專利名稱：用調(diào)整好的切割速率確定加工工件的狀態(tài)條件的方法
技術領域：
本發(fā)明整體涉及可能確定會在加工時振動的工件的加工條件的方法。本發(fā)明的目 的在于確定切割條件，尤其是切割速度，以避免出現(xiàn)這種振動。
背景技術：
某些大尺寸工件，例如渦輪機的轉(zhuǎn)子盤，具有鐘形形狀并具有相當薄的壁，這些工 件很容易在加工時出現(xiàn)振動。已經(jīng)存在用于模擬加工時的振動的刀具，而且這些刀具在某些情況下可以在車削 或銑削這些部件的同時預測振動問題的發(fā)生。然而，這些模擬刀具通?；谥贿m用于研究 車削速度恒定系統(tǒng)的頻率方法。然而，為了避免這種工件發(fā)生諧振，優(yōu)選周期性地改變旋轉(zhuǎn) 速度(車削或銑削速度)以防止該系統(tǒng)發(fā)生諧振從而防止出現(xiàn)所述振動。這種調(diào)整切割速 度的函數(shù)由兩個參數(shù)來表征速度改變幅度以及所述振動的周期。然而，對于每個加工階段，都需要確定合適的調(diào)整函數(shù)。至到目前，這都是憑經(jīng)驗 完成的。這意味著，當為加工各個工件準備步驟計劃時，需要執(zhí)行多次測試，從而造成了大 量的時間損失并造成大量由貴重合金制成的工件廢棄。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明能夠通過提出對加工階段進行連續(xù)模擬以能夠優(yōu)化調(diào)整函數(shù)的參數(shù)來解 決上述問題。更具體地說，本發(fā)明提供了一種在調(diào)整工件與刀具之間的切割速度的同時確定所 述工件的加工階段狀況的方法，所述方法的特征在于如下步驟暫時設定用于調(diào)整所述速 度的函數(shù)參數(shù)來模擬所述加工階段；通過計算所述工件在所述加工階段結束之后相應的表 面狀態(tài)進行推演；重復改變所述調(diào)整函數(shù)的所述參數(shù)，直到所述表面狀態(tài)達到可接受值之 前每次模擬所述加工階段以推演出相應的表面狀態(tài)；以及通過使應用于與可接受值的表面 狀態(tài)所對應的調(diào)整函數(shù)的所述切割速度改變來執(zhí)行所述加工階段。


下文僅通過實例的方式并參考附圖對在調(diào)整工件與刀具之間的切割速度的情況 下確定加工工件的階段條件的方法進行了描述，可以通過閱讀該描述更清楚地理解本發(fā)明 及其其它特征，附圖中的唯一附圖是確定所述參數(shù)從而能使加工受控的重復工序的流程圖 的框圖。
具體實施例方式附圖描述了模擬加工處理。假設在預定時間T內(nèi)執(zhí)行一次加工操作。假定T為所 述預定時間T內(nèi)的時間間隔。為T選擇的值越小，需要執(zhí)行的計算量越大，但是這可以精確 地描述現(xiàn)象和部件的形狀，包括在一次加工操作結束時的表面狀態(tài)。該加工操作是刀具持續(xù)地與工件的材料保持接合的加工階段。此外，多種模型可以用于以計算機的形式表示工件和構成系統(tǒng)的組件，并且描述 各種工件與組件彼此之間的相互作用。描述工件和組件機械性能的大多數(shù)模型是利用所謂 的“有限元”方法做出來的。工件或組件由形成網(wǎng)格的元素組表示。網(wǎng)格的各個節(jié)點與表 示要描述的現(xiàn)象的值相關聯(lián)。例如，對于假定為剛性的工件的簡單表示，節(jié)點的坐標足以構 成模型。如果模型所描述的部分會發(fā)生變化(如變形、移動)，則需要額外的自由度來進行 模型的變換。舉例而言，增加三個旋轉(zhuǎn)自由度以及增加三個平移自由度。描述各個工件與元件彼此之間的相互作用的模型可以采用多種形式傳遞函數(shù)、 描述性模型以及等式等等。根據(jù)本發(fā)明，下述模型之間有以下區(qū)別Gw是工件的受加工處理影響的區(qū)域的初始幾何模型。Gt是刀具的作用部分的幾何模型。Gt是恒定的，盡管可以預見并描述該模型中的 緩慢變化以考慮例如刀具磨損等。更具體地說，該幾何模型實際上是一組描述各個獨立刀 具(齒、刀片、刀刃……)的模型。這個幾何模型是表面模型，表示了刀具的作用部分，尤其 是刀具的切割面。如果刀具的作用部分變形，則幾何模型可以隨著時間引入作用部分的變形作為刀 具與工件之間的接合函數(shù)。Fc是由刀具與工件之間的相互作用而產(chǎn)生的切割力模型(局部切割關系)。舉例 而言，可以使用本領域技術人員已知的金茨勒(Kienzle)類型的切割關系，該關系用于將 局部瞬時切割力確定作為被移除的材料部分(切割厚度和寬度，即切屑尺寸)的函數(shù)并且 作為刀具-工件動態(tài)特性的函數(shù)。瞬時切割力是刀具施加給工件的力并且是反作用力施加 給如下點的力這些點被選擇為用于準確地描述刀具與工件之間的相互作用。Dwmt是工件-機床系統(tǒng)的動態(tài)模型。該Dwmt模型通常是用于描述加工時的系統(tǒng) 動態(tài)特性的有限元模型。動態(tài)模型Dwmt包含有矩陣形式的參數(shù)M、C和K以及列矩陣q，這 將在下文中進行描述。下面是對模擬加工的說明，該說明是參考附圖給出的，其中，在流程圖的空白處示 出了上文定義的用于介入該過程的各種模型，該流程圖示出了用于確定對切割速度模型化 的函數(shù)的算法10。常數(shù)t = 0是預期加工的模擬階段的開始。對于每個t = t+At，可以限定刀具相 對于工件的行進速率(框12)。該行進速率隨著時間改變，這是因為行進速率取決于切割速 度的調(diào)整函數(shù)。例如，切割速度可以以如下方式表達Ω ⑴=ΩΝ+Δ Ω. Fco ⑴其中，-1< Fco (t) < 1。Fco (t)是時間2 Π/ω的周期函數(shù)，ΩΝ是標稱速度，并且Δ Ω是所述標稱速度 的變化幅度。優(yōu)選的是，F(xiàn)co (t)是正弦波。搜尋該調(diào)整函數(shù)能夠獲得滿意表面狀態(tài)的參數(shù)，S卩，比預定值小的“粗糙度”或“波 云力巾畐度(undulation)，，。從刀具對工件行進速率的描述12以及模型Gw和Gt開始，可以描述(框1 工件與刀具之間的相互作用(交互)。該相互作用的結果以及模型Fc用于描述局部力Fcut(t) (框 14)。利用動態(tài)模型Dwmt和局部力Fcut (t)，可以寫下并解微分方程組(框15)，Mq'+ Cq+ Kq = Qc + Qb其中q (t)是參數(shù)組的列矩陣qi (t)；，.U)是q⑴的一階導數(shù)；q(t)是 q(t)的二階導數(shù)；Qc(t)表示刀具與工件之間相互作用得到的合力。這些量是從利用切割模型獲得 的局部力Fcut (t)中推導出的；Qb(t)表示除Qc之外的合力。其尤其與夾持力有關；M(t，Ω )是質(zhì)量矩陣；C (t，Ω )是阻尼矩陣；以及K(t，Ω)是剛度矩陣。矩陣M、C和K可以在加工期間(緩慢地)改變從而考慮到因材料被移除而造成質(zhì) 量和剛度的損失。這些矩陣還可以包括作為Ω的函數(shù)的回轉(zhuǎn)效應。針對每個預定時間增量Δ (t)來求解微分方程組。因此，在知道q(t)中的t位于
范圍內(nèi)時，可以獲得q(t+At)，只要累計的時間間隔ΔΤ小于T即可，S卩，只要預期的 加工階段沒有結束即可。時間每增加一次，就實施一次材料移除算法16。該材料移除算法 的目的是模擬每次時間間隔上的材料移除，即更新模型Gw。一旦針對時間(T)模擬了整個加工階段，則將Gw的狀態(tài)與基準Gwr (測試17)進 行對比，尤其為了能夠估算加工階段結束時(通常是在刀具的一次操作后)工件的表面狀 態(tài)。如果Gw的表面狀態(tài)良好，即至少等于Gwr，那么，獲得能夠得到該結果的調(diào)整函數(shù) 的參數(shù)(框18)。隨后在時長T的實際加工中采用這些參數(shù)Δ Ω和ω來改變應用于調(diào)整 函數(shù)的(車削加工時心軸的)旋轉(zhuǎn)速度。如果表面狀態(tài)不夠良好，則改變調(diào)整函數(shù)的參數(shù)(框19)以改變刀具工件行進特 性，重新開始加工階段的模擬，根據(jù)需要多次執(zhí)行上述步驟以獲得表示良好表面狀態(tài)的更 新模型Gw0應該注意到已經(jīng)公開了實施上述步驟的算法。這些公開出版物的參考資料如下論文有Kaled Dekelbab, 1995, ‘‘ Modelisation et simulation du comportement dynamique de 1 ‘ ensemble Piece-OutiI-Machine en usinage par outil coupant " [Modeling and simulating the dynamic behavior of a workpiece-and-machinetool assembly during machining by a cutter tool (對禾 用刀具進行加工時工件和機床組件的動態(tài)模型進行建模和模擬)]，Ecole Nationale Superieure df Arts et Metiers -CER, Paris.Erwan Beahchesne，1999， “ Modelisation et simulation dynamique de1 ‘ usinage :prise en compte d' une piece deformable/r [Dynamic simulation and modeling of machining :taking account of a workpiece that is deformable(力口工 的動態(tài)模擬和建?？紤]到可變形的工件)]，Ecole Nationale Superieure d' Arts et Metiers -CER, Paris.Audry Marty, 2003， 〃 Simulation numerique de 1 ' usinage par outil coupant al' echelle macroscopique !contribution ala definition geometrique de la surface usinee“ ， [Numerical simulation of machining by a cutting tool at a macroscopic scale !contribution to a geometrical definition of the machined surface(在宏觀尺度利用切割刀具進行加工的數(shù)值模擬對加工表面的幾何限定的貢 S^)], Ecole Nationale Superieure df Arts et Metiers -CER, Paris.Stephanie Cohen_Assouline，2005， “ Simulation numerique de 1 ' usinageal ' echelle macroscopique :prise en compte d ' une piece deformable “ [Numerical simulation of machining at macroscopic scale taking account of a workpiece that is deformable (宏觀尺度的加工的數(shù)值模擬考慮到可變 形白勺工{牛)]，ecole Nationale Superieure df Arts et Metiers-CER, Paris.在刊物中公幵的文獻S. Assouline，Ε. Beauchesne，G. Coffignal，P. Lorong and A. Marty, 2002， “ Simulation numerique de 1' usinage al' echelle macroscopique :modeles dynamiques de la piece “ [Numerical simulation of machining at macroscopic scale :dynamic models of the workpiece (宏觀尺度加工的數(shù)值模擬工件的動態(tài)模 M)] ,Mecanique et Industrie，Vol. 3，pp. 389-402.P. Lorong, J. Yvonnet, G. Coffignal and S. Cohen，2006， 〃 Contribution of Computational Mechanics in Numerical Simulation of Machining and Blanking(計 算力學在加工和打孔的數(shù)值模擬方面的貢獻)〃，Archives of Computational Method in Engineering，Vol. 13，pp. 45-90.目前優(yōu)選的算法用于被命名為Nessy的軟件。在如下文獻中更詳細地描述了 Nessy P. Lorong, F. Ali and G.Coffignal，2000， “ Research oriented software development platform for structural mechanics :a solution for distributed computing(有關結構力學軟件開發(fā)平臺的研究分布式計算的解決方案)“，kcond International Conference on Engineering Computational Technology, Developments in engineering computational technology, ed. B. H. V. Topping Louvain，Belgium， pp. 93-100.G. Coffignal and P. Lorong,2003, “ Un Logiciel elements finis pour developper et capitaliser des travaux de recherche“ [Finite element software for developing and capitalizing research work(用于幵發(fā)禾口禾Ij用石if究工作的有限元軟 件)]，6eme Colloque National en Calcul des Structures, Giens.本發(fā)明的方法尤其適用于例如渦輪噴氣式發(fā)動機的渦輪或壓縮機轉(zhuǎn)子盤等大直 徑工件的轉(zhuǎn)動。這種工件易于在加工期間在切割力的作用下進行振動。預先確定在整個加工階段工件與刀具之間的相對旋轉(zhuǎn)速度的最佳調(diào)整函數(shù)，可以防止出現(xiàn)這種振動模式，從 而獲得期望的表面狀態(tài)。
權利要求
1.一種在調(diào)整工件與刀具之間的切割速度的同時確定所述工件的加工階段的狀況的 方法，所述方法的特征在于如下步驟暫時設定用于調(diào)整所述速度的函數(shù)的參數(shù)來模擬(10)所述加工階段； 在所述加工階段結束之后計算所述工件的對應表面狀態(tài)進行推演； 重復地改變(19)所述調(diào)整函數(shù)的所述參數(shù)，每次模擬所述加工階段以推演出對應表 面狀態(tài)，直到所述表面狀態(tài)到達可接受值；以及使應用于與可接受值的表面狀態(tài)所對應的調(diào)整函數(shù)的所述切割速度(Q(t))改變，執(zhí) 行所述加工階段。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，模函數(shù)是如下類型 Ω (t) = ΩΝ+Δ Ω. Fco ⑴，其中，-1 <Fco (t) < l，F(xiàn)co⑴是時間2 Π/ω的周期函數(shù)，ΩΝ是標稱速度，Δ Ω是 所述標稱速度的變化幅度。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，所述周邊函數(shù)是正弦波。
4.根據(jù)上述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述加工處理是車削加工。
全文摘要
確定加工部件的條件以避免在加工時出現(xiàn)振動。根據(jù)本發(fā)明，通過如下步驟對加工階段進行模擬(10)暫時設定用于調(diào)整切割速度的函數(shù)的參數(shù)，推演對應表面狀態(tài)，用每次模擬的加工階段重復地改變所述參數(shù)，直到表面狀態(tài)到達可接受值，并且使應用于所述相應的調(diào)整函數(shù)的所述切割速度(Ω(t))改變以執(zhí)行所述加工階段。
文檔編號G05B19/4069GK102138110SQ200980134002
公開日2011年7月27日 申請日期2009年7月24日 優(yōu)先權日2008年7月25日
發(fā)明者亞歷克西斯·佩雷斯-杜阿爾特, 杰拉德·康菲格諾, 飛利浦·羅榮 申請人:斯奈克瑪