大材料去除率為優(yōu)化目標(biāo)，選取機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速和切削深度，實(shí)現(xiàn)高速銑削參數(shù)優(yōu)化。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于動(dòng)力學(xué)模型的高速銑削工藝參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟I)中，主軸-刀具系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括各子部件的幾何尺寸、材料特性參數(shù)；所述材料特性參數(shù)包括楊氏模量、泊松比和密度；初始切削條件包括工件材料、刀具材料、刀刃數(shù)和徑向切削深度。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于動(dòng)力學(xué)模型的高速銑削工藝參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟2)中，高速主軸-刀具系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型為 mx+cx + kx = F(I) 式中，i、i:和X分別為系統(tǒng)的加速度、速度和位移振動(dòng)響應(yīng)，F(xiàn)為外力矢量;m、c和k分別為主軸系統(tǒng)的質(zhì)量、阻尼和剛度矩陣；其中m = ms c=cD- Ω G(2) k - kg ^kg- Ω IHq 式中，ms為主軸部件的質(zhì)量矩陣；Cd為結(jié)構(gòu)阻尼，可以利用實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試得到，Ω為主軸轉(zhuǎn)速，G為主軸轉(zhuǎn)子的陀螺矩陣；ks為主軸部件的剛度矩陣，kBS主軸軸承剛度矩陣，m。為離心力引起的等效質(zhì)量矩陣； 利用式(I)，計(jì)算刀尖處的頻率響應(yīng)函數(shù)； 所述步驟2)中，利用試驗(yàn)法確定切削力系數(shù)，是指全齒銑削實(shí)驗(yàn)平均切削力法。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或3所述的一種基于動(dòng)力學(xué)模型的高速銑削工藝參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟2)中，高速主軸-刀具系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的建立過(guò)程如下首先，將高速主軸系統(tǒng)分為兩個(gè)子系統(tǒng)，即主軸部件子系統(tǒng)和軸承部件子系統(tǒng)；主軸部件子系統(tǒng)由具有軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的零部件轉(zhuǎn)子、電機(jī)、帶輪、拉刀桿、刀具、套筒及主軸箱體組成；利用Timoshenko梁?jiǎn)卧獙?duì)梁類(lèi)結(jié)構(gòu)的主軸轉(zhuǎn)子、拉刀桿、刀具和主軸箱進(jìn)行有限元建模；利用轉(zhuǎn)盤(pán)單元對(duì)盤(pán)類(lèi)結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)、帶輪和套筒進(jìn)行建模；對(duì)于軸承，考慮離心力、陀螺力矩和熱變形，利用Jones軸承模型進(jìn)行建模；最后，將主軸與軸承部件的理論模型進(jìn)行集成，得到整個(gè)主軸系統(tǒng)的高速主軸-刀具系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于動(dòng)力學(xué)模型的高速銑削工藝參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，步驟3)中閉環(huán)動(dòng)態(tài)銑削系統(tǒng)的特征方程
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于動(dòng)力學(xué)模型的高速銑削工藝參數(shù)優(yōu)化方法，包括1)輸入主軸-刀具系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和初始切削條件；2)建立主軸-刀具系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，據(jù)此計(jì)算刀尖處的頻率響應(yīng)函數(shù)；確定切削力系數(shù)；3)建立高速主軸-刀具動(dòng)態(tài)特性與銑削交互過(guò)程模型，得到閉環(huán)動(dòng)態(tài)銑削系統(tǒng)的特征方程；4)計(jì)算高速銑削加工顫振穩(wěn)定性葉瓣圖；5)以高速銑削加工顫振穩(wěn)定性葉瓣圖下界曲線為約束條件，以最大材料去除率為優(yōu)化目標(biāo)，選取機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速和切削深度，實(shí)現(xiàn)高速銑削參數(shù)優(yōu)化。本發(fā)明考慮了高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下主軸-刀具系統(tǒng)的離心力和陀螺力矩效應(yīng)，更加接近實(shí)際工況，提高了穩(wěn)定性預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，為高速銑削工藝參數(shù)優(yōu)化提供了又一有效技術(shù)。
文檔編號(hào)B23C1/00GK102873381SQ20121037162
公開(kāi)日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月29日
發(fā)明者曹宏瑞, 何正嘉, 訾艷陽(yáng), 陳雪峰, 張周鎖, 李兵 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)