一種數(shù)控機床加工極限切削深度預(yù)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于數(shù)控加工技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種數(shù)控機床加工極限切削深度預(yù)測方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 機床加工時的切削穩(wěn)定性一直是衡量機床加工性能的重要指標(biāo)，在實際加工過程 中，極限切削深度是表征切削穩(wěn)定性最有效、最直接的參數(shù)，并且可以通過繪制lobe圖來 表示，如圖1所示，（a)為單自由度系統(tǒng)的切削穩(wěn)定性葉瓣圖，（b)為多自由度系統(tǒng)的切削穩(wěn) 定性葉瓣圖。圖中匕^表示無顫振加工的最大軸向切削深度，圖中l(wèi)obe曲線以上的區(qū)域， 切削過程有顫振發(fā)生，為不穩(wěn)定切削；在最小極限切削寬度blini-Crit對應(yīng)的水平虛線以下 (blini〈blini-crit)的區(qū)域，切削狀態(tài)不隨主軸轉(zhuǎn)速改變，都是穩(wěn)定切削；在blini-min對應(yīng)的水 平虛線以上，沿著水平軸（轉(zhuǎn)速η)從左至右方向穩(wěn)定區(qū)和不穩(wěn)定區(qū)相間出現(xiàn)，切削深度隨 主軸轉(zhuǎn)速η從左至右不斷增加，落在lobe曲線陰影區(qū)內(nèi)為不穩(wěn)定切削，落在兩個陰影區(qū)域 之間為穩(wěn)定切削，為有條件穩(wěn)定區(qū)域。極限切削深度的計算如公式（1)所示，
[0004] 其中，Z為刀具齒數(shù)；Kf為切削力系數(shù)；G(co。）為系統(tǒng)頻響函數(shù)實部。從公式中可 以看出，除刀具齒數(shù)與切削力系數(shù)之外，刀尖點頻響函數(shù)是影響切削深度的關(guān)鍵因素。
[0005] 目前在研究切削系統(tǒng)刀尖點頻響函數(shù)的過程中，通常采用動力學(xué)建模仿真的方 法，經(jīng)過長期的研究積累，支撐軸承建對系統(tǒng)的影響已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可，因此建模的重點集 中在主軸軸承位置。軸承的模擬形態(tài)從簡單的彈簧阻尼模型，到考慮軸承特性的動力學(xué)模 型；軸承的引入形式從剛度和阻尼常量，到考慮轉(zhuǎn)速、摩擦和潤滑等條件的力與位移關(guān)系； 另外高轉(zhuǎn)速誘發(fā)的陀螺力矩、軸系及軸承滾珠離心力對高速主軸系統(tǒng)刀尖點頻響函數(shù)的影 響也在建模過程中加以體現(xiàn)。
[0006] 然而，隨著航空航天等精密制造業(yè)的快速發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)對機床加工精度和產(chǎn)品 表面粗糙度要求的不斷提升，導(dǎo)致傳統(tǒng)動力學(xué)建模分析獲得的結(jié)果已經(jīng)無法滿足加工需 要，于是研究者開始重新思考在建立主軸-刀柄-刀具系統(tǒng)動力學(xué)模型時曾經(jīng)被忽略或者 簡化的部分，主軸-刀柄結(jié)合部和刀柄-刀具結(jié)合部的動力學(xué)特性逐漸被重視。主軸、刀柄 及刀具之間相互連接起到傳遞動力以及精度的部分稱為主軸-刀柄-刀具結(jié)合面。高速主 軸系統(tǒng)主軸-刀柄結(jié)合面多為錐形，而刀柄-刀具結(jié)合面多為圓柱形（如圖2所示），為保 證主軸系統(tǒng)能夠安全可靠地運轉(zhuǎn)，結(jié)合面需要具有高幾何精度、高重復(fù)裝卡精度以及高剛 度等特性，因此主軸-刀柄-刀具結(jié)合面對高速主軸系統(tǒng)動力學(xué)特性有著重要的影響。
[0007] 如圖2所示為主軸-刀柄-刀具結(jié)合面局部剖視的放大圖，從圖中可以看出，在主 軸-刀柄-刀具結(jié)合面包括2個部分：一部分是電主軸-刀柄結(jié)合面5,是刀柄2插入電主 軸3的部分，該部分成錐形接觸面，由電主軸3的拉桿機構(gòu)直接作用產(chǎn)生摩擦力；另一部分 是刀柄-刀具結(jié)合面4,是刀具1插入刀柄2的部分，該部分是圓柱接觸面，起到定位刀具1 的作用，刀具1 一般以緊固螺絲固定。
[0008] 已有的建立主軸-刀柄-刀具結(jié)合部動力學(xué)模型的方法包括剛性連接模型和集中 彈簧模型，這些建模方式是把結(jié)合部動力學(xué)特性通過一個常量剛度值來表示，這種結(jié)合部 建模方式雖然比傳統(tǒng)忽略結(jié)合部的做法有所進步，但是對結(jié)合部動力學(xué)特性的描述仍處于 嘗試階段，所建立的結(jié)合部動力學(xué)模型無法準(zhǔn)確模擬主軸-刀柄-刀具結(jié)合部對高速主軸 系統(tǒng)刀尖點頻響函數(shù)的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供一種數(shù)控機床加工極限切削深度預(yù)測方 法。
[0010] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0011] -種數(shù)控機床加工極限切削深度預(yù)測方法，包括：
[0012] 步驟1、獲取數(shù)控機床電主軸的內(nèi)徑與外徑、刀柄的內(nèi)徑與外徑、刀具的直徑；
[0013] 步驟2、建立電主軸有限元模型、刀柄有限元模型、刀具有限元模型；
[0014] 步驟2-1、根據(jù)數(shù)控機床電主軸的內(nèi)徑與外徑、刀柄的內(nèi)徑與外徑、刀具的直徑，選 擇Timoshenko梁單元分別建立電主軸的有限元模型、刀柄的有限元模型、刀具的有限元模 型；
[0015] 步驟2-2、以階梯軸形式劃分電主軸-刀柄結(jié)合面、刀柄-刀具結(jié)合面結(jié)構(gòu)，形成 除電主軸軸段、刀柄軸段、刀具軸段之外的電主軸-刀柄結(jié)合面軸段和刀柄-刀具結(jié)合面軸 段；
[0016] 步驟2-3、在電主軸軸段靠近刀柄一端、刀柄軸段靠近刀具一端分別增加一個過渡 軸段，為實現(xiàn)并聯(lián)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)組集矩陣做準(zhǔn)備；
[0017] 步驟2-4、對電主軸軸段、刀柄軸段和刀具軸段順序進行節(jié)點標(biāo)號，分別建立電主 軸有限元模型、刀柄有限元模型、刀具有限元模型；
[0018] 步驟3、建立電主軸-刀柄-刀具結(jié)合面有限元模型；
[0019] 步驟3-1、選擇彈簧分布密度、彈簧根數(shù)、彈簧剛度以及阻尼，根據(jù)電主軸-刀柄結(jié) 合面和刀柄-刀具結(jié)合面所劃分的階梯軸建立電主軸-刀柄-刀具結(jié)合面的分布式彈簧模 型；
[0020] 步驟3-2、將電主軸-刀柄結(jié)合面、刀柄-刀具結(jié)合面的剛度和阻尼按照彈簧分布 密度分配給每根彈簧，形成電主軸-刀柄-刀具結(jié)合面的分布式彈簧阻尼模型；
[0021 ] 步驟3-3、將電主軸-刀柄-刀具結(jié)合面的分布式彈簧阻尼模型與電主軸有限元模 型、刀柄有限元模型、刀具有限元模型組集，建立以主軸為外轉(zhuǎn)子、刀柄為內(nèi)轉(zhuǎn)子，刀柄為外 轉(zhuǎn)子、刀具為內(nèi)轉(zhuǎn)子的雙并聯(lián)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的有限元模型，即考慮電主軸-刀柄-刀具結(jié)合面特 征的完整的高速主軸系統(tǒng)有限元模型；
[0022] 步驟4、進行模態(tài)測試與動力學(xué)仿真，得到刀尖點頻響函數(shù)；
[0023] 步驟4-1、利用所建立的完整的高速主軸系統(tǒng)有限元模型進行模態(tài)測試與動力學(xué) 仿真；
[0024] 步驟4-2、利用模態(tài)測試結(jié)果與動力學(xué)仿真結(jié)果進行對比，修正得到完整的高速主 軸系統(tǒng)有限元模型中分布式彈簧的數(shù)量與彈簧分布密度；
[0025] 步驟4-3、對修正后的完整的高速主軸系統(tǒng)有限元模型進行模態(tài)與響應(yīng)分析，得到 刀尖點頻響函數(shù)；
[0026] 步驟5、根據(jù)刀尖點頻響函數(shù)得到極限切削深度。
[0027] 有益效果：
[0028] 本發(fā)明提供的數(shù)控機床加工極限切削深度預(yù)測方法是一種新的結(jié)合部動力學(xué)特 性模擬方法，將電主軸-刀柄-刀具結(jié)合面簡化為分布彈簧，并基于并聯(lián)轉(zhuǎn)子的建模思想， 采用有限元法來完成了主軸系統(tǒng)的有限元建模。這種方法不僅可以更充分地考慮結(jié)合部之 間的連接形式，同時還可以對不同接觸位置所產(chǎn)生的接觸剛度進行分別模擬。
【附圖說明】
[0029] 圖1為切削穩(wěn)定性葉瓣圖，（a)為單自由度系統(tǒng)的切削穩(wěn)定性葉瓣圖，（b)為多自 由度系統(tǒng)的切削穩(wěn)定性葉瓣圖；
[0030] 圖2為主軸-刀柄-刀具結(jié)合面局部剖視的放大圖，其中，1-刀具，2-刀柄，3-電 主軸，4-刀柄-刀具結(jié)合面，5-電主軸-刀柄結(jié)合面；
[0031] 圖3為本發(fā)明【具體實施方式】的相鄰單元組集示意圖；
[0032] 圖4為本發(fā)明【具體實施方式】的雙并聯(lián)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)矩陣組集示意圖；
[0033] 圖5為本發(fā)明【具體實施方式】的電主軸系統(tǒng)示意圖，6-主軸-軸承結(jié)合部；
[0034] 圖6為本發(fā)明【具體實施方式】的電