本發(fā)明涉及一種薄壁件周銑穩(wěn)定性預(yù)測方法，特別涉及一種帶曲面的薄壁件周銑穩(wěn)定性預(yù)測方法。
背景技術(shù)：
：薄壁零件廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，但加工合格的薄壁零件是制造領(lǐng)域中一個(gè)難題。準(zhǔn)確預(yù)測薄壁件銑削過程穩(wěn)定性是提高其加工效率和加工質(zhì)量，減小刀具磨損和刀具破損的重要途徑之一。研究表明，與常規(guī)零件銑削過程不同，薄壁件銑削過程中，不斷變化的工件動力學(xué)特性對其銑削穩(wěn)定性有很大的影響。因此研究人員對薄壁件銑削過程穩(wěn)定性開展了大量研究工作。文獻(xiàn)1“Q.Song,Z.Liu,Y.Wan,G.Ju,J.Shi,ApplicationofSherman-Morrison-Woodburyformulasininstantaneousdynamicofperipheralmillingforthin-walledcomponent,InternationalJournalofMechanicalSciences96-97(2015)79–90.”公開了一種帶曲面的薄壁件周銑穩(wěn)定性預(yù)測方法?？紤]了工件動力學(xué)參數(shù)因材料去除的變化及其在不同刀具位置處的變化，使用Sherman-Morrison-Woodbury公式計(jì)算加工過程中的工件動力學(xué)特性，并將其代入最常用的單點(diǎn)刀具工件動力學(xué)模型中預(yù)測薄壁件周銑穩(wěn)定性。文獻(xiàn)2“C.Eksioglu,Z.Kilic,Y.Altintas,Discrete-timepredictionofchatterstability,cuttingforces,andsurfacelocationerrorsinflexiblemillingsystems,JournalofManufacturingScienceandEngineering-TransactionsoftheASME134(2012)061006.”公開了一種薄壁件周銑穩(wěn)定性預(yù)測方法。考慮了工件動力學(xué)參數(shù)沿刀具軸向的變化，在刀具工件接觸域內(nèi)的多個(gè)點(diǎn)建立刀具與工件相互作用的動力學(xué)模型，預(yù)測薄壁件周銑穩(wěn)定性。現(xiàn)有的帶有曲面的薄壁件周銑穩(wěn)定性預(yù)測方法的主要缺點(diǎn)是，未同時(shí)考慮工件動力學(xué)參數(shù)因材料去除的變化、其在不同刀具位置處的變化及其沿刀具軸向的變化，使穩(wěn)定性預(yù)測精度降低。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：為了克服現(xiàn)有薄壁件周銑穩(wěn)定性預(yù)測方法預(yù)測精度差的不足，本發(fā)明提供一種帶曲面的薄壁件周銑穩(wěn)定性預(yù)測方法。該方法將有限元方法和結(jié)構(gòu)動力修改方法相結(jié)合，模擬工件動力學(xué)參數(shù)因材料去除的變化，提取工件在不同刀具位置和不同軸向高度的動態(tài)位移，并提取出刀具運(yùn)動到某個(gè)刀具位置點(diǎn)處時(shí)工件動力學(xué)參數(shù)沿刀具軸向的變化，最后建立多點(diǎn)刀具工件動力學(xué)模型，將之前得到的工件動力學(xué)特性代入并求解穩(wěn)定性。同時(shí)考慮了周銑曲面時(shí)刀具工件接觸域和刀具進(jìn)給方向?qū)Ψ€(wěn)定性的影響，可準(zhǔn)確地預(yù)測帶有曲面的薄壁件的周銑過程切削穩(wěn)定性。本發(fā)明同時(shí)適用于帶有平面和曲面薄壁件的周銑過程，當(dāng)以大軸向切深和小徑向切深周銑薄壁件時(shí)，可準(zhǔn)確地預(yù)測切削穩(wěn)定性。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案：一種帶曲面的薄壁件周銑穩(wěn)定性預(yù)測方法，其特點(diǎn)是包括以下步驟：步驟一、將周銑過程中使用的銑刀裝夾在機(jī)床上，進(jìn)行模態(tài)錘擊實(shí)驗(yàn)，測量得到刀具沿軸向多個(gè)點(diǎn)的頻響函數(shù)，通過頻響函數(shù)對刀具-刀柄-主軸系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，得到刀具的固有頻率矩陣ωT、阻尼比矩陣ζT和模態(tài)振型矩陣步驟二、對未加工的初始工件進(jìn)行模態(tài)錘擊實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，得到工件的阻尼比矩陣ζW；步驟三、建立未加工的初始工件的有限元模型，得到未加工的初始工件的質(zhì)量矩陣MW,0和剛度矩陣KW,0，并對有限元模型進(jìn)行計(jì)算模態(tài)分析，得到初始工件的固有頻率矩陣ωW,0和模態(tài)振型矩陣UW,0；步驟四、根據(jù)步驟三中的初始工件的固有頻率矩陣ωW,0和模態(tài)振型矩陣UW,0，利用結(jié)構(gòu)動力修改方法，計(jì)算刀具切削到第m刀具位置點(diǎn)處時(shí)工件的固有頻率矩陣ωW,m和模態(tài)振型矩陣UW,m；步驟五、根據(jù)刀具的刀具位置點(diǎn)坐標(biāo)和軸向切深，提取刀具-工件切削區(qū)域的點(diǎn)的動態(tài)位移矩陣其中中的元素是UW,m中的元素的一部分；步驟六、利用步驟一中得到的刀具固有頻率矩陣ωT、阻尼比矩陣ζT和模態(tài)振型矩陣步驟二中得到的工件的阻尼比矩陣ζW，步驟四中得到的加工過程中的工件的固有頻率矩陣ωW,m，步驟五中得到的加工過程中的工件的動態(tài)位移矩陣建立刀具運(yùn)動到第m刀具位置點(diǎn)時(shí)的刀具-工件動力學(xué)方程：Γ··T(t)Γ··W(t)+2ζT00ζWωT00ωW,mΓ·T(t)Γ·W(t)+ωT00ωW,m2ΓT(t)ΓW(t)=U^TT-U^W,mTF(t)]]>其中，ΓT(t)、和分別為刀具的模態(tài)坐標(biāo)的位移、速度和加速度向量，ΓW(t)分別為工件的模態(tài)坐標(biāo)的位移、速度和加速度向量，F(xiàn)(t)為作用在刀具-工件切削區(qū)域的銑削力向量；步驟七、用推廣的半離散時(shí)域方法判斷步驟六中的動力學(xué)方程的穩(wěn)定性，并繪制穩(wěn)定性葉瓣圖。本發(fā)明的有益效果是：該方法將有限元方法和結(jié)構(gòu)動力修改方法相結(jié)合，模擬工件動力學(xué)參數(shù)因材料去除的變化，提取工件在不同刀具位置和不同軸向高度的動態(tài)位移，并提取出刀具運(yùn)動到某個(gè)刀具位置點(diǎn)處時(shí)工件動力學(xué)參數(shù)沿刀具軸向的變化，最后建立多點(diǎn)刀具工件動力學(xué)模型，將之前得到的工件動力學(xué)特性代入并求解穩(wěn)定性。同時(shí)考慮了周銑曲面時(shí)刀具工件接觸域和刀具進(jìn)給方向?qū)Ψ€(wěn)定性的影響，可準(zhǔn)確地預(yù)測帶有曲面的薄壁件的周銑過程切削穩(wěn)定性。本發(fā)明同時(shí)適用于帶有平面和曲面薄壁件的周銑過程，當(dāng)以大軸向切深和小徑向切深周銑薄壁件時(shí)，能夠準(zhǔn)確地預(yù)測切削穩(wěn)定性。下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明作詳細(xì)說明。附圖說明圖1是本發(fā)明方法實(shí)施例1中平板薄壁件的示意圖。圖2是本發(fā)明方法實(shí)施例1中主軸轉(zhuǎn)速為12000轉(zhuǎn)時(shí)本發(fā)明預(yù)測的穩(wěn)定性葉瓣圖與實(shí)驗(yàn)的對比圖。圖3是本發(fā)明方法實(shí)施例2中帶有曲面的薄壁件的示意圖。圖4是本發(fā)明方法實(shí)施例2中主軸轉(zhuǎn)速為10000轉(zhuǎn)時(shí)本發(fā)明預(yù)測的穩(wěn)定性葉瓣圖與文獻(xiàn)1的方法預(yù)測的穩(wěn)定性葉瓣圖及實(shí)驗(yàn)的對比圖。圖中，實(shí)線代表本發(fā)明的預(yù)測值，虛線代表文獻(xiàn)1的方法的預(yù)測值，○代表實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定結(jié)果，×代表實(shí)驗(yàn)的不穩(wěn)定結(jié)果。具體實(shí)施方式以下實(shí)施例參照圖1-4。實(shí)施例1：采用本發(fā)明進(jìn)行帶有曲面的薄壁件周銑穩(wěn)定性的預(yù)測，曲面方程為x(u,v)＝20+190u(1-u)2+40u2(1-u)+80u3u,v∈[0,1]y(u,v)＝5+80u2(1-u)+25u3z(u,v)＝43v該薄壁件通過對曲面的內(nèi)外兩個(gè)方向分別偏置0.3mm和2.2mm得到，徑向切削深度為0.3mm，工件材料為鋁合金6061-T6，工件通過底部裝夾在機(jī)床工作臺上。(1)將周銑過程中使用的銑刀裝夾在機(jī)床上，進(jìn)行模態(tài)錘擊實(shí)驗(yàn)，測量得到刀具沿軸向4個(gè)點(diǎn)的頻響函數(shù)，通過頻響函數(shù)對刀具-刀柄-主軸系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，得到刀具的固有頻率矩陣ωT、阻尼比矩陣ζT和模態(tài)振型矩陣(2)對未加工的初始工件進(jìn)行模態(tài)錘擊實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，得到工件的阻尼比矩陣ζW；(3)建立未加工的初始工件的有限元模型，得到未加工的初始工件的質(zhì)量矩陣MW,0和剛度矩陣KW,0，并對有限元模型進(jìn)行計(jì)算模態(tài)分析，得到初始工件的固有頻率矩陣ωW,0和模態(tài)振型矩陣UW,0；(4)根據(jù)步驟(3)中的初始工件的固有頻率矩陣ωW,0和模態(tài)振型矩陣UW,0，利用結(jié)構(gòu)動力修改方法，計(jì)算刀具切削到第m刀具位置點(diǎn)處時(shí)工件的固有頻率矩陣ωW,m和模態(tài)振型矩陣UW,m；(5)根據(jù)刀具的刀具位置點(diǎn)坐標(biāo)和軸向切深，提取刀具-工件切削區(qū)域的點(diǎn)的動態(tài)位移矩陣其中中的元素是UW,m中的元素的一部分；(6)利用步驟(1)中得到的刀具固有頻率矩陣ωT、阻尼比矩陣ζT和模態(tài)振型矩陣步驟(2)中得到的工件的阻尼比矩陣ζW，步驟(4)中得到的加工過程中的工件的固有頻率矩陣ωW,m，步驟(5)中得到的加工過程中的工件的動態(tài)位移矩陣建立刀具運(yùn)動到第m刀具位置點(diǎn)時(shí)的刀具-工件動力學(xué)方程：Γ··T(t)Γ··W(t)+2ζT00ζWωT00ωW,mΓ·T(t)Γ·W(t)+ωT00ωW,m2ΓT(t)ΓW(t)=U^TT-U^W,mTF(t)]]>其中，ΓT(t)、和分別為刀具的模態(tài)坐標(biāo)的位移、速度和加速度向量，ΓW(t)分別為工件的模態(tài)坐標(biāo)的位移、速度和加速度向量，F(xiàn)(t)為作用在刀具-工件切削區(qū)域的銑削力向量；(7)用推廣的半離散時(shí)域方法判斷步驟(6)中的動力學(xué)方程的穩(wěn)定性，并繪制穩(wěn)定性葉瓣圖。通過上面的步驟，可預(yù)測帶有曲面的薄壁件的周銑穩(wěn)定性葉瓣圖，從圖2可以看出，本發(fā)明的預(yù)測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)吻合較好，證明了方法的有效性。實(shí)施例2：采用本發(fā)明進(jìn)行平板薄壁件周銑穩(wěn)定性的預(yù)測，其中平板尺寸為115mm×36mm×3.5mm，徑向切削深度為0.5mm，工件材料為鋁合金6061-T6，工件通過底部裝夾在機(jī)床工作臺上。(1)將周銑過程中使用的銑刀裝夾在機(jī)床上，進(jìn)行模態(tài)錘擊實(shí)驗(yàn)，測量得到刀具沿軸向4個(gè)點(diǎn)的頻響函數(shù)，通過頻響函數(shù)對刀具-刀柄-主軸系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，得到刀具的固有頻率矩陣ωT、阻尼比矩陣ζT和模態(tài)振型矩陣(2)對未加工的初始工件進(jìn)行模態(tài)錘擊實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，得到工件的阻尼比矩陣ζW；(3)建立未加工的初始工件的有限元模型，得到未加工的初始工件的質(zhì)量矩陣MW,0和剛度矩陣KW,0，并對有限元模型進(jìn)行計(jì)算模態(tài)分析，得到初始工件的固有頻率矩陣ωW,0和模態(tài)振型矩陣UW,0；(4)根據(jù)步驟(3)中的初始工件的固有頻率矩陣ωW,0和模態(tài)振型矩陣UW,0，利用結(jié)構(gòu)動力修改方法，計(jì)算刀具切削到第m刀具位置點(diǎn)處時(shí)工件的固有頻率矩陣ωW,m和模態(tài)振型矩陣UW,m；(5)根據(jù)刀具的刀具位置點(diǎn)坐標(biāo)和軸向切深，提取刀具-工件切削區(qū)域的點(diǎn)的動態(tài)位移矩陣其中中的元素是UW,m中的元素的一部分；(6)利用步驟(1)中得到的刀具固有頻率矩陣ωT、阻尼比矩陣ζT和模態(tài)振型矩陣步驟(2)中得到的工件的阻尼比矩陣ζW，步驟(4)中得到的加工過程中的工件的固有頻率矩陣ωW,m，步驟(5)中得到的加工過程中的工件的動態(tài)位移矩陣建立刀具運(yùn)動到第m刀具位置點(diǎn)時(shí)的刀具-工件動力學(xué)方程：Γ··T(t)Γ··W(t)+2ζT00ζWωT00ωW,mΓ·T(t)Γ·W(t)+ωT00ωW,m2ΓT(t)ΓW(t)=U^TT-U^W,mTF(t)]]>其中，ΓT(t)、和分別為刀具的模態(tài)坐標(biāo)的位移、速度和加速度向量，ΓW(t)分別為工件的模態(tài)坐標(biāo)的位移、速度和加速度向量，F(xiàn)(t)為作用在刀具-工件切削區(qū)域的銑削力向量；(7)用推廣的半離散時(shí)域方法判斷步驟(6)中的動力學(xué)方程的穩(wěn)定性，并繪制穩(wěn)定性葉瓣圖。通過上面的步驟，可預(yù)測平板薄壁件的周銑穩(wěn)定性葉瓣圖，從圖4可以看出，本發(fā)明的預(yù)測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)的吻合程度比文獻(xiàn)1中的方法更好，證明了方法的準(zhǔn)確性。當(dāng)前第1頁1 2 3